Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL, ÚLB)/Epigenetika, modifikace histonů, metylace DNA, význam
Epigenetika
Epigenetika je dosud málo probádaná cesta přenosu dědičné informace. Některé vlastnosti nemusí být kódovány v nukleových kyselinách (DNA, RNA), a přesto se přenáší. Právě epigenetické mechanismy mohou ovlivnit fenotyp aniž by měnily genotyp.[1] Epigenetické mechanismy se uplatňují na celé řadě úrovní (před transkripcí i po transkripci, ale i před translací a po translaci). Jsou důležité v morfogenezi a v procesu diferenciace buněk [1]. Epigenetickými mechanismy jsou například acetylace histonů či metylace DNA. V genetice člověka se epigenetika uplatňuje například při inaktivaci chromozomu X a v rámci genového imprintingu[1]. Genový imprinting je spojen s celou řadou lidských patologií.
Modifikace histonů
Histony podléhají nejrůznějším posttranslačním modifikacím, jako acetylaci, metylaci, fosforylaci a dalším změnám.
Fosforylace histonu H1 souvisí s kondenzací chromozomů, defosforylace s dekondenzací. Stejně tak acetylace a deacetylace histonů (nukleozomového jádra) souvisí se změnami kondenzace chromozomů a s regulací genové aktivity. Histony jsou acetylovány v transkripčně aktivním chromatinu a hypoacetylovány v neaktivním chromatinu. Acetylace ruší pozitivní náboj histonů a umožňuje uvolnění vazby s DNA a transkripci. Deacetylace histonů vede ke zvýšení pozitivního náboje a k těsné elektrostatické vazbě s DNA v inaktivním chromatinu. Tyto modifikace zajišťují enzymy histon acetyltransferázy a histon deacetylázy. Mnoho transkripčních faktorů má aktivitu histon acetyltransferázy, která působí jako koaktivátor transkripce, nebo histon deacetylázy, pak působí jako korepresor genové exprese.
Deacetylace histonů souvisí úzce s DNA metylací a přestavbou chromatinu do inaktivní podoby. Enzymatický komplex obsahující histon deacetylázy se váže na metylovanou DNA prostřednictvím vazebných proteinů MeCP1 a MeCP2, to vede ke změnám struktury chromatinu. Tento proces je komplexní, podílejí se na něm ještě další proteiny (např. HP1 protein je typický pro heterochromatin). Je-li tento proces narušen, dochází ke změně transkripční aktivity genů.
Modifikace histonů tvoří epigenetický regulační mechanismus, uplatňující se v normálních ale i patologických buněčných procesech. Posttranslační změny histonů, které jsou určující pro specifické změny chromatinu spojené s regulací genové aktivity, jsou nazývány histonovým kódem.
DNA metylace a modifikace histonů, struktura chromatinu a další změny, které ovlivňují genovou expresi beze změny v primární struktuře DNA, jsou nazývány epigenetickými mechanismy.
Metylace DNA
Metylace DNA hraje roli v diferenciaci, X inaktivaci, imprintingu, podílí se na udržení struktury chromatinu a slouží k supresi parazitické DNA.
Výskyt a funkce metylace
Metylace postihuje téměř výlučně cytosin (v pozici C5) v dinukleotidu CpG (CpG = Cytosin-fosfát-Guanin). Tyto dinukleotidy v kódujících částech genomu jsou potlačeny, pravděpodobně vymizely v evoluci v důsledku velké mutability metylovaného cytosinu. Vyskytují se hojně v repetitivních sekvencích a tzv. ostrůvky CpG jsou akumulované CpG dinukleotidy, které se často vyskytují v oblasti promotoru. Asi 60 % genů má promotory asociované s těmito CpG ostrůvky. Ty jsou nemetylovány u aktivních genů, zde se váží transkripční faktory. Metylace této oblasti je spojena s inaktivací genů, buď metylace brání vazbě transkripčních faktorů, nebo umožňuje vazbu inhibičních komplexů, obsahujících histon deacetylázy a další faktory, které vedou k přestavbě chromatinu do inaktivní podoby. Vazba metylované DNA a inhibičního komplexu (obsahujícího histon deacetylázy) je zprostředkována vazebnými proteiny, jako např. MeCP2. Gen kodující tento protein MeCP2 je mutován u progresivního neurologického postižení – Rettova syndromu. Metylace je zajištěna enzymaticky metyltransferázami, z nichž Dnmt1 je tzv. udržovací metyltransferáza, která metyluje nově vzniklý řetězec DNA při replikaci dle metylačního vzoru starého řetězce, Dnm3a,b jsou de novo metyltransferázy.
Preimplantační metylace
Metylace je reversibilní proces, během ontogeneze jedince dochází ke změnám v metylaci. Na samém počátku embryonálního vývoje, v době prvních dělení zygoty, dochází ke globální demetylaci genomu. Tato demetylace je aktivní enzymatický proces (demetylázy) v samčím genomu (DNA spermie je více metylována než DNA vajíčka), samičí genom je demetylován postupně během prvních dělení zygoty absencí udržovací metylace. Demetylace pravděpodobně vede k aktivaci genů pro časný embryonální vývoj. Nová metylace začíná již před implantací, po implantaci je dokončena.
Poruchy metylace
Změny metylace jsou také spojeny s maligním procesem, kdy dochází ke globální hypometylaci genomu, zvl. repetitivních sekvencí, a ke specifické hypermetylaci některých genů. Hypometylace vede ke genomové nestabilitě a k dalším genetickým změnám, mutacím, chromozomálním aberacím. Hypometylace také vede k aktivaci imprintovaných protoonkogenů. Hypermetylace CpG promotorů tumor supresorových genů (např. Rb1, BRCA1), reparačních genů (např. hMLH1), inhibitorů angiogeneze (např. THBS1) vede k jejich inaktivaci. Stejné změny metylace genomu – globální hypometylace a gen specifická hypermetylace jsou i průvodním jevem stárnutí, což je jedna z příčin souvislosti vyššího věku s nádory.
- ↑ a b c HALUŠKOVÁ, J. Epigenetic studies in human diseases. Folia Biologica [online]. 2010, roč. 56, vol. 3, s. 83-96, dostupné také z <http://fb.cuni.cz/Data/files/folia_biologica/volume_56_2010_3/FB2010A0014.pdf>. ISSN 0015-5500. PMID: 20653993.
