Epigenetik 2016

17.02.2016
Epigenetik
Dr. Umut Fahrioğlu
Epigenetik
• Epigenetik DNA üzerinde, ama DNA dizisinde
olmayan ve gen ifadesini etkilen kalıtsal
faktörleri araştıran ve inceleyen bilim dalıdır.
• Hücre genomunda iki tür bilgi yeralır:
• Genetik bilgi: Bir hücrenin düzgün
işleyişi için gerekli olan tüm proteinlerin
oluşumu için gerekli bilgileri sağlar.
• Epigenetik bilgi: genetik bilginin nasıl,
nerede ve ne zaman kullanılacağı konusunda
ek bilgi sağlar.
1
17.02.2016
Epigenetik kalıtım
• Bu kalıtım şeklinde, nükleer bir gene veya bir
kromozoma yapılan bir modifikasyonla ifadesi
değişir...Bu değişim jenerasyonlarca değişmeden
kalmaz.
• Bu değişiklikler oogeneze, spermatogenez ve embryonik
gelişimin ilk evrelerinde olur. (Bu değişiklikler DNA
dizisinde değişiklik değildir.)
• Bir kez bu değişiklikler olduysa bunlar o kişinin yaşamı
boyunca kalıcı olabilir ve kişinin fenotipini etkiler. (Bir
nesilden diğer nesile kalıcı değildirler).
2
17.02.2016
Two main examples of epigenetics
• Dozaj kompansasyonu
• Genomik «imprint» (iz)
Dozaj kompansasyonu
• Dozaj kompansasyonu iki cinsiyet arasında Xkromozomundaki birçok genin dozajlarının ayni
kalmasını amaçlar.
• Memelilerde, bu işlem embryonik gelişim
esansında aktif hale gelir.
• Dişi memeliler X inaktivasyon denilen işlemle Xkromozomlarından bir tanesini kapatarak
ifadeyi eşitler.
3
17.02.2016
No dosage
compensation in
birds
Bir X kromozomunun inaktivasyonu
• 1949’da, Murry Barr ve Ewart Bertram dişi
kedilerde interfaz evresindeki somatik hücrelerin
çekirdeklerinde çok yoğun bir bir kütle gördüler.
• Bu yapı erkek kedilerde gözlemlenmedi.
• Daha sonra bu yapıya Barr body denildi.
• 1960’da, bu yapı sıkıştırılmış bir X kromozomu
olduğu doğrulandı.
4
17.02.2016
Kürk rengi ve X inaktivasyonu
• Memelilerde kürk rengi alacalı olabilir.
(Erkeklerde mi dişilerde mi?)
• X-bağlı bir genin turuncu ve siyah allelleri için
heterozigotluk.
Gökkuşağı ve Copycat
Klonlanmış kedi: Genom tıpatıp ayni
Fakat anneden farklı görünüyor.
5
17.02.2016
İnaktivasyonda Lyon hipotezi
•
•
•
•
Xb ve XB İçin iki alleldir.
Xb beyaz kürk rengi içindir.
XB siyah kürk rengi içindir.
X-inaktivasyonu için
gerçekleşen olay rastgeledir.
• Bir kere bir X kromozomu
seçildi mi o hücrenin tüm
soyu ayni X kromozomunu
kalıcı olarak inaktif hale
getirecektir.
6
17.02.2016
İnaktivasyon esnasında ve sonrasında
• Kromozom DNA’sı sıkıştırılır ve Barr body oluşur.
• Bu sıkıştırmadan dolayı X kromozomundaki birçok
gen kendini ifade edemez.
• Hücre bölünmesi esanasında inaktif X-kromozomu
da replikasyona uğrar ve her iki kopya da
replikasyondan sonra sıkıştırılmış ve inaktif kalır.
• Dolayısıyla, bundan sonra takip edecek tüm hücre
bölünmelerinde inaktif X kromozomu tüm kardeş
hücrelere aktarılacaktır.
• Araştımalar göstermiştir ki memeli hücreleri
somatik hücrelerinde bulunan x-kromozomu
sayısını sayabilirler ve sadece bir tanesinin aktif
kalmasına izin verirler.
• Eğer 3 veya 4 X kromozomu varsa? O zaman ne
olur?
7
17.02.2016
X-inaktivasyon merkezi ve Xist Geni
• İnaktivasyonun genetik kontrolü moleküler düzelde
tam olarak anlaşılmış değil.
• X-kromozomundaki bir bölgenin rol oynadığı
düşünülüyor. Bu bölgeye X-inactivasyon merkezi
(centre) (Xic) denir.
• X kromozomunun sayımı kaç tane Xic olduğunu
sayarak yapılır.
• Kromozomda Xic eksikse inaktivasyon
gerçekleşmez.
• İnsanlarda iki tane full aktif X kromozomu olması
embryonik evrede ölümcül bir durumdur.
8
17.02.2016
Xist
• Xic içerisinde özel bir genin ifadesi gereklidir.
• 1991’de keşfedilen bu genin adı Xist’tir (X-inactive
specific transcript) yani X-inaktife ait transkript.
• X-kromozomundaki çoğu gen susturulur.
• Bu genden üretilen ürün bir RNA molekülüdür ve
bu RNA bir protein kodlamaz.
Xist’ karşı Tsix
• Xist RNA’sının rolü X-kromozomunu kaplamak ve onu
inaktif hale getirmektir.
• Xist RNA kromozomu kapladıktan sonra proteinler bu
RNA ile etkileşerek kromozomun sıkıştırılarak Barr body
oluşturulmasını sağlar.
• Xic bölgesinde ikinci bir gen mevcuttur. Bu gene Tsix
denir ve görevi X-inaktivasyonunu engellemektir.
• Bu iki gen örtüşmektedir ve ters yönlerde
transkripsiyonları olmaktadır. (Tsix, Xist tersten
yazılımıdır zaten).
• Eğer bir X-kromozomunun Tsix geninde bir mutasyon
varsa tercihen o kromozom inaktif hale getirilir.
9
17.02.2016
X Kromozomu kontrol elementi (Xce)
• Xce X-kromozomu inaktivasyon seçimini
etkileyen diğer bir bölgedir.
• Güçlü bir Xce bölgesi taşıyan X-kromozomlarının
aktif kalması daha olasıdır.
• Xce, Xic’ çok yakındır ve bir parçasını içine alır.
• Tam olarak nasıl çalıştığı bilinmemektedir.
İnaktivasyonun 3 fazı
• Başlangıç:
▫ Embryonik gelişim
sırasında olur.
• Yayılma:
▫ Yine embryonik
gelişim sırasında olur.
• Sürdürülmesi:
▫ Embryonik gelişimden
yetişkin hayata kadar
devam eder.
10
17.02.2016
Genetik «Imprinting» iz
• Imprinting hafizası olan bir işaretleme anlamına
gelir.
• Genetik imprint bir DNA parçasının
işaretlenmesine ve işaretin organizmanın ömrü
boyunca hatırlanmasına denir.
• Bu genellikle Mendel dışı kalıtıma neden olur
çünkü organizma maternal ve paternal alleli ayırt
edebilmesini olası kılar.
• Buna monoallelik ifade denir.
Igf2’nin imprintlenmesi
• Igf 2 geni «the insulin-like growth factor 2»
proteinini kodlar (insülin benzeri büyüme
faktörü).
• Paternal Igf2 aktif kalacak şekilde imprintleme
olur ve maternal Igf2 kullanılmaz.
• Paternal allel RNA üretir ama maternal allel
transkripsiyonel olarak inaktiftir ve RNA üretmez.
• Igf2 normal bir ebat için gereklidir. Bozuk bir Igf2
(Igf2-) geni farelerde cüceliğe neden olur.
• Tabii ki fenotip mutant geni size hangi ebeveynin
verdiğine bağlıdır.
11
17.02.2016
Hücre düzeyinde imprinting
• 3 evre vardır:
1. Gametogenez esnasında imprintin oluşturulması.
2. İmprintin embryogenez ve yetişkin somatik
hücrelerinde devamı.
3. İmprintin germ hücrelerinde silinmesi ve tekrar
yapılandırılması.
• Imprintleme tek bir geni, bir kromozomun bir
parçasını, tüm bir kromozomu (keseli hayvanların
veya ev sineğinin X kromozomu) veya bazı türlerde
bir ebevynin tüm kromozomlarını kapsayabilir.
12
17.02.2016
Genlerin veya kromozomların
imprintlenmesi metilasyon içeren
moleküler bir işlemdir.
• DNA metilasyonu sitozin bazlarına metil
gruplarının eklenmesi işlemidir.
• Genomik imprintleme imprintlenen gen civarında
«imprtinging control region (ICR)» (imprint
kontrol merkezi) gerektirir. Bu bölgenin bir
kısmına farklı metillenmiş bölge «differentially
methylated domain (DMD)» denir.
• Gene bağlı olarak bu blge ya spermde ya da
yumurtada ama asla ikisinde de metillenmez.
• ICR transkripsiyonu kontrol eden bir iki gen için
de bağlanma dizileri içerir.
13
17.02.2016
Metilasyon
• CpG dinükleotidinde
bulunan sitozinin 5.
karbonda
metillenmesi
(metil(–CH3)
grubunun
eklenmesi).
• DNA iki zinciri de
metillenir.
DNA metiltransferazlar
• Metil grubunu DNA’daki sitozinin 5 numaralı
karbonuna ekleyen enzime DNA metiltransferaz
denir.
• Her iki zincir de metillendiğinde buna ful
metilasyon denir. Sadece bir zincir
metillendiğinde buna yarı metilasyon denir.
• Metilleme CpG adalarında olur. Bu CpG adaları
genellikle 1000-2000 bp uzunluğunda olup
yüksek sayıda CpG içerirler.
14
17.02.2016
Metilasyon ve transkripsiyon
• Metilasyon transkripsiyonu engelleyen proteinlerin
bağlanmasını daha fazla artırabilir.
• VEYA metilasyon transkripsiyonu artıran proteinlerin
bağlanmasını engelleyebilir.
• VEYA her ikisi de olur.
• Sonuç olarak...transkripsiyon engellenir ve gen
susturulur.
• Metil-CpG-bağlanma proteinleri özel DNA bağlanma
bölgeleriyle metillenmiş DNA dizilerine bağlanır.
• Bağlandıktan sonra diğer proteinleri de o bölgeye
çağırarak transkripsiyonu engellerler.
• Fakat istisnalar vardır...(birazdan)
15
17.02.2016
H19 ve Igf2
• ICR metillenmemişse, CTC bağlanma proteinleri
ICR’ye bağlanır ve transkripsiyon aktivasyon
proteinlerinin bağlanmasını engellerler. Igf2’yi
kapatır ve H19’u açar.
16
17.02.2016
Imprintleme ve insan hastalıkları
• Prader-Willi Sendromu (PWS) ve Angelman
Sendromu (AS) gibi insan hastalıkları
imprintlemeden etkilenir.
• PWS ‘de azalmış motor fonksiyonları, obezite ve
küçük el ve ayaklar vardır.
• AS olan kişiler zayıf ve hiperaktif olurlar. Mental
problemler, sıradışı nöbetler ve tekrarlayan simetrik
kas hareketleri vardır.
• Çoğunluklar, AS ve PWS kromozom 15’de küçük bir
delesyondan dolayıdır.
• Delesyon anneden geçerse AS ama eğer babadan
geçer PWS olur.
PWS ve AS
• AS işlev gören
maternal UBE3A
eksikliğinden dolayı
olur.
• PWS işlev gören
paternal SNRPN
eksikliğinden dolayı
olur
17
17.02.2016
Uniparental dizomi (UPD)
• Uniparental dizomi (UPD) bir kişinin bir
kromozomu veya bir kromozomun parçasını
sadece tek bir ebeveyinden almasına denir. Diğer
ebevynden hiç katkı olmamasına.
• UPD yumurta veya sperm üretimi sırasında veya
embryonik dönemin ilk aşamalarında olabilir.
• Çoğu zaman, UPD’nin kişinin sağlığı üzerinde
bir etkisi yoktur çünkü birçok gen imprintli
değildir.
İzodizomi ve heterodizomi
• Izodizomi bir çocuk ayni kromozomun iki
kopyasını alırsa olur.
• Heterodizomi bir çocuk her homologtan
bir kopya aslırsa olur.
18
17.02.2016
Rett sendromu
• Rett sendromu metilli CpG bağlanma proteini olan
MECP2 geninde bir mutasyondan dolayı olur.
• MECP2 beyin gelişimi için gereklidir ve birçok
genin ifadesini artıran veya genlere kendilerini
kapatmalarını söyleyen anahtarlardan biridir.
• MECP2 proteini olmadığında, veya çalışmadığında
veya hatalı olduğunda veya yanlış miktarlarda
üretildiğinde diğer birçok genin de ifadesi
etkilenmektedir.
• The MECP2 geni kişinin X kromozomunda bulunur.
19
17.02.2016
Rett sendromu devam
• Rett sendromu kişinin beyninde ve omur iliğinde
bazı hücrelerin normal bazı hücrelerise normal
olmamasından dolayı olur (çocuk yaşar fakat çok
büyük sağlık problemleri vardır).
• Bu hastalık çocukta bir tane normal MECP2 taşıyan
X-kromozomu bir tane de bozuk MECP2 taşıyan Xkromozomu olduğunda olur. Bu sendromu olan
çocuklar nerdeyse her zaman kız çocuklardır.
• Rett sendromunun erkeklerde görülen ender
vakaları erkek ekstra X kromozomu ile doğarsa olur.
(XXY; Klinefelter sendromu), veya bu değişiklik
sadece erkeğin bazı hücrelerinde olursa görülür
(mozaiklik).
Kromatinin yeniden yapılanması
• Kromatinin yeniden yapılanması kromatin
yapısında hücrenin ömrü boyunca olabilecek
dinamik değişiklikleri anlatır.
• Bu değişiklikler yerel olup sadece birkaç
nükleozomu etkiler veya kromatinin yapısını büyük
mesafelerde etkiler.
• Kromatin kapalı konformasyonda ise
transkripsiyon zor veya imkansız olabilir.
• Kromatin açık konformasyonda ise kromatin
transkripsiyon faktörleri ve RNA polimeraz
tarafından daha kolay ulaşılabilirdir ve
transkripsiyon daha kolay olur.
20
17.02.2016
Histon modifikasyonları
• Histonların translasyon sonrası modifikasyonları
gen aktivasyonuna veya gen susturulmasına neden
olabilir.
▫ Gen aktivasyonu:
 Asetilleme
 Fosforilleme
▫ Gen susturulması:
 Sumolama
 Deiminasyon
 Prolin izomerizasyonu
▫ Her ikisi de:
 Metilasyon
 Ubiquinasyon
Kromatini kontrol eden enzimler
•
•
•
•
Histon Asetiltransferazlar (HATs)
HDACs (Histon Deasetilazlar)
Histon Metiltransferazlar
Kinazlar
21
17.02.2016
22
17.02.2016
The Immun yetmezliği, Sentromerik bölge
instabilitesi, Fasial anomaliler sendromu
(ICF)
• Otozomal resesif bir hastalıktır (çok ender,
dünyada sadece yaklaşık 50 vaka vardır)
• ICF’de DNA’nın hipomitilasyonu söz konusudur
ve bunun nedeni DNA metiltransferaz
genlerinde birinde mutasyondur (DNMT3B).
• Bu DNA hipometilasyon 1qh, 9qh, ve 16qh,
bölgelerindedir ve bu tüm kromozom kol
delesyonlarına, kromozom kırıklarına, gerilme
(dekondensasyondan dolayı) ve multiradial
kromozom kavşaklarına neden olur.
23
17.02.2016
Rubinstein-Taybi sendromu
• CREBBP (CBP) ve EP300 genelerinde mutasyon
(HAT ailesinin iki önemli geni) ve kromozom 16
(kısa kol delesyonu) Rubinstein-Taybi sendromu
vakalarının yarısından fazlasının nedeni olarak
gösterilir.
• Eğer CREBBP geni veya EP300 geninin sadece bir
kopyası bile mutasyona uğrar veya delesyona
uğrarsa hücreler normal protein miktarının sadece
yarısını yapar.
• RTS patogenezi CBP histon asetiltransferaz
disfonksiyonundan dolayı epigenetik histon
kodunun değişmesinden dolayıdır. Bu olay gen
regulasyonunun bozulmasına neden olur.
24
17.02.2016
Alfa talasemi X-bağlı intellektüel
yetersizlik sendromu
• Bu hastalık nerdeyse sadece erkekleri etkilen bir
hastalıktır.
• Yüksek derecede gelişim geriliği, fasial dismorfizim,
genital abnormaliteler ve alfa talasemi.
• Bu sendrom ATRX geninderki mutasyonlardan dolayı
oratay çıkar.
• ATR-X proteininin kromatin yapılandırılmasında rol
oynadığı düşünülmektedir. Bunu metilasyona bağlı bir
mekanizma ile yaptığı beklenmektedir.
• ATRX mutasayonları heterokromatik bölgelerde farklı
DNA metilasyon şekillerinin değişimine neden olur.
Ama klinik feotipe bunun mu denen olduğu tam olarak
bilinmemektedir.
25
17.02.2016
Coffin-Lowry sendromu
• Kraniofasial (kafa ve yüz) ve iskelet
abnormaliterleri, mental retardasyon, kısa boy
ve hipotonia ile karakterize bir hastalıktır.
• RPS6KA3 (RSK2) geninde mutasyonun CoffinLowry sendromuna neden olduğu düşünür.
• X-bağlı dominant bir şekilde geçişi vardır,
semptomlar erkeklerde kadınlara göre daha
ağırdır.
• RPS6KA3 (RSK2) CBP/P histon H3 ile etkileşir.
26
17.02.2016
Frajil X
• FMR1 geninde mutasyonlar frajil X sendromuna neden
olur.
• Frajil X sendromunun nerdeyse tüm vakaları CGG tekrar
bölgesinin FMR1 geninde büyümesinden dolayıdır.
• Normalde bu bölgedeki tekrar sayıs 5 ile 40 tekrardan
oluşur. Frajil X sendromu olan kişilerde, CGG
bölgesindeki tekrar sayısı 200’den fazladır. Bu kadar
fazla artış FMR1 genininin kapatılmasına neden olur ve
FMRP proteininin üretilmesini engeller.
• Bu proteinin kaybı sinir sitemini etkiler ve Frajil X
saendromu semptomlarına neden olur.
27