1. Introductie: van genetica naar epigenetica [11]
1.1. Hoe genetica tekortkomt
❥ In 20% van erfelijke ziekten kan men een mutatie/variatie in een eiwit terugvinden
❥ Voor de meerderheid kan er echter geen genetisch defect worden geworden
❥ Men is daardoor naar de promotor-regio gaan kijken aangezien mutaties hierin kunnen zorgen dat
bepaalde transcriptiefactoren (TF) niet kunnen vinden
❥ Er zijn een aantal genetische SNP’s gevonden die een verhoogd risico op lifestyle ziekten (zoals
obesitas, diabetes, astma, CVD) kunnen voorspellen
❥ Ondanks dat mensen complexer zijn hebben insecten meer coderende genen
❣ Er is duidelijk iets dat ons complexer maakt ongeacht het minder voorkomen van coderende genen
❣ Aantal coderende genen ≠ complexiteit organisme
❥ Genetica kan bepaalde fenomenen niet verklaren zoals: cel differentiatie, metamorfose of ziekte in
genetisch identieke tweelingen
❣ Vlinders en rupsen hebben dezelfde genoom maar verschillen toch in fenotype
❣ Een deletie van hetzelfde chromosoom kan verschillende genotypen opleveren t.g.v. genomische
imprinting (expressie van maternale versus paternale genen verschillen en zijn uniek)
❣ Dit zijn een aantal voorbeelden waarbij genetica niet voldoende is om deze fenomenen te verklaren
1.2. Geschiedenis van de (epi)genetica
❥ In de 3e eeuw voor christus postuleerde Aristoles het volgende:
❣ Een mannelijke kiem is verantwoordelijk voor het voorgevormde mens
❣ Een vrouwelijke kiem is nodig voor de voeding en groei van een mens
❥ In de 17e eeuw ging Antonie van Leeuwenhoek kijken hoe een bevruchte eicel van een kip omvormde
tot een kip en hoe dit proces kon worden beïnvloed door temperatuur
❥ In de 19e eeuw kwamen meer vooruitgangen in de genetica
❣ Gregor Mendel maakte de eerste link tussen erfelijke kenmerken (dominant/recessief) en genen
❥ Lamarck onderzocht omgevingsadaptatie en hoe genetica hierdoor werd beïnvloed
❥ Darwin onderzocht evolutie en “survival of the fittest” en
dacht dat genen bepalen of je kan overleven of niet (o.b.v.
bepaalde eigenschappen die je wel of niet bezit)
❥ In de 20e eeuw kwamen nog meer vooruitgangen
❣ Conrad Waddington creëerde de Waddington landschap
⤷ Een metafoor om epigenetica te visualiseren
⤷ Elke stap verder induceert beperkingen en laat het
terugkeren naar de vorige stap niet toe
❣ Watson en Crick creëerde de DNA-helix model
⤷ Onder een microscoop is er echter geen helixstructuur zichtbaar maar een vezelstructuur
⤷ Dit komt doordat het DNA gewikkeld zit rond nucleosomen waarbij elk nucleosoom kan worden
gemodificeerd en de vezelstructuur kan beïnvloeden
⤷ Deze verandering in structuur beïnvloed dan weer transcriptie
,❥ In de 21e eeuw kwamen nog meer ontdekkingen
❣ Men ontdekte topologisch geassocieerde domeinen (TAD’s): het
chromatine zit georganiseerd in deze domeinen en zijn actief
❣ Ook ontdekte men lamina geassocieerde domeinen (LAD’s):
hierin zitten ook chromatine maar deze domeinen zijn inactief
en zitten eerder bij de nucleaire lamina
❣ Ondertussen weet men dat DNA-conformatie de genactiviteit
determineert
❣ Men bestudeerde hor methylatie impact heeft op DNA-replicatie
en gentranscriptie: methylatie ontregelde alles en men zag in
dat methylatie wel degelijk van belang is bij cel differentiatie en maturatie
❣ Men ontdekte dat hypermethylatie belangrijk is voor genrepressie en hypomethylatie voor
genexpressie
❣ Het effect van methylatie op transcriptie en op genetica werd epigenetica
❣ Ook RNA kan worden gemethyleerd dit werd epitranscriptomics genoemd
❣ DMNT1 werd ontdekt in 1997; dit is een enzym dat DNA methyleert
1.3. Wat is epigenetica?
1.3.A. Overzicht
❥ De epigenetische code is reversibel in tegenstelling tot de genetische code
❣ Epigenetische enzymen kunnen chemische modificaties aanbrengen (writers) of afhalen (erasers)
❣ Deze modificaties kunnen op DNA of histonen worden aangebracht
❣ Readers kunnen de epigenetische modificaties dan aflezen
❥ In een menselijk lichaam zit maar een enkel genoom maar er kunnen duizenden epigenomen zijn
❥ We kunnen cis en trans epigenetische kenmerken opmerken
❣ Cis epigenetische kenmerken
⤷ Deze signalen zijn fysiek gehecht aan het DNA-molecuul of bijbehorende eiwitten (chromatine)
⤷ Makkelijker te kopiëren
⤷ Voornaamste deel van overgeërfde epigenetische wijzigingen
⤷ Bv.: DNA-methylatie, histon-modificaties, etc.
❣ Trans epigenetische kenmerken
⤷ Dit zijn moleculen die niet gebonden zijn aan het DNA, maar wel aanwezig zijn in het cytosol
⤷ Kunnen tijdens deling worden overgedragen aan dochtercellen en werken op meerdere allelen of
genomische locaties
⤷ Bv.: transcriptiefactoren die hun eigen expressie activeren, kleine niet-coderende RNA's (sRNA's),
etc.
,1.3.B. DNA-methylatie
① De methylatieproces
❥ De DNA-methylatie reactie
❣ DNA-methylatie wordt uitgevoerd door DNA methyltransferasen
⤷ We hebben verschillende isovormen van het DNMT-enzym
⤷ DNMT1 = maintenance DNMT: methylatie aanbrengen op het
nieuw gesynthetiseerde streng
⤷ DNMT2: betrokken bij methylatie van RNA
⤷ DNMT3A/B: de novo methylatie
⤷ DNMT3L: inactieve methyltransferase die de activiteit van DNMT3A/B stimuleert
❣ S-adenosyl-L-methionine geeft een methylgroep aan cytosine en wordt daarna S-
adenosylhomocysteïne
❣ Methylatie van cytosil vereist echter genoeg methyldonoren: indien DNA-methylatie niet goed
verloopt kan het enerzijds liggen aan DNMT of anderzijds aan het metabolisme (↓ SAM-productie)
❥ DNA-methylatie patronen worden afgelezen door reader enzymen
❣ Deze reader enzymen zijn methyl-CpG bindende eiwitten (MBD proteins)
❣ Ook deze enzymen komen voor in verschillende isovormen: ze herkennen allemaal methylgroepen
maar complexeren met verschillende eiwitten
❣ Mutaties in deze MBD-isovormen kunnen aanleiding geven tot syndromen en ziektes
❥ DNA-demethylatie
❣ = het afhalen van methylgroepen af een cytosine
❣ Kan actief of passief zijn
⤷ Actieve demethylatie: TET-enzymen oxideren
5mC om tot verschillende intermediairen die
door BER eraf worden geknipt en worden
vervangen door een cytosine
⤷ Passieve demethylatie: treedt op tijdens DNA-
replicatie als DNMT1 geïnhibeerd/afwezig is of er
onvoldoende methyldonoren zijn
❥ Onstabiliteit van 5mC
❣ 5mC is 12x meer vatbaar voor deaminatie dan cytosine
❣ Cytosine kan spontaan deamineren tot uracil en dit wordt
makkelijk herkend (hoort niet op DNA) en hersteld
❣ 5mC deamineerd echter tot thymine en dit wordt niet
herkend als een fout (normaal aanwezig in DNA) en wordt
dus ook niet hersteld
, ② DNA-methylatiepatronen
❥ DNA-methylatie gebeurt op CG-motieven en is overerfbaar (in opeenvolgende celdelingen)
❣ Vaak zijn er grote clusters (200-500 bp) rijk aan CG-
motieven = CpG-eilanden die een regulatoire functie
bezitten
❣ Hypermethylatie van CpG-eilanden
⤷ Als deze eilanden massaal gemethyleerd zijn spreken
we van hypermethylatie
⤷ Dit kan de transcriptie van naastliggende genen
worden gesilenced
⤷ Als dit gebeurt t.h.v. de promotor van een TSG word hij
gesilenced
❣ Hypomethylatie van CpG-eilanden
⤷ Een sterke afwijking van methylatie noemt men hypomethylatie
⤷ Dit kan de transcriptie laten doorgaan
⤷ Als dit gebeurt t.h.v. de promotor van een OG (normaal gehypermethyleerd) wordt hij terug actief
❣ Methylatie kan dus de gentranscriptie inhiberen of laten doorgaan
❥ Palindromische CpG-methylatie
❣ Palindromische CpG methylatie
vindt plaats wanneer cytosine’s
op beide strengen van een 5'-
CpG-3' dinucleotide
gemethyleerd worden, waardoor
een symmetrische, palindrome
structuur ontstaat
❣ In de afbeelding is dat:
Bovenste streng: 5’-5mC-G-3’
Onderste streng: 5’-5mC-G-3’
❣ Na DNA-replicatie zijn beiden strengen gescheiden en opnieuw gesynthetiseerd
❣ DNMT1 zal dan opnieuw een methylgroep aanbrengen op de correcte locatie door de bestaande
methylgroep te herkennen en op de andere streng een methylatie aan te brengen
❣ Resultaat: opnieuw een palindromische CpG die overerfbaar is in opeenvolgende celdelingen
③ Toepassingen en functies van DNA-methylatie
1. Gebruik van 5mC in datering
❣ Sommige DNA-stalen hebben een lagere GC-content
❣ Hoe meer stress, hoe meer 5mC en hoe meer spontane deaminaties plaatsvinden
❣ Dit kan gebruikt worden voor datering zoals bij koolstofdatering = paleoepigenetic
⤷ O.b.v. hoeveel cytosine tot thymine deamineren kan men bepalen wanneer een menstype
voorkwam
⤷ Werd o.a. gebruikt om epigenetische impact op het skelet te achterhalen in de geschiedenis van
de menssoort
1.1. Hoe genetica tekortkomt
❥ In 20% van erfelijke ziekten kan men een mutatie/variatie in een eiwit terugvinden
❥ Voor de meerderheid kan er echter geen genetisch defect worden geworden
❥ Men is daardoor naar de promotor-regio gaan kijken aangezien mutaties hierin kunnen zorgen dat
bepaalde transcriptiefactoren (TF) niet kunnen vinden
❥ Er zijn een aantal genetische SNP’s gevonden die een verhoogd risico op lifestyle ziekten (zoals
obesitas, diabetes, astma, CVD) kunnen voorspellen
❥ Ondanks dat mensen complexer zijn hebben insecten meer coderende genen
❣ Er is duidelijk iets dat ons complexer maakt ongeacht het minder voorkomen van coderende genen
❣ Aantal coderende genen ≠ complexiteit organisme
❥ Genetica kan bepaalde fenomenen niet verklaren zoals: cel differentiatie, metamorfose of ziekte in
genetisch identieke tweelingen
❣ Vlinders en rupsen hebben dezelfde genoom maar verschillen toch in fenotype
❣ Een deletie van hetzelfde chromosoom kan verschillende genotypen opleveren t.g.v. genomische
imprinting (expressie van maternale versus paternale genen verschillen en zijn uniek)
❣ Dit zijn een aantal voorbeelden waarbij genetica niet voldoende is om deze fenomenen te verklaren
1.2. Geschiedenis van de (epi)genetica
❥ In de 3e eeuw voor christus postuleerde Aristoles het volgende:
❣ Een mannelijke kiem is verantwoordelijk voor het voorgevormde mens
❣ Een vrouwelijke kiem is nodig voor de voeding en groei van een mens
❥ In de 17e eeuw ging Antonie van Leeuwenhoek kijken hoe een bevruchte eicel van een kip omvormde
tot een kip en hoe dit proces kon worden beïnvloed door temperatuur
❥ In de 19e eeuw kwamen meer vooruitgangen in de genetica
❣ Gregor Mendel maakte de eerste link tussen erfelijke kenmerken (dominant/recessief) en genen
❥ Lamarck onderzocht omgevingsadaptatie en hoe genetica hierdoor werd beïnvloed
❥ Darwin onderzocht evolutie en “survival of the fittest” en
dacht dat genen bepalen of je kan overleven of niet (o.b.v.
bepaalde eigenschappen die je wel of niet bezit)
❥ In de 20e eeuw kwamen nog meer vooruitgangen
❣ Conrad Waddington creëerde de Waddington landschap
⤷ Een metafoor om epigenetica te visualiseren
⤷ Elke stap verder induceert beperkingen en laat het
terugkeren naar de vorige stap niet toe
❣ Watson en Crick creëerde de DNA-helix model
⤷ Onder een microscoop is er echter geen helixstructuur zichtbaar maar een vezelstructuur
⤷ Dit komt doordat het DNA gewikkeld zit rond nucleosomen waarbij elk nucleosoom kan worden
gemodificeerd en de vezelstructuur kan beïnvloeden
⤷ Deze verandering in structuur beïnvloed dan weer transcriptie
,❥ In de 21e eeuw kwamen nog meer ontdekkingen
❣ Men ontdekte topologisch geassocieerde domeinen (TAD’s): het
chromatine zit georganiseerd in deze domeinen en zijn actief
❣ Ook ontdekte men lamina geassocieerde domeinen (LAD’s):
hierin zitten ook chromatine maar deze domeinen zijn inactief
en zitten eerder bij de nucleaire lamina
❣ Ondertussen weet men dat DNA-conformatie de genactiviteit
determineert
❣ Men bestudeerde hor methylatie impact heeft op DNA-replicatie
en gentranscriptie: methylatie ontregelde alles en men zag in
dat methylatie wel degelijk van belang is bij cel differentiatie en maturatie
❣ Men ontdekte dat hypermethylatie belangrijk is voor genrepressie en hypomethylatie voor
genexpressie
❣ Het effect van methylatie op transcriptie en op genetica werd epigenetica
❣ Ook RNA kan worden gemethyleerd dit werd epitranscriptomics genoemd
❣ DMNT1 werd ontdekt in 1997; dit is een enzym dat DNA methyleert
1.3. Wat is epigenetica?
1.3.A. Overzicht
❥ De epigenetische code is reversibel in tegenstelling tot de genetische code
❣ Epigenetische enzymen kunnen chemische modificaties aanbrengen (writers) of afhalen (erasers)
❣ Deze modificaties kunnen op DNA of histonen worden aangebracht
❣ Readers kunnen de epigenetische modificaties dan aflezen
❥ In een menselijk lichaam zit maar een enkel genoom maar er kunnen duizenden epigenomen zijn
❥ We kunnen cis en trans epigenetische kenmerken opmerken
❣ Cis epigenetische kenmerken
⤷ Deze signalen zijn fysiek gehecht aan het DNA-molecuul of bijbehorende eiwitten (chromatine)
⤷ Makkelijker te kopiëren
⤷ Voornaamste deel van overgeërfde epigenetische wijzigingen
⤷ Bv.: DNA-methylatie, histon-modificaties, etc.
❣ Trans epigenetische kenmerken
⤷ Dit zijn moleculen die niet gebonden zijn aan het DNA, maar wel aanwezig zijn in het cytosol
⤷ Kunnen tijdens deling worden overgedragen aan dochtercellen en werken op meerdere allelen of
genomische locaties
⤷ Bv.: transcriptiefactoren die hun eigen expressie activeren, kleine niet-coderende RNA's (sRNA's),
etc.
,1.3.B. DNA-methylatie
① De methylatieproces
❥ De DNA-methylatie reactie
❣ DNA-methylatie wordt uitgevoerd door DNA methyltransferasen
⤷ We hebben verschillende isovormen van het DNMT-enzym
⤷ DNMT1 = maintenance DNMT: methylatie aanbrengen op het
nieuw gesynthetiseerde streng
⤷ DNMT2: betrokken bij methylatie van RNA
⤷ DNMT3A/B: de novo methylatie
⤷ DNMT3L: inactieve methyltransferase die de activiteit van DNMT3A/B stimuleert
❣ S-adenosyl-L-methionine geeft een methylgroep aan cytosine en wordt daarna S-
adenosylhomocysteïne
❣ Methylatie van cytosil vereist echter genoeg methyldonoren: indien DNA-methylatie niet goed
verloopt kan het enerzijds liggen aan DNMT of anderzijds aan het metabolisme (↓ SAM-productie)
❥ DNA-methylatie patronen worden afgelezen door reader enzymen
❣ Deze reader enzymen zijn methyl-CpG bindende eiwitten (MBD proteins)
❣ Ook deze enzymen komen voor in verschillende isovormen: ze herkennen allemaal methylgroepen
maar complexeren met verschillende eiwitten
❣ Mutaties in deze MBD-isovormen kunnen aanleiding geven tot syndromen en ziektes
❥ DNA-demethylatie
❣ = het afhalen van methylgroepen af een cytosine
❣ Kan actief of passief zijn
⤷ Actieve demethylatie: TET-enzymen oxideren
5mC om tot verschillende intermediairen die
door BER eraf worden geknipt en worden
vervangen door een cytosine
⤷ Passieve demethylatie: treedt op tijdens DNA-
replicatie als DNMT1 geïnhibeerd/afwezig is of er
onvoldoende methyldonoren zijn
❥ Onstabiliteit van 5mC
❣ 5mC is 12x meer vatbaar voor deaminatie dan cytosine
❣ Cytosine kan spontaan deamineren tot uracil en dit wordt
makkelijk herkend (hoort niet op DNA) en hersteld
❣ 5mC deamineerd echter tot thymine en dit wordt niet
herkend als een fout (normaal aanwezig in DNA) en wordt
dus ook niet hersteld
, ② DNA-methylatiepatronen
❥ DNA-methylatie gebeurt op CG-motieven en is overerfbaar (in opeenvolgende celdelingen)
❣ Vaak zijn er grote clusters (200-500 bp) rijk aan CG-
motieven = CpG-eilanden die een regulatoire functie
bezitten
❣ Hypermethylatie van CpG-eilanden
⤷ Als deze eilanden massaal gemethyleerd zijn spreken
we van hypermethylatie
⤷ Dit kan de transcriptie van naastliggende genen
worden gesilenced
⤷ Als dit gebeurt t.h.v. de promotor van een TSG word hij
gesilenced
❣ Hypomethylatie van CpG-eilanden
⤷ Een sterke afwijking van methylatie noemt men hypomethylatie
⤷ Dit kan de transcriptie laten doorgaan
⤷ Als dit gebeurt t.h.v. de promotor van een OG (normaal gehypermethyleerd) wordt hij terug actief
❣ Methylatie kan dus de gentranscriptie inhiberen of laten doorgaan
❥ Palindromische CpG-methylatie
❣ Palindromische CpG methylatie
vindt plaats wanneer cytosine’s
op beide strengen van een 5'-
CpG-3' dinucleotide
gemethyleerd worden, waardoor
een symmetrische, palindrome
structuur ontstaat
❣ In de afbeelding is dat:
Bovenste streng: 5’-5mC-G-3’
Onderste streng: 5’-5mC-G-3’
❣ Na DNA-replicatie zijn beiden strengen gescheiden en opnieuw gesynthetiseerd
❣ DNMT1 zal dan opnieuw een methylgroep aanbrengen op de correcte locatie door de bestaande
methylgroep te herkennen en op de andere streng een methylatie aan te brengen
❣ Resultaat: opnieuw een palindromische CpG die overerfbaar is in opeenvolgende celdelingen
③ Toepassingen en functies van DNA-methylatie
1. Gebruik van 5mC in datering
❣ Sommige DNA-stalen hebben een lagere GC-content
❣ Hoe meer stress, hoe meer 5mC en hoe meer spontane deaminaties plaatsvinden
❣ Dit kan gebruikt worden voor datering zoals bij koolstofdatering = paleoepigenetic
⤷ O.b.v. hoeveel cytosine tot thymine deamineren kan men bepalen wanneer een menstype
voorkwam
⤷ Werd o.a. gebruikt om epigenetische impact op het skelet te achterhalen in de geschiedenis van
de menssoort
