Epigenetik

= Festlegung auf einen Aktivitätszustand der Gene von außerhalb anstatt in den Genen codiert

• ermöglicht differentielle Genexpression

Omnipotent

• Zygote

• alle Gewebe ausbildbar

Totipotent

• alle Körperzellen aber kein extraembryonales Gewebe (Plazenta)

Pluripotent

Multipotent

• vereinzelte Differenzierungen möglich

Kondensierung des Chromatins

• offen: transkriptionell zugänglich (aktiv)

• kondensiert: transkriptionell unzugänglich

Mittels

• DNA-Methylierung an CpG

• Histonmodifikation

• Cytosin

• in CpG (CG)

• Enzym: DNA-Methyltransferase

  • Aktivität gehemmt durch Arsen, Alkohol, Nikotin, Unterversorgung mit Methionin, Cholin, Folsäure, Vit. B12

  • Dnmt 1: Erhält Methylierungsmuster nach Replikation

  • Dnmt 3a & 3b: Neumethylierungen nach Ort und Gewebe

• Methioninquelle: SAM (S-Adenosyl-methionin)

• während der frühen Embryogenese

  • davor: parentale methylierung gelöscht

    • paternales Genom: innerhalb weniger Stunden nach der Befruchtung

    • maternales Genom: im Verlauf der ersten Zellteilungen

• Nach Replikation

• Methylgruppe am Cytosin ragt in die große Furche der DNA

  • sterische Hinderung Verdrängt Trankriptionsfaktoren

• Proteine mit Affinität für methylierte DNA binden

  • rekrutieren Proteine, die Chromatin verdichten

• aktiv: Abgehen der Methylgruppen

• passiv: nicht neu methyliert nach Replikation

• Acetylierung neutralisiert positive Ladung

• Phosphorylierung addiert negative Ladung

• Histon-Methyl-Transferasen (HMT)

  • Histon-/AS-spezifisch

  • lang andauerndes Silencing von Chromatinabschnitten oder Aktivierung

• Histon-Demethylasen (HDM)

• Histon-Acetyl-Transferasen (HAT)

  • Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf Lysin

  • Histon-spezifisch

  • Neutralisieren positive Ladung am Lysin

  • Destabilisieren Histon-Histon-Interaktion (agieren neutral nicht mehr): lockeres Chromatin

• Histon-Deacetylasen (HDAC)

• Neutralisiert die positiv geladene Lysin-Seitengruppe

  • Auflösung / Verschiebung benachbarter Nucleosomen

    • 30nm geht in 10nm über (Chromatin öffnet sich)

• Kann Chromatin-Remodeling-Enzyme binden

= Proteinapparat, der Modifizierungen der Histone erkennt, bindet und Prozess festschreibt

• Veränderung in Wechselwirkung von DNA und Histonen

  • ATP-abh.

• durch Enzyme

• macht DNA zugänglich

  • für TF

  • für Replikation

  • für Reperatur

  • für Mitose

• oder Inaktivierung

• nur bestimmte AS werden modifiziert (Lysin, Arginin, Serin)

• verschiedene Kombinationen können auftreten

• Modifikationen können zeitlich versetzt erfolgen

• Mehrfach-Modifikationen

  • ein- bis dreifach Methylierung am Lysin

  • ein- bis zweifach Methylierung am Arginin

• Aktivierung / Reprimierung

Acetylierung

• weitere Proteine des Remodellingkomplexes rekrutiert (bromo)

  • bromodomaon protein: weniger WW mit DNA, festigt Aktivierung

    • aktiv

Methylierung

• Rekrutiert Chromodomain protein (=Polycomb-Proteine)

  • inaktiv

• Aktivierung: Bromo-Domän Proteine

• Inaktivierung: Chromo-Domän Proteine

Par

• pseudo-autosomale Regionen

• Orte des Cross-overs in der männlichen Meiose

• nah an den Telomeren

• bei X und Y homolog

• viele Gene für männliche Fruchtbarkeit

• Gonosomen vermutlich aus Autosomen

• SRY auf Y-Chromosom

  • sex determining region, ohne entsteht weiblicher Phänotyp

• Viele Pseudogene

• viele Überreste Autosomen

• Kein Selektionsdruck für Funktion, aber für SRY-GEN

• aktiver Prozess

• Gene im X-Inactivation Center (XIC)

  • beteiligtes Gen: XIST-Gen (X inactive specific transcript)

  • Chromosom, das XIST-mRNA produziert, bleibt heterochromatin (inaktiv)

  • inaktives Chromosom produziert XIST-mRNA und wird von ihnen bedeckt

  • XIST-mRNA rekrutiert Deacetylierungs- und Methylierungskomplexe für komplette Inaktiverung

  • Gene der PAR-Regionen und 15% Gene bleiben aktiv

• Inaktivierungszyklus:

  • Zygote: beide X potentiell aktiv

  • Blastocyste: gezielt paternales X inaktiviert

  • Placenta: paternales X bleibt inaktiv (extra-embryonale Zellen)

  • Embryo: Erasure der Inaktivierung und zufällige Inaktivierung

    • für verschiedene Zellen an verschiedenen Zeitpunkten

  • Keimzellbildung: Erasure

  • reife Keimzellen: germline imprint, X muss für Zygote paternal/maternal markiert werden (ungeklärt)

• Zusammenfassung:

  • Körperzellen: zufällige Inaktivierung

  • extra-embryonale Zellen: paternal

Beide:

• PAR (pseudo-autosomale Regionen, homolog)

Y:

• SRY (sex derermining region, für männlichen Phänotyp)

X:

• XIC (X-Inactivation Center)

• XIST (X inactive specific transcript, XISTmRNA für Inaktivierung)

Weil Gene der PAR-Regionen und ca. 15% der Gene des inaktiven X-Chromosoms aktiv bleiben

Zählermechanismus: am Ende immer nur 1 X übrig

• XIST transkribiert (X-inactive specific transcript)

  • polyadenyliert

  • bleibt im ZK

• XIST-RNA bedeckt in Chromosom vollständig

• Etablierung des inaktiven Zustandes

• Rekrutierung von Enzymen zur Deacetylierung und Methylierung

  • Chromatin-Remodelling-Komplexe

  • Teilweise Heterochromatisierung

• anti-sense-Gen von Xist

• auf Gegenstrang

• Zählt X-Chromosomen

  • reguliert Xist-RNA

nicht aus unbefruchteten Eizellen

• Eizellen mit induzierter Entwicklung werden nicht zur Maus

• männliches Genom benötigt

maternales und paternales Genom sind funktionell nicht äquivalent!

• Eizellen mit 2 paternalen / maternalen Genomen nicht volle Entwickung

• bilden diploide ZK und durchlaufen einige frühe Entwicklungsstadien

• sterben kurz vor oder nach Implantation ab

• Gynogenote: 2 maternale Genome

  • entwickelt sich hauptsächlich zum normalerweise embryogenem ICM

  • ICM = inner cell mass

  • ohne embryonale Hülle

• Androgenote: 2 paternale Genome

  • bildet extraembryonale Trophektoderm (entwickelt sich normalerweise zur Placenta)

  • “Nur embryonale Hülle”

Form der epigenetischen Modifikation, bei welcher die Expression eines Gens von dessen elterlichen Herkunft abhängig ist

• paternales Imprinting

• maternales Imprinting

• führt zur funktionalen Asymmetrie der elterlichen Genome

• maternale Prägung entspricht paternaler Genexpression und umgekehrt

• etwa 150 Gene

• häufig in Clustern angeordnet

  • ICR ( imprinting control region)

  • cis-agierende Regulatorelememte (auf selbem Strang)

  • unterschiedlich methylierte Bereiche

• in jeweiliger Meiose reprimiert

Genetic-Conflict- / Parental-Investment-Hypothese

• “Interessenskonflikt” der Eltern über Größe des Fötus

  • Vater: große Nachkommen, gesünder und kräftiger zur Sicherung des Fortbestandes

    • paternal-exprimierte Gene fördern Wachstum und Sauerstoffaufnahme (Embryonalhüllen: Plazenta)

    • Selbst zum Nachteil der Mutter

    • Beispiel: igf-2-Gen

  • Mutter: Schonung der eigenen körperlichen Ressourcen für künftige Schwangerschaften

    • maternal-exprimierte Gene zügeln das fetale Wachstum

• viele geprägte Gene für Wachstum Embryo / Plazenta zuständig

Gen für Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 2

• im Embryo nur väterliches Allel aktiv

• wird in Plazenta exprimiert

• fördert das Embryowachstum

• Fehlen des väterlichen Allels: 40% niedrigeres Geburtsgewicht

• Rezeptor igf2r mütterlich exprimiert

  • auch in Plazenta

  • bindet und degradiert überschüssige Wachstumsfaktoren

  • Fehlen des mütterlichen Allels: 140% größere Mäuse

  • Fehlen des väterlichen Allels: normale Nachkommen

• Mechanismus:

  • maternal: Bindefaktor an unmethyliertes Gen führt zu reprimierung IGF2

  • paternal: Gen methyliert

• kommt vor:

  • Pflanzen

  • Einige Insekten

  • Säuger

  • C. elegans

• Nicht:

  • Drosophila

  • Zebrafisch

• Prader-Willi-Syndrom

• Angelmann-Syndrom

  • gleiche Deletion aber maternales Allel

• Prader-Willi-Syndrom

  • hypothalamisch bedinge Fettleibigkeit

  • Leichte geistige Retardierung

  • Verhaltensauffällig

  • Kleinwuchs

  • kleine Gonaden

• Angelmann-Syndrom

  • schwerste psychomotorische Entwicklungsrückstände

  • starke mentale Retardierung

  • Hyperaktivität

  • Keine Sprachentwicklung

Hemizygote Deletion: nur 1 Allel gelöscht, Organismus auf Allel bezogen heterozygot

• normale Eizelle und normales Spermium: WT

• normale Eizelle und parernale Deletion: Prader-Willi-Syndrom

  • paternales Allel gelöscht

  • maternales Allel stillgelegt

• normales Spermium und maternale Deletion: Angelmann-Syndrom

  • parernales Allel intakt

  • maternales Allel gelöscht

• beide Allele gelöscht: letal

1. Hemizygote Deletion auf Chromosom 15

2. Uniparentale Disomie

   • beide Chromosomen von einem Elternteil

3. Fehlerhaftes Prägemuster

   • durch uniparentale Disomie

   • durch Mutation

Noch unbekannt!

• Bei der Embryogenese

• aus Gründen der Dosiskompensation (= Balance zwischen Auto- und Gonosomen)