Epigenetik und X-Chromosominaktivierung

= Verbindung aus Epigenesis (=Embryonalentwicklung) und Genetik

- „..the branch of biology wich studies the casual interactions between genes and their products, which bring the phenotype into being“

- Undefinierte Zelle „rollt Berg runter“ => Je nachdem in welches Tal sie rollt differenziert sie sich anders

=> Dafür entscheidend, welche Täler zur Verfügung stehen

- Täler durch Gene und Umweltbedingungen festgelegt

- Dabei genetische Parameter:

o   Interaktion zwischen Genen

o   Gen-Umwelt-Interaktionen

- Genotyp + Epigenotyp => Phänotyp

- Vernetzte Pathways => Variation des Chromatin-Polymers => Epigenetischer Status

DNA – stored information

-> Chromatin – organized information

-> Epigenome

=> Ein Genom, aber hunderte Epigenome

o   Zu bestimmten Zeitpunkten in bestimmten Zellen unterschiedlich

- 25.000 Gene mit identischer DNA Sequenz => wie entstehen mehr als 200 verschiedene Zelltypen

ð Chromatin

- Erforschung über Hefeexperimente:

o   Überexpression von Histonen

o   Knockout/Mutagenese von Histonen

=> Beteiligung an Regulation d. Genexpression => Chromatinremodellierung

- DNA-Methyltransferase methyliert Cytosin => 5-Methyl-Cytosin

=> DNA stärker eingepackt => weniger Aktivität

- Dnmt3a und Dnmt3b machen de-novo Methylierung

- Dnmt1 erhält Methylierung (=>Maintinance Methylasen: dass Methylierung nicht verloren geht)

- Tet demethyliert aktiv (5-Methyl-Cytosin zu 5-Hydroxymethylcytosin, welches dann demethyliert werden könnte)

Posttranslationale Histonmodifikationen (HPTM)

- Zb. K27 (ist Lysin) auf Chromosom 3 3-fach Methyliert => inaktivierung/repression

- Writer

o   HAT (Histonacetyltransferasen)

o   Kinase

o   PRMT

o   KMT

- Reader (Proteine, die verschiedene Domänen haben, die erkennen)

o   Bromo-Domäne (erkennt Acetylierung)

o   SANT-Domäne (Phosphorilierung)

o   Tudor (Methylierung)

o   Chromo (Methylierung)

- Eraser

o   HDAC

o   PPTase

o   PAD

o   KDM

- Model 1: Chromatin Strukturänderung

- Model 2: Inhibition der Bindung von negativen Faktoren

- Model 3: Rekrutieren positive Faktoren

- Inaktives X-Chromosom

- Aktive Promotoren

- DNA-Schäden

- Inaktive DNA-Abschnitte (z.B. Zentromer)

- Histon H3.3 (3 AS Austausche)

- H2A.X (markiert bei DNA Schäden)

- koordinierte Modifikation von Chromatin

- zumeist sehr dynamisch

- Können aktivieren/deaktivieren

- Polycomb-Proteine => Dauerhafte Inaktivierung

o  Erkennen repressives Element und machen in Nachbarschaft repremierende Histonmodifikationen

- Trithorax-Proteine => Dauerhafte Aktivierung

o  Binden an Transkriptionsfaktor und erkennen offene Gene => Acetylierung

-        Wichtig für Entwicklung => Hox-Gene

- DNA-Sequenz (AT-Gehalt etc.)

- Organisation innerhalb des Nukleus

- Art der abgeschriebenen RNAs

- Bidirektionale Transkription => es entstehen sense und komplementärer Antisene Strang => lagern sich zu dsStrang an => Dicer => siRNA

- Inverted repeat transkription => Transkript befindet sich in beide Richtungen hintereinander im Genom => werden gemeinsam abgelesen => Hairpin RNA => Dicer => siRNA

siRNA im Kern bildet mit RITS Komplex => erkennt eigene Transkripte => bindet an komplementäre Transkripte, meist direkt während Transkription => Methylierung (DNA und Histone), Transkriptionsrepression

1. sekundäre Epimutation:

- Mutationen, die in Faktoren auftreten, die für Epigenetik zuständig sind

- Z.b. in Regulatoren was zu fälschlicher Methylierung führt

2. primäre Epimutation

- Führen durch Mutation in metabolischen Faktoren zu Methylierung

- Umweltveränderungen (zb. Chemikalien die Einfluss auf Acetylierung haben)

Kann zu Entwicklungserkrankungen führen

Zb. DNA-Methylierung:

- Active: Acetyliert, wird abgelesen

- Transition: Methylierung der DNA, vorläufig abgeschaltet

- Repressed: MeCP2 hat Sin3A-complex, erkennt DNA Methylierungen und Methyliert Histone und Deacetyliert => immer Inaktiv

- X-chromosomal-dominant

=> Quasi nur Frauen, da Männer sterben

- Prävalenz 1:10.000 bis 15.000

- Tiefgreifende Entwicklungsstörungen

- Mutation in MeCP2 => Fehlexpressionen (Nicht-Einpacken von DNA)

=> Fehler hauptsächlich im Hirn

- Mutation in Histonacetyltransferase

=> Nicht-Aktivierung in Genen

- Mutation in Methyltransferase (H3K27)

=> Nicht-Deaktivierung von Genen

=> Oft klein und unterentwickelte Kinder

-        1949 Barr und Bertram => Barr-Körperchen

-        1959 => Barr body= inaktives X-Chromosom

-        1961 => X-Chromosomen Inaktivierung

-        1967 „n-1 Rule“

- Nicht alle Gene werden auf heterochromatischem X-Chromosom inaktiviert

=> Pseudoautosomaler Bereich

=> Braucht 2 Allele

=> Entgehen der X-Inaktivierung

Fakultatives Heterochromatin

- Heterochromatisierung

- Epigenetik

Entwicklung zu einem Inaktiven X-Chromosom:

1.     Xist RNA => Auslöser

2.     H3K27 Methylierungen

3.     Histondeacetylierung

4.     Macro H2A

5.     DNA methylierung

- X-inactivation center (XIC) = Schalter

o   Beinhaltet 7 nicht-kodierende RNA-Gene zb. XIST

- TSIX = Antisense-Transkript zu XIST

o   Expression zunächst auf beiden X-Chromosomen

o   Später auf Xa

o   TSIX reprimiert XIST

• Tsix liegt an selber Stelle antisense

· Expression auf beiden

· Dann nur auf dem aktiven Chromosom

· Tsix reprimiert Xist

o   XITE erhält TSIX-Expression auf Xa

1. Zählen:

- Wie viele X-Chromosomen müssen inaktiviert werden

2. Auswählen

- Welches X-Chromosom wird inaktiviert

3. Asymmetrie

- zwei quasi gleiche X-Chromosomen komplett unterschiedlich behandeln

4. Ausbreitung

- Silencing muss sich über ganzes Genom ausbreiten

- Xist RNA rekrutiert Verpackung (= Chromatin Modifizierende Faktoren => Epigenetische Modifikationen

Wie verbreitet sich Xist?

- „way stations“ /“booster“

- kooperative Bindung

Xi-Territorium im Kern (vermutlich richtig??) = Dreidimensionale Strukturen