Epigenetikens biokemi, eller Kemisk modifiering av DNA och histonproteiner för att styra genuttryck

Transkript

1 Epigenetikens biokemi, eller Kemisk modifiering av DNA och histonproteiner för att styra genuttryck Astrid Gräslund Inst. för biokemi och biofysik Stockholms Universitet Föreläsning, Värnamo,

2 Epigenetik studier av ärftliga förändringar i genuttryck eller genfunktion som inträffar utan förändring av själva DNA-sekvensen epi från grekiskan, betyder över, ovanför

3 Molekylärbiologins dogm och centrala processer. DNA bär det genetiska arvet, som förmedlas av RNA och cellens funktioner ombesörjs av proteinerna Cellkärnan: transkription Ribosomen: translation DNA RNA protein DNA Cellkärnan: replikation

4 Den berömda dubbelhelixen - DNA The Nature publication about DNA structure by Watson and Crick, based on fiber X-ray diffraction data by Wilkins and Franklin from 1953 Nobel Prize to Watson, Crick and Wilkins in 1962

5 Cellkärnan i närbild Spagetti with meatball -modellen för nukleosomen

6 Nukleosomen i cellkärnan består av ett proteinkomplex av histoner på vilket DNA är upplindat. Klassisk molekylärbiologi: Transkriptionen (avläsningen av DNA till RNA) styrs av specifika transkriptionsfaktorer (proteiner) och signaler. Nukleosomen, röntgenkristallografisk struktur

7 Epigenetik Viktiga begrepp: Epigenetik studier av ärftliga förändringar i genuttryck eller genfunktion som inträffar utan förändring av själva DNA-sekvensen DNA-metylering: addition av metylgrupper främst till basen cytosin i DNA, genom aktivitet av enzymet DNA-metyltransferas. DNAmetylering reglerar genexpression. Histon-modifiering: addition av acetyl- eller metylgrupper till histonproteiner (lysin-sidokedjor), genom aktivitet av enzymer såsom histonacetyltransferaser eller histondeacetylaser. Reglerar genexpression. Kromatin-remodellering: hur DNA-kedjan är upplindad på histonerna kan förändras och påverka genexpression.

8 Epigenetisk styrning av celldifferentiering i eukaryota celler

9

10

11 Det epigenetiska mönstret, både för DNA och för histonerna, är ofta starkt förändrat i cancerceller. Det epigenetiska mönstret hos en cell är av stor betydelse för bl.a. reglering av transkriptionen, när DNA avläses för att bilda RNA. Epigenetiska förändringar består när celler delar sig. Nedärvning mellan generationer: de flesta av de epigenetiska förändringarna återställs vid meios (men barnbarnen i Överkalix, vars far-och morföräldrar överlevde en svältkatastrof på talet visades vara påverkade av denna!!).

12 Fig. 2. DNA methylation is an equilibrium of methylation and demethylation, the direction of the reaction is determined by chromatin structure. A gene is found in either a methylated state, which is associated with inactive chromatin or an unmethylated state associated w Histone DeACetylas transkription av gen CLOSE Histone Acetyl Transferase Enzymer som medverkar vid reglering av genuttryck

13 För medicinutveckling har intresset riktats mot Histone Acetyltransferase (HAT) och Histone deacetylase (HDAC). En inhibitor till HDAC, Vorinostat, används kliniskt mot viss slags cancer. I motsats till mutationer är epigenetiska förändringar i princip reversibla och kan därför påverkas av medicinering.

14 Epigenetiska förändringar ärvs vid celldelning.

15

16

17 Histonerna och deras potentiella ställen för modifiering

18

19

20 Ett DNA-metylas, DNMT1, metylerar särskilt den nysyntetiserade DNAsträngen efter replikation, så att båda dotter-dna-molekylerna blir lika.

21 Alltför kraftig DNA-metylering associeras med tystande av genuttryck. Förekommer t.ex. i cancerceller, där promoterregionen med CpG-öar hos tumör-suppressorgener är kraftigt metylerad och genen tystad.

22 Exempel på epigenetisk styrning: X-kromosom-inaktivering: en av de två kvinnliga X-kromosomerna inaktiveras genom speciell packning i kromatinet. I högre organismer avgör slumpen vilken av de två som inaktiveras.

23 XIC (X inactivation center) på X-kromosomen har 4 ej translaterade RNA-gener, bland den Xist. Xist kodar för X-inactive specific transcript, en stor RNA. Xist RNA klär in hela sin X-kromosom, som inaktiveras. Den inaktiva X-kromosomen har kraftig DNA-metylering, låg H3-K4-metylering, och kraftig H3-K9-metylering, alla epigenetiska markörer för tystade gener.

24 Ytterligare epigenetiska aktörer: 1. Små icke-kodande RNA kan reglera genuttryck, och deltar troligen i epigenetiska processer. 2. Funktionella prioner, som särskilt har studerats i jästsvampar, ändrar fenotypen hos jästen utan att dess genom har ändrats. Ett protein, Sup35, bildar prioner och tappar sin vanliga funktion att terminera translation. Sup35-prioner kan ärvas mellan generationer av jästceller. PRION= PRoteinaceous Infectious particle.

25 Frågor och mina försök till svar: Finns det en epigenetisk kod? Nej, inte strikt! Är vi på väg att formulera en ny molekylärbiologisk dogm? Kanske, delvis! Har Lamarck s teorier om miljöns påverkan på arvet fått ny aktualitet? Nja!? Inlägg i pågående debatt om vad som styr genuttryck: -Core concepts: Epigenetics, av S.C.P. Williams, Proc. Nat. Sci. US, 110 (2013) Epigenetics: Core misconcept, av M. Ptashne, Proc. Nat. Sci. US, 110 (2013)