Epigenetik und Krebs

Humangenetik für Biologen
13. Stunde:
Imprinting / Genetische Prägung
Epigenetik und menschliche Erkrankungen
Prader-Willi-Syndrom
Angelman-Syndrom
Beckwith-Wiedemann Syndrom
Silver-Russell-Syndrom
Epigenetik und Krebs
Ernährung, Epigenetik und Gesundheit
Was ist Epigenetik?
(gr.)
„außerhalb der konventionellen Genetik“
Heute: stabile Veränderungen in der Regulation der Genexpression, die
während der Entwicklung und Zellproliferation entstehen und
festgeschrieben werden
Weitergabe über die Mitosen hinweg: zelluläres Gedächtnis;
Weitergabe über Meiosen hinweg: Erblichkeit epigenetischer
Veränderungen
Waddington (1942): Bereich der Biologie/Genetik, der sich mit der kausalen
Analyse der Embryonalentwicklung beschäftigt (heute
„Entwicklungsgenetik“)
Epigenetische Mechanismen
DNA Methyltransferasen
Histon-Deacetylasen,
Histon-Acetyltransferasen
Histon-Methyltransferasen
Nukleosom-Remodellierungsfaktor
Costa, 2008
Epigenetische Mechanismen
Erblichkeit erworbener Fähigkeiten???
Costa, 2008
Epigenetische Mechanismen - Theorie
Begriffe:
Allel:
verschiedene Formen eines Gens (Polymorphismen, Mutationen)
Epi-Allel:
Verschiedene Formen eines epigenetischen Zustandes eines
Gens; die DNA-Sequenz ist nicht verändert!
Wirkung in trans:
Regulator (i.d.R. Transkriptionsfaktor, aber auch RNA) und
Zielgen liegen auf verschiedenen Chromosomen
Wirkung in cis:
Regulator (i.d.R. Transkriptionsfaktor, aber auch RNA) und
Zielgen liegen auf demselben Chromosomen
(cis/trans-Definition ist allgemeingültig und unabhängig von Epigenetik)
Epigenetische Mechanismen - Theorie
Bonasio et al., 2010
Signal wird bei der Replikation weitergegeben
Epigenetische Mechanismen - Theorie
Methylierung:
Histon-assoziierte Signale
Bindung von EED an H3K27me3
(Flag) stimuliert Histonmethylase
Chromatin-Domänen
Bonasio et al., 2010
Synthese von sRNA während der S-Phase
zur Aufrechterhaltung des Heterochromatins
sRNA
Epigenetische Mechanismen – Theorie
Verschiedene Möglichkeiten der Wirkung von sRNA
RBP: RNA-bindendes Protein
RNAPII: RNA-Polymerase II
A: hypothetisches Adaptor Molekül
Bonasio et al., 2010
CMC: Chromatin-modifizierender Komplex
1. Stabile Methylierung bei der DNA-Replikation
Schwarz: methylierte CpG-Dinukleotide
Weiß: nicht-methylierte CpG-Dinukleotide
DNMT1: DNA-Methyltransferase 1:
methyliert die CpG-Dinukleotide, die im Gegenstrang methyliert sind
(hemimethylierte Stellen)
Inaktive DNMT1 führt zu „passiver Demethylierung“ -> Gewebespezifität!
Waterland & Michels, 2007
DNA-Methylierung
1. Aufrechterhalten der Methylierung
über Mitosen hinweg
Passarge 2008
DNA-Methylierung
2. de-novo Methylierung
Nachweis der Methylierung
Passarge 2008
Ursprung der Methylierung ?
Schwarz: methylierte
CpG-Dinukleotide
Weiß: nicht-methylierte
CpG-Dinukleotide
Embryo:
DNMT3A, DNMT3L:
Gametenspezifische
Methylierung von DMRs
Waterland & Michels, 2007
Und Ernährung…:
Nahrungseinschränkung
bei trächtigen Ratten
induziert
Hypomethylierung des
Promotors des
Glucocorticoid-RezeptorGens
2. Histon-Modifikation
Passarge, 2008
Chromatin-Remodeling als Konsequenz der HistonModifikation
Passarge, 2008
Histon-Modifikationen (z.B. H3)
Ausgangspunkt:
DNA-Methylierung
HDAC:
Histon-Deacetylasen
Delage & Dashwood, 2008
Zusammenwirkung: Stabile Hemmung der Genexpression
durch DNA-Methylierung und Histon-Deacetylierung
DNMT: DNA-Methyltransferase 1
Ziel: Cytosin (Pos. 5); bes. in CpGInseln oder CNG-Repearts
Histon 3: Lys 9
MBP: Methyl-binding domain protein
Muster bleibt über die Zellteilung erhalten!
Lande-Diner & Cedar, NRG 6, 2005, 648-654; Box 2
Histon-Modifikationen
Aktivierung von Genen durch Histon-Modifikationen
HAT: Histon-AcetylTransferase
HP: Histon-Bindeprotein
Delage & Dashwood, 2008
Genetische Prägung/Imprinting: Histon-Modifikationen
Enzyme zur De-Methylierung von Histonen
Enzym
Spezifität
LSD1
H3K4me2, me1, H3K9me2
Lid /Drosophila)
H3K4me3
JARID1A, -IB, -IC
H3K4me3, me2
UTX, JMJD3
H3K27me3, me2
JHDM1
H3K36me2, me1
JHDM2
H3K9me2, me1
JHDM3
H3K9 and K36me2, me1
Bhaumik et al., 2007
Zusammenfassung
Su et al., 2010
MBD: Methyl-bindendes Protein
Was ist genetische Prägung (imprinting)?
Eine geringe Anzahl von Genen (in der Maus ~84) wird in Abhängigkeit von
der elterlichen Herkunft unterschiedlich exprimiert.
Ergebnis: Ungleichgewicht zweier Allele und Verletzung der Mendel‘schen
Regeln
Mechanismus: Methylierung der DNA
Histonmodifikation
anti-sense Transkripte
menschliche Erkrankungen
http://www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting/gen-map.html
Genetische Prägung/Imprinting: Balance nötig
Entfernung des
weiblichen Vorkerns:
Entfernung des
männlichen Vorkerns:
Passarge 2008
Genetische Prägung/Imprinting: Lebenszyklus
PGCs: primordial germ cells
Sha, 2008
Vorläuferkeimzellen
Genomische Prägung: Löschen und geschlechtspezifisch neu etablieren
Abb. 10.25
Genetische Prägung/Imprinting: Reprogrammierung
Passarge 2008
Genetische Prägung/Imprinting: Reprogrammierung
In Vorläuferkeimzellen:
Methylierung
hoch
Im Embryo:
niedrig
(vor der Implantation)
Väterliches Genom aktiv
demethyliert,
Methylierte Imprinting-Gene
werden nicht demethyliert !!!
(------)
nicht methylierte ImprintingGene werden nicht methyliert
Methylierung
hoch
mütterliches Genom passiv
demethyliert (DNA-Replikation)
niedrig
Reik et al, 2001
Genetische Prägung/Imprinting
Wichtige Phasen epigenetischer Modifikationen
1. Entwicklung der Keimzellen
2. Präimplantationsphase
des Embryos
Morula
HAT: Histon-AcetylTransferase
HP: Histon-Bindeprotein
Delage & Dashwood, 2008
Evolution genetischer Prägung
Hore et al., 2007
Genetische Prägung/Imprinting:
“Kampf der Geschlechter im Genom” ?
Funktion von Igfr2:
Expression in der Plazenta,
Hemmung des embryonalen Wachstums
Evolution von Igfr2:
Ursprünglich Mannose-6-Phosphat-Rezeptor,
bei Beuteltieren und Säugern mit Plazenta: Bindung von Igf
(nicht bei Vögeln, Fröschen und Kloakentieren)
Mögliche Erklärung:
Schutz der Mutter vor zu starker Nutzung der Ressourcen durch
den Embryo
Bedeutung der genomischen Prägung
Maternales Gen methyliert =
still, nur paternales Gen aktiv
Maternale Expression einer
anti-sense RNA -> Hemmung
paternaler Expression
Ähnlich:
Wirkung auf mehrere Gene
Reik et al, 2001
Genetische Prägung/Imprinting: Beispiel Igf2/H19-Genort
DMR: differentially methylated region; ICR: imprinting control region
Maternal (unmethyliert): Transkriptionsfaktor CTCF bindet an
Insulator und die Enhancer-Wirkung (enh) wird von Igf2 auf H19
„umgeleitet“ (Igf2 wird nicht aktiviert)
Paternal (methyliert): Transkriptionsfaktor CTCF kann nicht binden,
der Enhancer (enh) aktiviert Igf2 und H19 bleibt abgeschaltet
Sha, 2008
H19: nicht-codierende RNA
Exkurs: Rolle von Insulatoren
Insulatoren trennen bzw. verbinden
benachbarte DNA-Bereiche.
Insulatoren können auf der Basis der DNABindung reguliert werden.
Die verschiedenen Modifikationen können
positive oder negative Wirkungen haben.
Die Modifikationen können gewebespezifisch erfolgen.
Transgene Insulatoren bewirken Imprinting
Bushey et al., 2008
in den Regionen der Insertion.
Genetische Prägung/Imprinting:
Mutationen in Imprinting-Regionen
Wildtyp:
Expression des paternalen Igf2-Alleles
und des maternalen H19 Allels
H1913:
Biallele Expression von Igf2 (bei
maternalem Erbgang)
Phänotyp: Größenzunahme
Pfeifer, 2000
Deletion von DMR:
Biallele Expression von H19 (bei
paternalem Erbgang)
Phänotyp? Wie Wildtyp?
((weitere Beispiele bei Pfeifer, 2000))
Beispiele für geprägte menschliche Gene
Gen und Lokalisation
exprimiertes
Allel stammt
Unterschiede im Expressionsmuster
IGF-2 (insulinartiger
Wachstumsfaktor
Typ 2; 11p15)
vom Vater
in vielen Geweben geprägt; in der Leber
biallele Expression
PEG1/MEST
vom Vater
geprägt im embryonalen Gewebe, beide
Allele im Blut von Erwachsenen
UBE3A (UbiquitinProteingliase 3)
von der Mutter
geprägt nur im Gehirn, sonst biallelische
Expression
KCNQT1 (Kaliumkanal)
von der Mutter
geprägt in verschiedenen Geweben;
Expression von beiden Allelen im Herz
WT1 (Wilms-Tumor)
von der Mutter
biallele Expression in der Niere, in
Placenta- und Hirngewebe geprägt
Strachan & Read (3), Tab. 10.7
Genomische Prägung (Genetic imprinting)
Erbkrankheiten als Folge möglicher genomischer Prägung
Prader-Willi-Syndrom
mentale Retardierung, Fettsucht,Wachstumsstörung
beide Chromosomen 15 maternalen Ursprungs
Angelman-Syndrom
mentale & motorische Retardierung, puppenartige
Bewegung, exzessives Lachen, auffäll. EEG
Deletionen einiger Sequenzen auf dem maternalen
Chromosom 15
Rhabdosarkom,
Osteosarkom,
Wilms-Tumor
Krebserkrankungen
Inaktivierung von Genen durch Prägung des einen
und Mutation des anderen Alleles
Beckwith-Wiedemann-Syndrom
Riesenwuchs, Riesenzunge, Krebsdisposition.
Inaktivierung des nichtbetroffenen
mütterlichen Allels durch Genprägung führt zu
frühzeitiger Expression des defekten väterlichen
Allels
Kaufmann, Tab. 4.10
Beispiel: Prader-Willi/Angelman Syndrom
Prader-Willi: Muskelhypotonie, Minderwuchs, geistige Retardierung
~6 MB-Deletion auf Chr. 15 mit väterlichem Erbgang
Angelman:
geistige Retardierung, Sprachentwicklungsstörung,
Gesichtsdysmorphologie
große Deletionen Chr. 15 mit maternalem Erbgang
Passarge 321a
Modell für genomische Prägung: Prader-Willi/Angelman Syndrom
gesund
Beide Chromosomen(abschnitte)
vom gleichen Elternteil
Ursache:
Deletionen während der
Oogenese und anschließende
“Fehlreparatur”
Passarge 321e
Prader-Willi/Angelman Syndrom: Genregion Chr. 15q11-q13
Horsthemke & Wagstaff, 2008
Prader-Willi/Angelman Syndrom: Deletionen in Genregion Chr. 15q11-q13
SRO: shortest region of overlap
Horsthemke & Wagstaff, 2008
Löschen und Etablieren der genetischen Prägung der PWS/AS – Region
Modell:
Nur maternal
methyliert
Struktur anfällig
für Deletion?
Horsthemke & Wagstaff, 2008
Modell zur Wirkung des Prägungs-Zentrums in der PWS-AS-Region
Paternal: aktives, unmethyliertes PWS-SRO
Aktiviert downstream
Gene und hemmt UBE3A
Maternal: Inaktiver
Zustand der Gene als
„Standardeinstellung“
SRO:
Paternales Fehlen ->
keine Aktivierung
Maternales Fehlen:
Horsthemke & Wagstaff, 2008
Aktivierung durch PWSSRO, keine Hemmung
durch AS-SRO
Mögliche Fehler bei genetischer Prägungs (in der PWS-AS-Region)
Horsthemke & Wagstaff, 2008
2. Beckwith-Wiedemann-Syndrom vs. Silver-Russel Syndrom
Beckwith-Wiedemann-Syndrom
Silver-Russel-Syndrom
Riesenwuchs, Riesenzunge,
neonatale Hypoglykämie
proportionierter Minderwuchs (alle
Körperregionen gleichmäßig kleiner)
Krebsdisposition.
Kleines, dreieckiges Gesicht
Geistige Entwicklung oft unauffällig
Mentale Retardierung
Häufigkeit: sporadisch (aber durch
neue Tests öfter erkannt: 1:13.700)
Häufigkeit: selten
10-15% autosomal-dominant
Mütterliche Transmission
Chr. 11p15
Achtung
Künstliche Befruchtung scheint
das Risiko für BWS zu erhöhen !
(Weksberg et al., 2005)
Schaaf & Zschocke, 2008
Erbgang: dominant, manchmal
rezessiv
Chromosomale Lokalisierung lange
unklar (Chr. 7, 11, 17)
Jetzt: Chr. 11p15
2. Beckwith-Wiedemann-Syndrom:
Molekulare Untergruppen
DMR: differentially regulated region
Molekulare Heterogenität reflektiert klinische Heterogenität
Weksberg et al., 2005
Beckwith-Wiedemann-Syndrom: Imprinting an Chr. 11p15 (1)
KCNQ1: K+-Kanal
KCNQ10T1: anti-sense
RNA dazu
CDKN1C: p57KIP2
DMR: differentially
methylated region
Weksberg et al., 2005
Beckwith-Wiedemann-Syndrom: Imprinting an Chr. 11p15 (2)
Wildtyp:
DMR2 mat-met
Weksberg et al., 2005
DMR1 pat-met
2. Beckwith-Wiedemann-Syndrom vs. Silver-Russel Syndrom
Beckwith Wiedemann
SRS: keine
Methylierung
in DMR1/ICR1
Eggermann et al., 2008
2. Silver-Russel Syndrom: Wechselwirkung zw. Chr. 7, 11, 15
Beckwith Wiedemann
IGF2 Expression in SRS stillgelegt
Bindeproteine (BP) frei
Konsequenzen für Signalketten
über IGF-Rezeptoren 1 und 2
Und über das Protein 10, gebunden
an Wachstumsfaktor-Rezeptoren
(GRB10)
Hinweis auf frühere Probleme mit
chromosomaler Lokalisation ?
Genetische Heterogenität?
Eggermann et al., 2008
3.Epigenetik
Epigenetikund
undKrebs
Krebs
Krebs: Veränderungen in Methylierungsmuster häufig:
1. CpG-Inseln in Promotoren und 1. Exons von
Tumorsuppressor-Genen häufig hypermethyliert
2. Verlust der regulatorischen Funktion in Zellzyklus, DNAReparatur, Hemmung der Gefäßbildung und MetastaseUnterdrückung
3.Epigenetik
Epigenetikund
undKrebs
Krebs
Esteller, 2008
3.Epigenetik
Epigenetikund
undKrebs
Krebs
Wirkungen auf Chromatin-Strukturen
Esteller, 2008
Krebs
3. Epigenetik Epigenetik
und Krebs:und
Mendel’scher
Erbgang
methyliert
methyliert
Formal: 2 Gene !!!
Fleming et al., 2008
Epigenetik
und Krebs
3. Epigenetik und
Krebs: Nicht-Mendel’scher
Erbgang
Hypothetisch !
Paramutation:
Experimentelle Hinweise in Pflanzen
Wechselwirkung zweier
homologer Allele;
stabile Veränderung der
Genexpression in der
nächsten Generation
In Mäusen: metastabile Alele als
Ergebnis von Transposon-Insertionen
Bei Menschen jetzt auch bekannt
(Waterland et al., Dez. 2010)
Abschwächung
möglich
Fleming et al., 2008
Epigenetik
und Krebs
Beispiel
einer Paramutation
Phänotyp:
weißer Schwanz und weiße
Pfoten
Ursache:
Anomale RNA in den
Testes, die offensichtlich in
die Zygote übertragen wird !
Verbindung zu RNAi ?
Legende:
P Paramutagenes Allel
p Wildtyp-Allel
p* paramutiertes Allel
Ashe & Whitelaw, 2006
Epigenetik
und Krebs
Ausblick:
Epigenetische Erblichkeit von Reaktionen auf die Umwelt?
Behandlung der Mutter mit Diethylstilböstrol
Fleming et al., 2008
Epigenetik
und Krebs
Ausblick:
Epigenetische Erblichkeit von Reaktionen auf die Umwelt?
Vorsicht vor Artefakten !!!
Einige Mausstämme zeigen im Alter graue Haare; das Merkmal wird von Müttern auf die
Nachkommen übertragen – aber nicht bei einem Kaiserschnitt! Ursache: ein Virus !!
Whitelaw & Whitelaw., 2008
Genetische Prägung/Imprinting:
Einfluss der Ernährung auf
Genexpression bei Mäusen:
der agouti-Locus
Nahrungsergänzung vor der
Verpaarung, während der Trächtigkeit
und der Stillzeit mit Methyl-Donatoren
wie Folsäure, Cholin, Vitamin B12,
Betain
Konsequenz:
IAP-Promotor stärker methyliert
-> agouti Expression vermindert
-> Verschiebung der Fellfarbe von
gelb nach braun
(IAP: Intracisternal A particle =
Transposon)
Änderung des Phänotyps ohne
Änderung des Genotyps
Jirtle & Skinner, 2007
Genetische Prägung/Imprinting:
Biochemie der Methyl-Donatoren
Delage & Dashwood, 2008
BHMT: Betain-Homocystein
CS: Cystathionin-Synthase
MAT: Methionin-SAdenosyltransferase
MS: Methionin Synthase
SAAH: S-Adenosyl-L-Homocystein-Hydrolase
Genetische Prägung/Imprinting:
Umwelteinfluss: Regenzeit (veränderte Ernährung; erhöhte
Methylierung bei Nachkommen)
Erster derartiger Effekt bei Menschen!
Unabhängig von Jahreszeit: an diesen Genorten können
monozygote Zwillinge unterschiedlich
sein!
BHMT: Betain-Homocystein
Waterland et al., 2010