EPIGENETICA
VAK / EXAMEN INFO
Verschillende lesonderdelen:
- Introductie
o Opfrissing
- Epigenetische technieken
- Overerfbare epigenetica
- Epigenetische biomakers
- Epigenetische therapieën
Examen:
- 5/20: Poster presentatie (in groep) à te weinig tijd gehad in de les, moeten inspreken
o Over recent onderzoeksartikel rond epigenetica
o Voorbeeld staat op blackboard
- 15/20: Schriftelijk examen
o MC & openvragen (zowel reproductie als inzichtvragen)
o Besproken slides
§ Geskipte slides / kort gezien = niet belangrijk
CHATPER 1: INTRODUCTIE: FROM GENETICS TO EPIGENETICS
1.1: INLEIDING
HET CENTRALE DOGMA
Centraal dogma: DNA à mRNA à eiwitten
- DNA bevat een code om eiwitten aan te maken
- Humane genom project -genoom ontrafeld en eiwitten ontdekken.
o Sequencing capaciteit is enorm toegenomen, vergelijken van
genomen onderling (inter-intraspecies). Zo zie je snel dat deze
minder genen hebben en dat het anatal genen niet de complexiteit
weerspiegelt.
VOOR VEEL COMPLEXE ZIEKTEN ZIJN ER GEEN GENETISCHE DEFECTEN GEÏDENTIFICEERD
Bij vele ziekten kunnen we geen 1 op 1 mutatie correleren met een ziekte. We kunnen ook niet zeggen waarom bepaalde mutaties
wel of niet een ziekte veroorzaken. In 80% van de complexe ziekte is er geen genetische correlatie.
Mutatie/variatie vinden van eiwit die ivm staat met ziekte
• Probleem: bij complexe ziekte is er geen genetische oorzaak
o Niet kijken in de eiwitten, maar promotorregios (= single nucleotide polymorfismes)
§ Hierdoor mss bepaalde genen niet afgeschreven; transcriptiefactoren variëren
• Bepaalde transcripten zijn minder/meer abundant
AANTAL GENEN REFELCTEERT NIET DE COMPLEXITEIT VAN EEN ORGANISME
De mens en de bladluis hebebn evenveel genen, heeft te maken met de complexiteit van de regulatie. Veel DNA in het genoom
codeert niet à hiervan wordt 96% omgzet in RNA.
- RNA moleculen hebben belangrijke regulatorie functies.
o Katalytische functies conbineren met informatiefuncties
o Kunnen als een template dienen om een enzym/ complex aan te voeren.
- De regulatiemechanismen gaan de complexiteit bepalen.
!! aantal genen reflecteert niet de complexiteit ve organisme
• Meer genomen sequencen = meer polymorfismen linken aan risico ziektes
o Ook andere organismen sequencen -> sommige insecten meer coderende genen dan mens
1
,GENETICA LEGT NIET DE CELDIFFERENTIATIE, METAFORMOSE OF ZIEKTEN IN GENETISCHE IDENTIEKE
TWEELINGEN UIT
Aantal mysteries volgens de genetica:
1. Vlinder kan voorkomen als rups, verpoppen en als insect met vleugels
o Hebben exact hetzelfde DNA maar een verschillende morfologie (verschillen door regulatie)
2. Werkbij en koninginnenbij
o Afhankelijk van de voeding die de bij heeft -> ofwel differentiëren naar een koninginnenbij of werkbij
o 3 weken vs 2-jaar overleving
3. Mierennest
o Veel verschillende soorten mieren (soldaat, agresssief, sterk,…)
o Wordt sterk aangestuurd door epigenetica
§ Peptide hormonen bepalen het gedrag van de mieren
§ Veel gebruikt in neuroepigenetica
o Prader willi en Angelman syndroom
§ Veroorzaakt worden door een identieke genetische mutatie maar heeft een verschillend fenotype
o Mutatie in moeder gen vs mutatie in vader gen
o Van elk gen hebben we 2 kopijen -> effect in gen van vader of moeder
o Te maken met genomic imprinting
4. Studies in eeneiige tweelingen
o = homozygote tweelingen
o Hoe ouder ze worden, hoe meer ze verschillen in epigenetische kenmerke
o Cohorts studies: longitudinale studies om de impact van omgevingsfactoren te bepalen op het genoom
5. Celtypen: hebben exact hetzelfde DNA, maar hebben een unieke epigenetische code
o Naar DNA methylatie patronen kijken aan adhv deze patronen zeggen welke cel het is
o Boven op de celdifferentiatie kenmerken ook nog andere methylatiepatronen die variëren door de levensstijl
Zelfde mutatie ve gen kan andere uitkomst hebben, verschillende fenotypes bij zelfde deletie
• Genomische imprinting; uniek genexpressie patroon door oftewel moeder oftewel vader chromosoom
STRUCTUUR VAN DNA
Vezelstructuren onder microscoop -> dubbele helix niet zichtbaar
• Nucleosomen kunnen chemische modificaties veranderen, gedragen zich als
magneten -> structuur van DNA veranderen: opvouwen/ ontvouwen
DNA is
- een sterk opgerold rond histonen
- complemetary strands CG vs AT
- door posttranslationele modificaties kan DNA in een actieve of inactieve vorm
voorkomen
o inactief: heterechromatine (sterk opgerold)
§ vanonder op de figuur
§ inaccessible to transcription machinery
o actief: euchromatine (minder sterk opgeroold)
§ accessible to transcription machinery
§ steeds meer negatieve ladingen toeveogen waardoor de histon ook
negatief worden à gaan het DNA afstoten en het DNA gaat ontrollen
§ om toegant te geven aan transcriptiefactoren moet het DNA open zijn
Actief in TAD (= topological associated domein) #euchromatine <-> Inactief aangereikt in buurt
van LAD (lamina associated domain) #heterochromatine
- !! niet random; via FISH probes de chromosomen bekijken van waar ze liggen
Changes in DNA compaction change gene activity bead on a string = transcriptionally active
2
,3D DOMEIN ORGANISATIE
Wanneer we meer d-inzicht hebben in de 3D-domein organisatie, en DAN zien als een lineaire structuur à eigen activiteiten
kunnen zien door interactie met de omgevingsfactoren
- Gezondheid is niet alleen afhankelijk van genen maar ook van hoe DAN is opgebouwd en de structuur ervan (is afhankelijk
van epigenetica)
1.2: METHYLATIE
Bepaalde nucleotide kunnen gemodificeerd worden door methylatie à genen kunnen zo aan of afgezet worden afhankelijk door
de chemische modificatie van cytosone
- Transcriptie geïnduceerd door methylatie
- Voor genexpressie is de methylatie van bepaalde nucleoside van belang
- 5Me-C = 5 lethylcytidine
o Super belangrijk
o 5e nucleotide
- Nucleosdie analoge
o 5-aza-2’-deoxycytidin
o 5-azacytidin
o Kunnen ingebouwd worden in het DNA
o Gaan binden aan DNA
o Methyltransferasen
Als je cellen groeien in aanwezigheid van deze stof à alle cytidine naar deoxytidine of 5 azacytidine
- Eerste bewijs dat methylatie toestand een belangrijke rol speelt in de differentiatie en ontwikkeling
Holliday en riggs: er moet extra code in DNA zitten -> heeft chemische methylatie een impact op gen transcriptie?
• Geloofde dat dit een gen-activatie veroorzaakte
o Maken van aza-cytidine; nucleotide die niet meer gemethyleerd kan worden -> expressie
§ Methylatie -> gene expression repressed
• Ook RNA kan gemethyleerd worden!!
!! methylatie van DNA = epigenetica
!! methylatie van RNA = epi transcriptomics
ZIEKTES HANGT AF VAN DE ‘INTERPLAY’ VAN GENETISCHE EN EPIGENETISCHE RISICO FACTOREN
Methylatie speel teen rol bij imprinting!
- Maternal & paternal hebben een verschillend methylatiepatroon
- Welke allel van de vader en welke van de moeder
- Mutatie in een van de 2 allelen à transitie maken: ziekte begrijpen door niet
alleen te kijken naar de genetische code maar ook hoe de expressie van deze
eiwitten wordt gereguleerd
Complexe ziekten begrijpen = genetica + epigenetica
Epigenetica en genetica in elkaar verstrengeld
• Wisselwerking tussen omgeving (epigenoom) en genetica
• Ziekten van genetische mutaties en epigentische enzymen à moeilijk
• Hoe moet je dit genezen?!
3
, DNA METHYLATIE & HISTONMODIFICATIE
Gen therapie = mutatie laten verwijderen --> niet zo eenvoudig
- Om dit corrigegeren in de juiste cellen
Weefsel met een bepaald methylatietoestand, door levensstijlfactoren en methylatietoestand een beetje verhogen of verlagen
- Epigenetiva is een soort buffer om de staat van een ziekte te bepalen
- Symptomen van een ziekte vermidnerne
- Ziekte uit stellen
Focus op methylatie & histonmodificaties
- Histon modificatie: veel biomedische methodes
- DNA methylatie: chemisch behandelen doen met bisulfit
o Niet goed voor DNA à APOBEC is beter (enzymatisch, ipv chemisch)
o Moeilijk om kwantitatief te bepalen
o Kan weggehaald worden door DNA demethylase activteit
§ Dit enzym kan niet geanalyseerd worden
- Epigenetische code is reversibel (door enzymen die write-erase chemical modifications kunnen uitvoeren)
5 methyl cytosine = 5e nucleotide
• Methylatie op de 5e postitie van de cytosine
• Cytosine naar 5mC gebeurt via DNA methyltransferase (= DNMT)
o Nood aan SAM-CH3 (functioneert als methyl donor)
o Metabole concentratie ban SAM zijn heel erg belangrijk
voor de methyaltie huishouding
o In kankercellen: probleem met
methyldonormetabolisme à bepaalde dochtercellen worden te weinig gemetabolsieerd
o Verdwijnen van methylatiepatronen à resulteert in kanker
o Verschillende soorten enzymes (DNMT1, 2, 3A, 3B, 3L, …)
§ 1 = maintanance methyltransferase
§ 2 = RNA methyltransferase
§ 3A en 3B is de-novo DNMT; afh vd omgeving (vb: te weinig voeding)
§ 3L speelt rol bij methylatie in geslachtcellen
EPIGENETICA: VOORDELEN EN NADELEN
Voordeel:
- Epigenetica is reversibel -> kan worden bijgestuurd
Nadeel:
- Stalen nemen van de patient is vooral in diagnostiek
- Om te diagnosticeren met een kanker of orgaanfalen --> kan je een epigenetische verandering van hersenweefsel dit
indorect detecteren in bloed
o Hoe kunnen we een ziekte opsporen als we het bloed analyseren in verschillend zijn van het weefsel die ziek is
o Immuuncellen communiceren met andere cellen: gaan een ontsteking detecteren -> epigenetisch patroon van
de ontsteking gaan we zien iin immuuncellen
§ Maar, waar is die ontsteking?
• Complicatie!
4
VAK / EXAMEN INFO
Verschillende lesonderdelen:
- Introductie
o Opfrissing
- Epigenetische technieken
- Overerfbare epigenetica
- Epigenetische biomakers
- Epigenetische therapieën
Examen:
- 5/20: Poster presentatie (in groep) à te weinig tijd gehad in de les, moeten inspreken
o Over recent onderzoeksartikel rond epigenetica
o Voorbeeld staat op blackboard
- 15/20: Schriftelijk examen
o MC & openvragen (zowel reproductie als inzichtvragen)
o Besproken slides
§ Geskipte slides / kort gezien = niet belangrijk
CHATPER 1: INTRODUCTIE: FROM GENETICS TO EPIGENETICS
1.1: INLEIDING
HET CENTRALE DOGMA
Centraal dogma: DNA à mRNA à eiwitten
- DNA bevat een code om eiwitten aan te maken
- Humane genom project -genoom ontrafeld en eiwitten ontdekken.
o Sequencing capaciteit is enorm toegenomen, vergelijken van
genomen onderling (inter-intraspecies). Zo zie je snel dat deze
minder genen hebben en dat het anatal genen niet de complexiteit
weerspiegelt.
VOOR VEEL COMPLEXE ZIEKTEN ZIJN ER GEEN GENETISCHE DEFECTEN GEÏDENTIFICEERD
Bij vele ziekten kunnen we geen 1 op 1 mutatie correleren met een ziekte. We kunnen ook niet zeggen waarom bepaalde mutaties
wel of niet een ziekte veroorzaken. In 80% van de complexe ziekte is er geen genetische correlatie.
Mutatie/variatie vinden van eiwit die ivm staat met ziekte
• Probleem: bij complexe ziekte is er geen genetische oorzaak
o Niet kijken in de eiwitten, maar promotorregios (= single nucleotide polymorfismes)
§ Hierdoor mss bepaalde genen niet afgeschreven; transcriptiefactoren variëren
• Bepaalde transcripten zijn minder/meer abundant
AANTAL GENEN REFELCTEERT NIET DE COMPLEXITEIT VAN EEN ORGANISME
De mens en de bladluis hebebn evenveel genen, heeft te maken met de complexiteit van de regulatie. Veel DNA in het genoom
codeert niet à hiervan wordt 96% omgzet in RNA.
- RNA moleculen hebben belangrijke regulatorie functies.
o Katalytische functies conbineren met informatiefuncties
o Kunnen als een template dienen om een enzym/ complex aan te voeren.
- De regulatiemechanismen gaan de complexiteit bepalen.
!! aantal genen reflecteert niet de complexiteit ve organisme
• Meer genomen sequencen = meer polymorfismen linken aan risico ziektes
o Ook andere organismen sequencen -> sommige insecten meer coderende genen dan mens
1
,GENETICA LEGT NIET DE CELDIFFERENTIATIE, METAFORMOSE OF ZIEKTEN IN GENETISCHE IDENTIEKE
TWEELINGEN UIT
Aantal mysteries volgens de genetica:
1. Vlinder kan voorkomen als rups, verpoppen en als insect met vleugels
o Hebben exact hetzelfde DNA maar een verschillende morfologie (verschillen door regulatie)
2. Werkbij en koninginnenbij
o Afhankelijk van de voeding die de bij heeft -> ofwel differentiëren naar een koninginnenbij of werkbij
o 3 weken vs 2-jaar overleving
3. Mierennest
o Veel verschillende soorten mieren (soldaat, agresssief, sterk,…)
o Wordt sterk aangestuurd door epigenetica
§ Peptide hormonen bepalen het gedrag van de mieren
§ Veel gebruikt in neuroepigenetica
o Prader willi en Angelman syndroom
§ Veroorzaakt worden door een identieke genetische mutatie maar heeft een verschillend fenotype
o Mutatie in moeder gen vs mutatie in vader gen
o Van elk gen hebben we 2 kopijen -> effect in gen van vader of moeder
o Te maken met genomic imprinting
4. Studies in eeneiige tweelingen
o = homozygote tweelingen
o Hoe ouder ze worden, hoe meer ze verschillen in epigenetische kenmerke
o Cohorts studies: longitudinale studies om de impact van omgevingsfactoren te bepalen op het genoom
5. Celtypen: hebben exact hetzelfde DNA, maar hebben een unieke epigenetische code
o Naar DNA methylatie patronen kijken aan adhv deze patronen zeggen welke cel het is
o Boven op de celdifferentiatie kenmerken ook nog andere methylatiepatronen die variëren door de levensstijl
Zelfde mutatie ve gen kan andere uitkomst hebben, verschillende fenotypes bij zelfde deletie
• Genomische imprinting; uniek genexpressie patroon door oftewel moeder oftewel vader chromosoom
STRUCTUUR VAN DNA
Vezelstructuren onder microscoop -> dubbele helix niet zichtbaar
• Nucleosomen kunnen chemische modificaties veranderen, gedragen zich als
magneten -> structuur van DNA veranderen: opvouwen/ ontvouwen
DNA is
- een sterk opgerold rond histonen
- complemetary strands CG vs AT
- door posttranslationele modificaties kan DNA in een actieve of inactieve vorm
voorkomen
o inactief: heterechromatine (sterk opgerold)
§ vanonder op de figuur
§ inaccessible to transcription machinery
o actief: euchromatine (minder sterk opgeroold)
§ accessible to transcription machinery
§ steeds meer negatieve ladingen toeveogen waardoor de histon ook
negatief worden à gaan het DNA afstoten en het DNA gaat ontrollen
§ om toegant te geven aan transcriptiefactoren moet het DNA open zijn
Actief in TAD (= topological associated domein) #euchromatine <-> Inactief aangereikt in buurt
van LAD (lamina associated domain) #heterochromatine
- !! niet random; via FISH probes de chromosomen bekijken van waar ze liggen
Changes in DNA compaction change gene activity bead on a string = transcriptionally active
2
,3D DOMEIN ORGANISATIE
Wanneer we meer d-inzicht hebben in de 3D-domein organisatie, en DAN zien als een lineaire structuur à eigen activiteiten
kunnen zien door interactie met de omgevingsfactoren
- Gezondheid is niet alleen afhankelijk van genen maar ook van hoe DAN is opgebouwd en de structuur ervan (is afhankelijk
van epigenetica)
1.2: METHYLATIE
Bepaalde nucleotide kunnen gemodificeerd worden door methylatie à genen kunnen zo aan of afgezet worden afhankelijk door
de chemische modificatie van cytosone
- Transcriptie geïnduceerd door methylatie
- Voor genexpressie is de methylatie van bepaalde nucleoside van belang
- 5Me-C = 5 lethylcytidine
o Super belangrijk
o 5e nucleotide
- Nucleosdie analoge
o 5-aza-2’-deoxycytidin
o 5-azacytidin
o Kunnen ingebouwd worden in het DNA
o Gaan binden aan DNA
o Methyltransferasen
Als je cellen groeien in aanwezigheid van deze stof à alle cytidine naar deoxytidine of 5 azacytidine
- Eerste bewijs dat methylatie toestand een belangrijke rol speelt in de differentiatie en ontwikkeling
Holliday en riggs: er moet extra code in DNA zitten -> heeft chemische methylatie een impact op gen transcriptie?
• Geloofde dat dit een gen-activatie veroorzaakte
o Maken van aza-cytidine; nucleotide die niet meer gemethyleerd kan worden -> expressie
§ Methylatie -> gene expression repressed
• Ook RNA kan gemethyleerd worden!!
!! methylatie van DNA = epigenetica
!! methylatie van RNA = epi transcriptomics
ZIEKTES HANGT AF VAN DE ‘INTERPLAY’ VAN GENETISCHE EN EPIGENETISCHE RISICO FACTOREN
Methylatie speel teen rol bij imprinting!
- Maternal & paternal hebben een verschillend methylatiepatroon
- Welke allel van de vader en welke van de moeder
- Mutatie in een van de 2 allelen à transitie maken: ziekte begrijpen door niet
alleen te kijken naar de genetische code maar ook hoe de expressie van deze
eiwitten wordt gereguleerd
Complexe ziekten begrijpen = genetica + epigenetica
Epigenetica en genetica in elkaar verstrengeld
• Wisselwerking tussen omgeving (epigenoom) en genetica
• Ziekten van genetische mutaties en epigentische enzymen à moeilijk
• Hoe moet je dit genezen?!
3
, DNA METHYLATIE & HISTONMODIFICATIE
Gen therapie = mutatie laten verwijderen --> niet zo eenvoudig
- Om dit corrigegeren in de juiste cellen
Weefsel met een bepaald methylatietoestand, door levensstijlfactoren en methylatietoestand een beetje verhogen of verlagen
- Epigenetiva is een soort buffer om de staat van een ziekte te bepalen
- Symptomen van een ziekte vermidnerne
- Ziekte uit stellen
Focus op methylatie & histonmodificaties
- Histon modificatie: veel biomedische methodes
- DNA methylatie: chemisch behandelen doen met bisulfit
o Niet goed voor DNA à APOBEC is beter (enzymatisch, ipv chemisch)
o Moeilijk om kwantitatief te bepalen
o Kan weggehaald worden door DNA demethylase activteit
§ Dit enzym kan niet geanalyseerd worden
- Epigenetische code is reversibel (door enzymen die write-erase chemical modifications kunnen uitvoeren)
5 methyl cytosine = 5e nucleotide
• Methylatie op de 5e postitie van de cytosine
• Cytosine naar 5mC gebeurt via DNA methyltransferase (= DNMT)
o Nood aan SAM-CH3 (functioneert als methyl donor)
o Metabole concentratie ban SAM zijn heel erg belangrijk
voor de methyaltie huishouding
o In kankercellen: probleem met
methyldonormetabolisme à bepaalde dochtercellen worden te weinig gemetabolsieerd
o Verdwijnen van methylatiepatronen à resulteert in kanker
o Verschillende soorten enzymes (DNMT1, 2, 3A, 3B, 3L, …)
§ 1 = maintanance methyltransferase
§ 2 = RNA methyltransferase
§ 3A en 3B is de-novo DNMT; afh vd omgeving (vb: te weinig voeding)
§ 3L speelt rol bij methylatie in geslachtcellen
EPIGENETICA: VOORDELEN EN NADELEN
Voordeel:
- Epigenetica is reversibel -> kan worden bijgestuurd
Nadeel:
- Stalen nemen van de patient is vooral in diagnostiek
- Om te diagnosticeren met een kanker of orgaanfalen --> kan je een epigenetische verandering van hersenweefsel dit
indorect detecteren in bloed
o Hoe kunnen we een ziekte opsporen als we het bloed analyseren in verschillend zijn van het weefsel die ziek is
o Immuuncellen communiceren met andere cellen: gaan een ontsteking detecteren -> epigenetisch patroon van
de ontsteking gaan we zien iin immuuncellen
§ Maar, waar is die ontsteking?
• Complicatie!
4
