SMV Celbiologie Hoorcolleges DT2
EPIGENETICA
Kanker wordt veroorzaakt door het verlies in controle over cellen. Dit wordt vaak genetisch
veroorzaakt en veelal ook epigenetisch. Oorzaken:
- Mutaties in gene die zorgen voor celdeling en zijn controle en genen belangrijk voor
DNA schade reparatie (oncogenen en tumor suppressor genen).
- DNA en chromosoom rearrangements: deleties, inserties etc.
- Afwijkende genexpressie: deze worden genetisch of epigenetisch bepaald.
Controle van het genoom gebeurt door genregulatie en regulatie van de niet-gen regio’s,
oftewel junk DNA. Door genregulatie te controleren ontstaan er verschillende type cellen
door differentiatie, ontwikkeling en homeostase. Vaak is de controle op transcriptie level. Dit
zegt iets over of RNA wordt gesynthetiseerd. Daarnaast heb je ook post-transcriptionele
regulatie.
Epigenetische informatie
1. Je hebt DNA-geassocieerde eiwitten:
- Histonen om nucleosomen te vormen.
- Histon varianten.
- Transcriptiefactoren: binden direct en indirect aan DNA.
- Chromatine remodeling complexen.
- Euchromatine.
- Heterochromatine
2. Chemische modificaties van eiwitten door histonen of transcriptiefactoren.
3. Chemische modificaties van DNA: methylatie of andere modificaties.
Een nucleosoom bestaat uit 8 histoneiwitten: H2A, H2B, H3 en H4 die allemaal twee keer
voorkomen. H1 komt ook nog voor in een gecondenseerde chromatine. Verder zijn er
varianten van H3 en H2A die op specifieke gebieden in het genoom voorkomen.
Bijvoorbeeld in getranscribeerde genen wordt H3 vervangen door H3.3, in het nucleosoom
rond transcriptie start site wordt H2A vervangen door H2A.Z en in het centromeer wordt H3
vervangen door CENP-A.
Het histon complex werkt remmend op de transcriptie van genen. Via veranderingen in het
complex kan transcriptie gereguleerd worden. Hierbij worden de signalen voor het ‘aan- en
,uitzetten’ van genen vertaald in chemische modificaties van de histon-eiwitten die op hun
beurt de enzymen aantrekken of afweren die betrokken zijn bij transcriptie of suppressie van
de genen.
Transcriptieregulatie gaat dus om:
- Aantrekken van de transcriptie machine naar de promotor.
- Core promoter: general transcriptie factoren.
- Cis-acting elements: bepaalde base volgorde waar transcriptiefactoren aan DNA
binden (enhancers, silencers, response elements etc).
- Nucleosoom/histon modificaties.
- Chromatine remodelling.
Histonstaarten steken uit het nucleosoom en zijn daardoor belangrijk voor
post-translationele modificatie. Dit is een moleculaire manier om genexpressie
te sturen/controleren. Je hebt verschillende chemische modificaties van de
histonstaarten die mogelijk zijn:
1. Acetylering van lysines in histonen: acetylgroep wordt gebonden aan
een lysine met behulp van histon acetyltransferase (HAT). Dezelfde
acetylgroep kan er weer vanaf worden gehaald door histon deacetylase
(HDAC).
2. Methylering van lysines in histonen: methylgroep wordt gebonden aan een lysine met
behulp van KMTs. Deze kan er weer vanaf worden gehaald door HDMase. Er
kunnen meerdere methylgroepen aan dezelfde lysine worden gebonden.
Een aantal histonmodificaties en hun consequenties:
, 1. Actieve genen:
- Geacetyleerde H4K5, H4K8, H4K12 en H4K16.
- Geacetyleerde H3K9
- Gemethyleerde H3K4
Deze genen zijn dus altijd geassocieerd met deze histonen en enhancers.
2. Inactieve genen:
- Ongeacetyleerde histonen
- Ongemethyleerde H3K4
- Gemethyleerde H3K9
- Gemethyleerde H3K27
Deze genen zijn dus altijd geassocieerd met deze histonen.
Je hebt een paar begrippen die belangrijk zijn bij epigenetica:
Writers: enzymen die modificaties aanbrengen.
Erasers: enzymen die modificaties verwijderen.
Readers: eiwitten die de gemodificeerde histonen op een specifieke manier herkennen die
vervolgens andere processen opstarten.
Deze eiwitten weten wanneer ze actief moeten zijn door een bepaalde basenvolgorde in het
DNA (bindingsplaats voor transcriptiefactor), het herkennen van de aan DNA gebonden
transcriptiefactor en mogelijk ook herkenning van de histonmodificaties.
Genregulatie wordt beïnvloed door de general en de specifieke transcriptiefactoren. Als deze
zijn gebonden kunnen ze een aantal eiwitten aantrekken: histon modificerend enzym zoals
acetyl/methyltransferases, chromatine remodelling complexen, transcriptie elongation
complexen of andere general transcriptiefactoren.
Bij epigenetica is genexpressie afhankelijk van chemische modificaties belangrijk. Dit houdt
in structuur van een chromatine die door bepaalde modificaties kan worden aangepast zoals
hierboven besproken.
Naast de modificatie van histonstaarten kan ook het DNA gemodificeerd worden:
DNA methylering: de C-base wordt een methylgroep aan gebonden met behulp van een
methyldonor. SAM is een belangrijke methyldonor. Gemethyleerde C-basen worden meestal
gevonden naast G-basen. De C-base die tegenover die G-base zit is dan ook gemethyleerd.
, De methylgroepen zitten dicht bij elkaar. Eiwitten kunnen zo goed aan deze methylgroepen
binden en herkennen vaak ook die volgorde van nucleotiden.
Maintenance DNA methyltransferases herkennen DNA met methylgroepen. Deze
transferases zijn vooral actief bij DNA replicatie. Herkennen dan de methylgroepen op de
originele streng, waardoor de streng die daarop gesynthetiseerd zitten ook worden
gemethyleerd mits er genoeg SAM is. SAM zit in vitamines en kan je binnenkrijgen via je
voeding, dus als je die niet binnen krijgt worden de methylgroepen niet doorgegeven bij DNA
replicatie. Hierdoor kan later epigenetisch verschil ontstaan.
De novo DNA methyltransferases herkennen DNA zonder methylgroepen. Deze kunnen dus
DNA methyleren zonder dat er een methylgroep al in de buurt zit. Dit gebeurt tijdens de
ontwikkeling in somatische cellen.
De meeste ongemethyleerde C-base naast G-base worden gevonden in de zogenaamde
CpG eilanden. Deze zitten vaak aan de 5’ kanten van genen en zorgen vaak voor de
transcriptie start site. Deze vervangen dan de TATA box. De meeste promoters bevatten
juist de CpG eilanden in plaats van de TATA box. De meeste gemethyleerde CGs worden
gevonden buiten deze eilanden.
DNA methylatie kan ook leiden tot kanker, door bijvoorbeeld de inactivatie van tumor
suppressor genen. De methylatie van CGs in promotors kan namelijk leiden tot gen
silencing. Bij de methylatie kunnen dan of transcriptiefactoren niet binden of er worden
bepaalde methyl binding domain eiwitten gebonden die HDACs aantrekken die de
chromatine in een inactieve staat brengen. Als de gecodeerde sequenties in plaats van de
EPIGENETICA
Kanker wordt veroorzaakt door het verlies in controle over cellen. Dit wordt vaak genetisch
veroorzaakt en veelal ook epigenetisch. Oorzaken:
- Mutaties in gene die zorgen voor celdeling en zijn controle en genen belangrijk voor
DNA schade reparatie (oncogenen en tumor suppressor genen).
- DNA en chromosoom rearrangements: deleties, inserties etc.
- Afwijkende genexpressie: deze worden genetisch of epigenetisch bepaald.
Controle van het genoom gebeurt door genregulatie en regulatie van de niet-gen regio’s,
oftewel junk DNA. Door genregulatie te controleren ontstaan er verschillende type cellen
door differentiatie, ontwikkeling en homeostase. Vaak is de controle op transcriptie level. Dit
zegt iets over of RNA wordt gesynthetiseerd. Daarnaast heb je ook post-transcriptionele
regulatie.
Epigenetische informatie
1. Je hebt DNA-geassocieerde eiwitten:
- Histonen om nucleosomen te vormen.
- Histon varianten.
- Transcriptiefactoren: binden direct en indirect aan DNA.
- Chromatine remodeling complexen.
- Euchromatine.
- Heterochromatine
2. Chemische modificaties van eiwitten door histonen of transcriptiefactoren.
3. Chemische modificaties van DNA: methylatie of andere modificaties.
Een nucleosoom bestaat uit 8 histoneiwitten: H2A, H2B, H3 en H4 die allemaal twee keer
voorkomen. H1 komt ook nog voor in een gecondenseerde chromatine. Verder zijn er
varianten van H3 en H2A die op specifieke gebieden in het genoom voorkomen.
Bijvoorbeeld in getranscribeerde genen wordt H3 vervangen door H3.3, in het nucleosoom
rond transcriptie start site wordt H2A vervangen door H2A.Z en in het centromeer wordt H3
vervangen door CENP-A.
Het histon complex werkt remmend op de transcriptie van genen. Via veranderingen in het
complex kan transcriptie gereguleerd worden. Hierbij worden de signalen voor het ‘aan- en
,uitzetten’ van genen vertaald in chemische modificaties van de histon-eiwitten die op hun
beurt de enzymen aantrekken of afweren die betrokken zijn bij transcriptie of suppressie van
de genen.
Transcriptieregulatie gaat dus om:
- Aantrekken van de transcriptie machine naar de promotor.
- Core promoter: general transcriptie factoren.
- Cis-acting elements: bepaalde base volgorde waar transcriptiefactoren aan DNA
binden (enhancers, silencers, response elements etc).
- Nucleosoom/histon modificaties.
- Chromatine remodelling.
Histonstaarten steken uit het nucleosoom en zijn daardoor belangrijk voor
post-translationele modificatie. Dit is een moleculaire manier om genexpressie
te sturen/controleren. Je hebt verschillende chemische modificaties van de
histonstaarten die mogelijk zijn:
1. Acetylering van lysines in histonen: acetylgroep wordt gebonden aan
een lysine met behulp van histon acetyltransferase (HAT). Dezelfde
acetylgroep kan er weer vanaf worden gehaald door histon deacetylase
(HDAC).
2. Methylering van lysines in histonen: methylgroep wordt gebonden aan een lysine met
behulp van KMTs. Deze kan er weer vanaf worden gehaald door HDMase. Er
kunnen meerdere methylgroepen aan dezelfde lysine worden gebonden.
Een aantal histonmodificaties en hun consequenties:
, 1. Actieve genen:
- Geacetyleerde H4K5, H4K8, H4K12 en H4K16.
- Geacetyleerde H3K9
- Gemethyleerde H3K4
Deze genen zijn dus altijd geassocieerd met deze histonen en enhancers.
2. Inactieve genen:
- Ongeacetyleerde histonen
- Ongemethyleerde H3K4
- Gemethyleerde H3K9
- Gemethyleerde H3K27
Deze genen zijn dus altijd geassocieerd met deze histonen.
Je hebt een paar begrippen die belangrijk zijn bij epigenetica:
Writers: enzymen die modificaties aanbrengen.
Erasers: enzymen die modificaties verwijderen.
Readers: eiwitten die de gemodificeerde histonen op een specifieke manier herkennen die
vervolgens andere processen opstarten.
Deze eiwitten weten wanneer ze actief moeten zijn door een bepaalde basenvolgorde in het
DNA (bindingsplaats voor transcriptiefactor), het herkennen van de aan DNA gebonden
transcriptiefactor en mogelijk ook herkenning van de histonmodificaties.
Genregulatie wordt beïnvloed door de general en de specifieke transcriptiefactoren. Als deze
zijn gebonden kunnen ze een aantal eiwitten aantrekken: histon modificerend enzym zoals
acetyl/methyltransferases, chromatine remodelling complexen, transcriptie elongation
complexen of andere general transcriptiefactoren.
Bij epigenetica is genexpressie afhankelijk van chemische modificaties belangrijk. Dit houdt
in structuur van een chromatine die door bepaalde modificaties kan worden aangepast zoals
hierboven besproken.
Naast de modificatie van histonstaarten kan ook het DNA gemodificeerd worden:
DNA methylering: de C-base wordt een methylgroep aan gebonden met behulp van een
methyldonor. SAM is een belangrijke methyldonor. Gemethyleerde C-basen worden meestal
gevonden naast G-basen. De C-base die tegenover die G-base zit is dan ook gemethyleerd.
, De methylgroepen zitten dicht bij elkaar. Eiwitten kunnen zo goed aan deze methylgroepen
binden en herkennen vaak ook die volgorde van nucleotiden.
Maintenance DNA methyltransferases herkennen DNA met methylgroepen. Deze
transferases zijn vooral actief bij DNA replicatie. Herkennen dan de methylgroepen op de
originele streng, waardoor de streng die daarop gesynthetiseerd zitten ook worden
gemethyleerd mits er genoeg SAM is. SAM zit in vitamines en kan je binnenkrijgen via je
voeding, dus als je die niet binnen krijgt worden de methylgroepen niet doorgegeven bij DNA
replicatie. Hierdoor kan later epigenetisch verschil ontstaan.
De novo DNA methyltransferases herkennen DNA zonder methylgroepen. Deze kunnen dus
DNA methyleren zonder dat er een methylgroep al in de buurt zit. Dit gebeurt tijdens de
ontwikkeling in somatische cellen.
De meeste ongemethyleerde C-base naast G-base worden gevonden in de zogenaamde
CpG eilanden. Deze zitten vaak aan de 5’ kanten van genen en zorgen vaak voor de
transcriptie start site. Deze vervangen dan de TATA box. De meeste promoters bevatten
juist de CpG eilanden in plaats van de TATA box. De meeste gemethyleerde CGs worden
gevonden buiten deze eilanden.
DNA methylatie kan ook leiden tot kanker, door bijvoorbeeld de inactivatie van tumor
suppressor genen. De methylatie van CGs in promotors kan namelijk leiden tot gen
silencing. Bij de methylatie kunnen dan of transcriptiefactoren niet binden of er worden
bepaalde methyl binding domain eiwitten gebonden die HDACs aantrekken die de
chromatine in een inactieve staat brengen. Als de gecodeerde sequenties in plaats van de
