Biologia molekularna roślin

Chromatyna a epigenetyka
Chromatyna wypełnia jądro komórkowe
23 ludzkie chromosomy w jądrach fibroblastów we
wczesnej profazie
Maksymalny stopień kondensacji DNA osiąga w chromosomach
Białka histonowe
Chromatyna trawiona nukleazą, oryginał z pracy Hewish and Burgoyne 1973
Dean
Hewish, 1973
Leigh
Burgoyne, 1973
Trawienie chromatyny MNazą - drabinka nukleosomowa
„Sznur korali” (‘beads on the string’)
Olins & Olins, 1973
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/Nucleus.html
Roger Kornberg
w 1974 r. zaproponował
model, w którym DNA
owinięty jest wokół rdzenia
histonowego tworząc
nukleosom
NUKLEOSOM JEST PODSTAWOWĄ JEDNOSTKĄ STRUKTURALNĄ
CHROMATYNY
Fałd histonowy
Złożenie fałdów (hand shake)
Konserwowane elementy na obrzeżu oktameru
Oktamer – oddziaływanie z DNA
Mutacje SIN znoszą oddziaływania oktameru z DNA
Składanie nukleosomu
Zaginanie i zwijanie DNA na oktamerze
•
Ściśle zwinięta lewoskrętna superhelisa ma ok. 80
pz na zwój i skok superhelikalny ok. 27,5 A.
Ekspozycja miejsc w helisie DNA na oktamerze
Struktura krystalogtaficzna cząstki rdzeniowej nukleosomu
Karolin Luger
Timothy Richmond
Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60
Schemat nukleosomu
Nukleosomy - terminologia
8 histonów:
Po dwa każdego z:
H2A
H2B
H3
H4
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
Organizacja chromatyny
Podwójna helisa DNA
2 nm
Histony + DNA.
“Koraliki na sznurku”
f
Komórka
roślinna
11 nm
Włókna nukleosomowe
30-nm (solenoid)
30 nm
Włókna połączone
z macierzą jądrową
300 nm
Nuclear Matrix
Umiejscowienie H1 w nukleosomie
Regulacyjna rola chromatyny
Struktura a funkcja chromatyny
Zmiany struktury chromatyny
• modyfikacje DNA
• modyfikacje potranslacyjne histonów
• wyspecjalizowane warianty histonów
• ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Metylacja DNA, Metylomy
Metylacja DNA zamienia cytozynę w 5-metylo cytozynę
Metylacja DNA ma znaczenie biologiczne
Arabidopsis 46-dni od wysiania
NH2
N
O
NH2
CH3
N
N
O
N
~
~
cytosine
5-methylcytosine
WT
met1/cmt3
Xiao, et al.(2006). The Plant Cell. 18: 805-814
Metylacja DNA u eukariontów
• Nie jest uniwersalna, występuje u ssaków i roślin kwiatowych
• Jest zmienna gatunkowo, tkankowo i chromosomowo
• Rozpoznawana przez rodzinę białek zawierających domenę
(MBD) wiążącą metylowany DNA
• Ściąga kompleksy białkowe indukujące zmiany w lokalnej
strukturze chromosomów
• Wyłącza ekspresję genów
• Zakłócenia w normalnym wzorze metylacji DNA są niemal
powszechnie wykrywane w nowotworach
Transpozony
• Fragmenty DNA, które mogą
się wstawiać w nowe miejsce
w chromosomie
• Niektóre są zdolne do
autokopiowania, co prowadzi
do wzrostu ich ilości w
genomie
• Odpowiadają za
wielkoskalowe zmiany w
chromosomach, jak również
pojedyncze wydarzenia
mutacyjne
U roślin program epigenetyczny wycisza
transpozony i chroni integralość centromerów
Transpozony mogą powodować
wyłączenie lub niestabilność alleli
Gen
biosyntezy
barwnika
Allel dziki
Ziarniak barwny
Gen rozbity
przez
transpozon
Allel zmutowany
Ziarniak bezbarwny
Wycięcie transpozonu
powoduje
niestabilność allelu
Allel niestabilny
Ziarniak częściowo zabarwiony
Metylacja DNA jest niezbędna do
wyciszania transpozonów
Niebieski = gęstość
genów
Czerwony =
Gęstość elementów
powtarzalnych
Utrata funkcji met1
lub ddm1 (decrease
in DNA
methylation1)
mutanty mają
niedometylowany
DNA
Zielony = Metylowany
DNA
Brązowy =
Metylowany DNA w
mutancie met1
Zhang, et al. (2006). Cell 126: 1189-1201
Metylotransferazy DNA w
Arabidopsis
MET1 (METHYLTRANSFERASE1)
• Miejsca 5'-CG-3'
• Wyciszanie transpozonów, elementów
powtórzonych, piętnowanie genów (imprinting)
CMT3 (CHROMOMETHYLASE3)
• Miejsca 5'-CHG-3'
• (H= A, C or T)
• Oddziaływanie z modyfikakcjami histonów
DRM 1, DRM 2 (DOMAINS REARRANGED 1 and 2)
• Miejsca 5'-CHH-3'
• Metyluje głównie elementy powtarzalne
• Wymaga aktywnej indukcji przez siRNA
© 2013 American Society of Plant Biologists
Aktywacja transpozonów w
mutancie ddm1 indukuje mutacje
Dziki
Po 1
pokoleniu
Po 3
pokoleniach
Po 5
pokoleniach
Po wyłączeniu DDM1, fenotyp rośliny staje się coraz bardziej
nienormalny, w miarę akumulowania indukowanych przez
transpozony.
Kakutani, et al. (1996). PNAS. 93: 12406-12411
Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie
H4
H4
H3
H3
H2A
H2A
H2B
H2B
Enzymy modyfikujące histony i DNA
• HAT – acetylotransferazy histonów
(bromodomena)
• HDAC – deacteylazy histonów
• HMT – metylotransferazy histonów
(chromodomena).
CMT3 – DNA metylotransferaza
(chromodomena)
Przykład kowalencyjnej modyfikacji aminokwasów acetylacja lizyny
Elektroforetyczny dowód acetylacji histonów
Efekt acetylacji ogonów histonowych
Modyfikacje potranslacyjne białek histonowych
Kozaurides 2007
Modyfikacje a struktura
chromatyny
H3 K9 diME
H3 K9 diME
euchromatyna
heterochromatyna
Modyfikacje histonów
Biotinylation
ADP-ribosylation
k6 k11
*
*
*
Gräff and Mansuy (2008). Behav Brain Res.
Po-translacyjne modyfikacje histonów w nukleosomie
wg. B.Turner, Cell 2002
Mechanizm działania modyfikacji potranslacyjnych białek
histonowych
 Działanie bezpośrednie: zmiany w oddziaływaniach
histon-DNA i histon-histon
 Działanie pośrednie: rekrutacja białek rozpoznających
określone modyfikacje
Kozaurides 2007
Przykład przeciwstawnych funkcji
modyfikacji histonów
• H3/H4 AcLys/H3metLys4(H3K4) związane z rejonami aktywnej transkrypcji
H3/H4 Lys+/H3metLys9 (H3K9) związane z rejonami wygaszonej
transkrypcji.
Determinanty aktywnej i wyciszonej chromatyny
Euchromatyna i heterochromatyna
Euchromatyna
Heterochromatyna
• Mniej skondensowana
• Silnie skondensowana
• Głównie w ramionach chromosomów
• Głównie w centromerach i telomerach
• Zawiera unikatowe sekwencje
• Zawiera powtórzone sekwencje
• Bogata w geny
• Uboga w geny
http://www.nyas.org/
Znaczniki epigenetyczne związane ze stanami chromatyny
ATP-zależna
przebudowa
chromatyny
ATP-zależna
przebudowa
chromatyny
ATP-dependent chromatin
remodeling
Warianty histonów – H2A
Warianty histonów - rozmieszczenie w chromosomach
ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Główne typy kompleksów remodelujących chromatynę
SWI/SNF
Snf2
Swp
73
Snf5 Swi3Swi3
ISWI
ISWI
ISWI
Mi2
Mi2
Działanie kompleksów remodelujących chromatynę
Kingston & Narlikar, 1999
ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
Jeden z mechanizmów remodelingu: przesunięcie oktameru histonów
wzdłuż nici DNA
Przykład „przebudowy” (remodelingu) chromatyny
Pozycja skrajna
Pozycja centralna
Pozycjonowanie nukleosomów
Nukleosomy zajmują określone miejsca w chromatynie
•
•
•
A. Schemat ułożenia
nukleosomów w chromatynie,
pojęcie długości powtórzeń
nuklesomowych.
B. Silnie zlokalizowane i rozmyte
nukleosomy.
•
C. Nukleosomy a miejsca
wiązania czynników
transkrypcyjnych.
•
G. Arya et al. jbsd 2010
•
Nukleosomy a transkrypcja
• Schemat otwartych (A) i
zamkniętych (B) promotorów.
• Typowa mapa pozycyjna
nukleosomów na otwartym
promotorze pokazuje wyraźne
wyróżnienie locus genowego
przez obecność rejonów 5’ i 3’
wolnych od nukleosomów
(NDR).
• (TSS) - miejsce startu
transkrypcji.
• 5’ NDR sąsiaduje z silnie
związanymi nukleosomami.
•
G. Arya et al. jbsd 2010
Dziedziczenie epigenetyczne
• Dziedziczne modyfikacje funkcji genów nie
związane ze zmianami w sekwencji DNA
• Mechanizmy epigenetyczne są związane z
modulacją chromatyny i obejmują:
modyfikacje histonów, metylację DNA,
przebudowę nukleosomów (remodeling),
system RNAi.
Epigenetyka
Dziedziczenie właściwości (np. wzoru ekspresji genów) poprzez
mitozę, nie wymagające zmian w sekwencji DNA.
Genetyka
Epigenetyka
Allis, et al.(2007).Epigenetics, overview and concepts. CSHL.
Istota modyfikacji
epigenetycznej
Dezaktywacja chromosomu X polega na
wyciszeniu epigenetycznym
U samic ssaków, w każdej komórce jedna z kopii chromosmu X jest
epigenetycznie wyłączona
X
X
XX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
U samic ssaków, w każdej komórce jedna
kopia chromosomu X jest wyciszona
epigenetycznie.
Kolor futra u kotów jest częściowo determinowany
przez gen orange, położony w chromosomie X.
Samica, która jest heterozygotą w genie orange,
wykazuje czarne i pomarańczowe plamy, które
odpowiadają komórkom, z genem wyłączonym w
jednym lub drugim chromosomie.
Dlaczego sklonowany kot nie jest dokładnie
taki, jak oryginał?
Rainbow
Klon Rainbow
U bliźniąt monozygotycfznych różnice epigenetyczne (metylacja DNA)
nagromadzają się w życiu osobniczym
•
Istotne różnice w metylacji DNA
pokazane są jako grube czerwone i
zielone rejony na ideogramach.
Para 50-letnich bliźniaków wykazuje
liczne zmian e we wzorze metylacji
DNA (zielone=hipermetylacja;
czerwone=hipometylacja), 3-letnie
bliźnięta maja bardzo podobny wzór
metylacji (żółte).
•
"...Stwierdziliśmy, że choć
monozygotyczne bliźnięta są
epigenetycznie nierozróżnialne we
wczesnych latach życia, w starszym
wieku wykazują znaczące różnice w
zawartości i rozkładzie 5metylocytozyny w DNA oraz w
acetylacji histonów, co wpływa na
profil ekspresji ich genów. Pokazuje
to jak bardzo niedoceniamy
znaczenia epigenetyki w
powstawaniu różnych fenotypów z
tego samego genotypu."
•
Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Jul
26;102(30):10604-9. Copyright (2005) National
Academy of Sciences, U.S.A
Fenotyp mutantów w metylotransferazie histonów
Mutanty są pozbawione metylacji w H3K36.
Dong, et al. (2008). Biochemical and Biophysical Research Communications. 373: 659-664
Epigenetyczna kontrola czasu
kwitnienia
Przedłuzony okrers
chłodu
Rozwój generatywny
Rozwój wegetatywny
Jesień
Zima
Wiosna
Niektóre rośliny wymagają przedłużonego okresu
chłodu (wernalizacji) – w trakcie zimy, zanim
będą mogły zakwitnąć.
FLC hamuje FT, aktywator kwitnienia
Roślina dzika
FL
C
Gen FT
Związanie FLC hamuje transkrypcję FT
Roślina z mutacją
flc
Gen FT
F
T
Mutanty w genie FLOWERING
LOCUS C (FLC) kwitna wcześnie
Jesień
Zima
Wiosna
FLC jest inhibitorem kwitnienia; brak FLC znosi
konieczność wernalizacji.
FLC jest wyciszany w trakcie wernalizacji
Po 40 dniach w 4°C ,
FLC nie jest
wyrażany. 10 dni po
powrocie do 22°C
ekspresja FLC jest
wciąż wyłączona.
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Sung, et al. (2004). Nature. 427: 159-164.
FLC jest regulowany przez
modyfikacje epigenegtyczne
H3k4me
H3K36me
H3K9ac
H314ac
H3k9me2
H3k27me2
Zimno
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Kompleksy VIN3 i PRC2
epigenetycznie wyłączają FLC
PRC2= Polycomb Represive Complex 2)
VIN3
PRC2 (łącznie z VIN3)
Jesień
FLC transkrybowany
Zima
Wiosna
FLC wyciszony
Program epigenetyczny wspomaga
przejścia rozwojowe u roślin
Przejście z
fazy
embrionalnej
do
wegetatywnej
Rozwój
embrionalny
Przejście z
fazy
wegetatywnej
w generatywną
Rozwój
wegetatywny
Rozwój
generatywny
Przykład ewolucyjnego efektu epimutacji
(zmiany we wzorze metylacji DNA)
Lcyc
kontroluje
symetrię
grzbietowobrzuszną
kwiatu; u
mutanta
nieaktywny z
powodu silnej,
dziedziczonej
metylacji
From Cubas et al 1999, Nature 401: 157-161