Epigenetika

Epigenetika

studuje změny v genové expresi (a tedy obvykle i ve fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA.^[1] Jde o výjimku z obecného pravidla, že dědičné fenotypické změny jsou způsobeny změnami v genech. Také epigenetické jevy mohou být děděny z buňky na buňku a z generace na generaci, tedy jak při mitóze, tak při meióze. 

dědičnost - nekomplentní penetrace, variabilní expresivita

mechanismy


Mechanism of transfer (mediators)
- (m)DNA, RNA, (m)histones, other proteins 
(ii) Frequency (probability) of event
- obligatory, rare, stochastic
(iii) Stability (longevity) of change
- mitotic bookmarking, meiotic transmission



ChR = chromatin remodeling
DNMT = DNA methyltransferases
HAT = histone acetyltransferases
HDAC = histone deacetylases
HMT = histone methyltransferases
HDM = histone demethylases
DDM = DNA demethylases
TF = transcription factors
Small RNA molecules



- methylace

- histonový kód

Methylace

Methylace (a methylome)

dědičnost - obratlovci - CpG (C phosphate G) páry - přenos na komplementární GC enzymem "maintenance methylatransferase" (tvorba 3-methylcytosinu)

Methylace a vývoj

- po fertilizaci rozsáhlá demethylace - nebo spíš hydroxylace methylových skupin (pokles aktivity MM nebo specifická demethyláza, nicméně následně opět methylace de novo methylatransferázami

- 75% CpG methylováno, nemethylované CpG islands - 5' regulační konce mnoha genů (při jejich patologické hypermethylaci pak hrozí gene silencing... např. v onkogenezi)

- mechanismus funkce methylace - 
1) vazba methyl-CpG-binding domain proteins (MBDs) - ten pak váže další proteiny - jako histone deacetylasy, histon remodelační proteiny - modifikace histonů - vznik heterochromatinu 
2) znemožnění přístupu enzymů k DNA

- co to dělá?
1) regulace exprese - vypínání nepotřebných genů pro danou buněčnou linii - funkční ale i informační - identita buněčného typu (jsem neuron..)
2) inaktivace X
3) genomický imprinting
4) vypíná inkorporované virové geny
5) dlouhodobá paměť - neurony

Baktérie
- methylace i adenosinu (N6-methyladenosin)

Detekce methylace DNA

- methylation specific PCR (MSP)

 sodium bisulfite (1:1 směs hydrogensiřičitanu sodného NaHSO3 a disiřičitanu sodného Na2S2O5 (HS2O5  =HSO3 -+SO2))

- nemethylované se mění na uracil, 

- whole genom bisulfite sequencing (BS-seq)

- stejná technika - jen next generation sekvenace

- HELP Assay
 is an abbreviation for HpaII tiny fragment Enrichment by Ligation-mediated PCR.
 HpaII and by MspI digestion of the genome followed by ligation-mediated PCR. HpaII only digests 5'-CCGG-3' sites when the cytosine in the central CG dinucleotide is unmethylated, the HpaII representation is enriched for the hypomethylated fraction of the genome. The MspI representation is a control for copy number changes and PCR amplification difficulties.

HUMAN EPIGENETICS 

Showing your age 

Hannum et al. carried out microarray-based genome-wide DNA methylation analysis of the blood of 482 individuals ranging from ages 19 to 101. They found 71 sites for which the methylation status was highly correlated with age, allowing age prediction on the basis of this methylation signature. Prediction was accurate to within ~5 years, both in this cohort and in an independent cohort of 174 individuals. Furthermore, most of the markers were located near to genes linked to ageing-related processes and diseases. 

These blood-derived signatures were also applicable to various other normal tissues, implying that molecular ageing at the level of DNA methylation is similar across tissue types. 

The authors calculated apparent methylomic ageing rates (AMARs), which is the ratio of the methylation-derived molecular age to the actual chronological age, and looked for determinants of this ageing rate. As expected, males tended to age faster than females. Also, exome sequencing of a subset of the cohort identified three genetic variants that influence the ageing rate, seemingly by altering the methylation state of nearby age-dependent methylation sites. 

ORIGINAL RESEARCH PAPER Hannum, G. et al. Genome-wide methylation profiles reveal quantitative views of human aging rates. Mol. Cell 21 Nov 2012 (doi:10.1016/j.molcel.2012.10.016) 

centrální dogma MB

Centrální dogma MB

Crick - 1957 - ústřední dogma - základní cesta - DNA-RNA-protein - ale je celkem 3x3 cest mezi jednotlivými vrcholy

- DNA-DNA - replikace

- DNA-RNA - transkripce

- RNA-protein - translace

- RNA-DNA - reverzní transkripce

- DNA-protein - lab only

- RNA-RNA - viry

neobjevené/neexistují - protein-DNA (epigenetika - mění se jen methylace, nemění se primární sekvence!), protein-RNA, protein-protein (cave konformační změny prionů nejsou přímou replikací proteinu -  nemění se primární struktura)

Genetická funkce DNA - objev a potrzení

Genetická funkce DNA - objev a potrzení

- nejastarší DNA izolovaná - z evaporitů (halit) halofilní baktérie - svrchní silur 425 mil. let  jen fragmenty 16S RNA - nepodařilo se je vypěstovat...

- objev DNA - Miescher - 1869 - z leukocytů hnisu z obvazů

- složení DNA - fosfát, deoxyribóza, báze - 1919 - Phoebus Levene

Griffithův experiment

- 1928 -  transformace -  živé a mrtvé kmeny různě virulentních pneumokoků a zjistil, že směs nevirulentních (neškodných) živých bakterií s mrtvými virulentními pneumokoky dá vzniknout živým virulentním bakteriím. 

Avery - MacLeod - McCarthyho experiment

- 1944 - transformace pneumokoků postupně čištěným materiálem - včetně ribonukleáz, proteáz - na 99,9% to byla DNA

Watson, Crick - double helix - Nature 1953 - RTG difrakční analýza

Struktura a konformace DNA

Struktura a konformace DNA

VAZBA
- kovalentní (šérují el. pár, polární kobalentní - nerovnoměrné přitahování jednotl. atomy - elektronegativní více, valence - počet elektronů daných/vzatých do vazby - 2+, 3-...) mezi Nu
--malé interalce mezi jednotlivými kov. molekulami ve směsi - malé molekuly plyny, větší tekutiny...
- iontová vazba -   elektrostatické působení mezi elektricky nabitými ionty
- kovová vazba - skládá z kationtů rozmístěných v pravidelné prostorové mřížce. Valenční elektrony jsou volně pohyblivé, označují se často jako elektronový plyn
MOLEKULÁRNÍ INTERAKCE
- Van der Waalsovy síly jsou přitažlivé nebo odpudivé interakce (síly) mezi molekulami. Jsou slabší než kovalentní, koordinačně kovalentní síly a vodíkové můstky. Vznikají převážně v nepolárních molekulách, které neobsahují stálé dipóly, jejich vazby nejsou polarizované.
- vodíkové mezi $ - CG 3x, AT 2x . Vznik vodíkové vazby je možný pouze u molekul, kde je vodík vázán k některému z výrazně elektronegativních prvků, jako jsou fluor, kyslík a dusík. Jedině tyto tři prvky jsou schopné v dostatečné míře odčerpat elektronovou hustotu od atomu vodíku. Nejslabší vodíkové vazby mají vazební energii 1–2 kJ.mol^–1, nejsilnější dosahují energií okolo 40 kJ.mol^–1 (u aniontu HF₂^–). Jsou tedy řádově 10× slabší než iontové nebo kovalentní vazby.

Délka vodíkové vazby závisí na energii vazby, teplotě a tlaku. Typická délka vodíkové vazby ve vodě je 1,97 Å (0,197 nm)

[editovat]

V živých buňkách 4 typy interakce molekul - mimo kovalentní vazby
- elektrostatické
- vodíkové
- hydrofobní/hydrofilní
- Van der Waalsovy


Struktura DNA
- 1 otočka 10,4 Nu, vzdálenost mezi centry Nu 3,4 nm
- 2 řetězce - antiparalelní a komplementární

Helikální konformace - majoritní A, vyjímečně B, hypoteticky Z

Nobelovy ceny a historie molekulární biologie

Okruhy otázek ke státní doktorské zkoušce - oborová rada - genetika
Část molekulární biologie 

Otázka 3)

Nobelovy ceny a historie molekulární biologie

- Of the 162 Nobel Prizes awarded in the category for Physiology or Medicine, forty-two prizes (26 percent) have been awarded in genetics. This far exceeds other categories; the closest in number is disease treatment, with twenty-four prizes (15 percent).

Read more: http://www.answers.com/topic/how-many-nobel-prizes-have-been-awarded-in-genetics#ixzz2ElZ91xBc

Kdo byl asi první? - wiki

Poslední významní nositelé za genetiku a příbuzné nauky:

2012 - fyziologie nebio medicína
John B Gurdon, Shinya Yamanaka
reprogramování dospělých buměk zpět na kmenové
Gurdon 1962 - jádro enterocytu - transfer do oocytu (žabího) zbaveného jádra - následně vývoj do pulce - předchůdce klonování (až pak 1997 Dolly)
Yamanaka 2006 - fibroblasty s dodáním 4 genů pro transkripční fa. se mění na iPS (induced pluripotent cells)

2012 - chemie
Lefkowitz a Kobilka
Charakterizace G-protein coupled receptors (GPCRs) - pro vývoj léků dle fce receptoru - insomnie (suvorexant)

Obr. z 

Nature

 

492,

 

56

 

(06 December 2012)

 

doi:10.1038/492056a