DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation
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DNA-Methylierung, Chromatinmodifikation und epigenetisches Gedächtnis Transkriptionelle Regulation SS2005 Anyess von Bock DNA-Methylierung, Chromatinmodifikation und epigenetisches Gedächtnis DNA methylation and chromatin modification Huck-Hui Ng, Adrian Bird Current Opinion in Genetics & Development 1999 DNA methylation patterns and epigentic memory Adrian Bird Genes & Development 2002 Übersicht Einleitung Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung Die Rolle von MeCP2 DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation DNA-Methylierungsmuster Epigenetisches Gedächtnis Schlussfolgerungen Einleitung Das Spektrum der Genaktivität einer Zelle wird nicht allein durch die Arten der vorhandenen Transkriptionsfaktoren bestimmt DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation sind ebenfalls Mechanismen, die die Genexpression regulieren Einleitung In Vertebraten sind 60-90% aller CpGs methyliert Ein Großteil der nicht-methylierten CpGs finden sich in CpG islands Schätzungsweise 60% der menschlichen Gene sind mit CpG islands assoziiert Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung Viele Studien haben gezeigt, dass DNA-Methylierung Geninaktivierung zur Folge hat Aber: Es werden nur Promotoren methyliert, die bereits inaktiviert sind; DNA-Methylierung erfolgt nicht bei aktiven Promotoren Methylierung ist nicht zwingend notwendig für eine Inaktivierung, sie ist ein sekundäres Ereignis. Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung Warum Gene methylieren, die bereits still sind? Um sie unwiderruflich still zu machen Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung CpG islands können unmethyliert bleiben, auch wenn das zugehörige Gen still ist Ein geringer aber signifikanter Anteil der CpG islands wird während der Entwicklung methyliert, woraufhin die Inaktivierung des zugehörigen Promotors stabil ist Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung DNA-Methylierung und Histondeacetylierung könnten über einen gemeinsamen Signalweg arbeiten um Transkription zu inaktivieren Erkenntnisse und Vermutungen zur DNAMethylierung Acetylierung (bzw. Inhibition der Deacetylierung) von Histonen kann dazu führen, dass methylierte DNA wieder exprimiert wird Aber: Es gibt einige Studien, bei denen dies nicht gezeigt werden konnte Die Rolle von MeCP2 Eine mögliche mechanistische Erklärung für die Beziehung zwischen DNA-Methylierung und Chromatinstruktur: MeCP2 (Protein, das an methyliertes CpG bindet) interagiert mit Sin3/Histondeacetylase Co-repressor Komplex Quelle: www3.vghtc.gov.tw:8082/ ped/rett/rett.htm Die Rolle von MeCP2 mSin3 Co-repressor Komplex: Inhibiert Transkription durch Veränderung der Chromatinstruktur Der Multiproteinkomplex beinhaltet Histondeacetylasen Benötigt spezifische DNA-bindende Proteine um die Histondeacetylasen zum Chromatin zu bringen Quelle: www3.vghtc.gov.tw:8082/ ped/rett/rett.htm Die Rolle von MeCP2 MeCP2 (chromosomales Protein): Bindet über methyl-CpG Bindedomäne an methylierte DNA Unterdrückung der Transkription Region von MeCP2 bindet Komponenten des mSin3 Co-repressor Komplexes Quelle: www3.vghtc.gov.tw:8082/ ped/rett/rett.htm Repression der Transkription durch DNA-Methylierung Zwei Möglichkeiten, die beide biologisch relevant sein dürften: 1) Methylgruppe verhindert, dass Transkriptionsfaktoren an die spezifischen DNASequenzen binden können Repression der Transkription durch DNA-Methylierung Zwei Möglichkeiten, die beide biologisch relevant sein dürften: 2) Proteine mit methyl-CpG Bindedomäne (ähnlich wie bei MeCP2) wirken als Transkriptionsrepressoren DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation Wie kann inaktivierte methylierte nucleosomale DNA wieder aktiviert werden? DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation Wie kann inaktivierte methylierte nucleosomale DNA wieder aktiviert werden? a) über Histonacetylierung b) Über DNADemethylierung DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation Wie kann inaktivierte methylierte nucleosomale DNA wieder aktiviert werden? a) über Histonacetylierung b) Über DNADemethylierung (welche Histonacetylierung zur Folge hat) DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation Schlussfolgerungen (Teil I): - Geninaktivierung durch DNA-Methylierung involviert Histondeacetylierung - Möglicher molekularer Mechanismus der Transkriptionsrepression: Assoziation von MeCP2 und Multiproteinkomplex der Histone deacetylieren kann DNA-Methylierungsmuster 1) Mechanismen um DNA-Methylierungsmuster dauerhaft zu erhalten 2) Mechanismen und Konsequenzen des Methylierungs-Erwerbs DNA-Methylierungsmuster „Erhalt von Methylierung“ beschreibt den Prozess der Reproduktion von DNAMethylierungsmustern zwischen Zellgenerationen DNA-Methylierungsmuster „Erhalt von Methylierung“ beschreibt den Prozess der Reproduktion von DNA-Methylierungs Mustern zwischen Zellgenerationen Einfachster Mechanismus wäre semi-konservatives Kopieren des Methylierungsmusters von parentalem Strang auf den neureplizierten DNA-Methylierungsmuster „Erhalt von Methylierung“ beschreibt den Prozess der Reproduktion von DNA-Methylierungsmustern zwischen Zellgenerationen Einfachster Mechanismus wäre semi-konservatives Kopieren des Methylierungsmusters von parentalem Strang auf den neureplizierten funktioniert auf Dauer nicht sehr präzise DNA-Methylierungsmuster „Erhalt von Methylierung“ beschreibt den Prozess der Reproduktion von DNA-Methylierungsmustern zwischen Zellgenerationen Methylierungsmuster werden nicht für jedes einzelne CpG-Nukleotid weitergegeben Aber der generelle Methylierungsstatus einer DNADomäne wird während der Entwicklung immer weitergegeben DNA-Methylierungsmuster 1) Mechanismen um DNA-Methylierungsmuster dauerhaft zu erhalten 2) Mechanismen und Konsequenzen des Methylierungs-Erwerbs DNA-Methylierungsmuster De novo Methylierung geschieht am häufigsten in früh-embryonischen Zellen Wodurch wird bestimmt, welche Genomregionen methyliert werden? Hypothese: durch Zufall??? DNA-Methylierungsmuster Wodurch wird bestimmt, welche Genomregionen methyliert werden? (durch Zufall???) Es gibt Faktoren, die Methylasen den Zugang zu spezialisierten chromosomalen Regionen ermöglichen Da Selektivität gezeigt weden konnte, kann daraus geschlossen werden, dass de novo Methylierung nicht zufällig passiert DNA-Methylierungsmuster Wodurch wird bestimmt, welche Genomregionen methyliert werden? Weitere Hypothese: Die DNA-Methylierungsmaschinerie wird von bestimmten DNA Sequenzen angezogen DNA-Methylierungsmuster Transkriptionsaktivität verhindert DNAMethylierung unmethylierte CpG islands könnten “footprints” embryonischer Promotoraktivität sein DNA-Methylierungsmuster rot: methyliert gelb: unmethyliert Hypothetische Verknüpfung von embryonaler Transkriptionsaktivität und dem DNA-Methylierungsstatus Epigenetisches Gedächtnis Veränderungen in der Genfunktion während der Entwicklung, die keine Mutationen sind, werden „epigenetische“ Mechanismen genannt Gängige Definition für „epigenetisch“: Die Untersuchung von mitotischen und/oder meiotischen vererbbaren Veränderungen der Genfunktion, die nicht durch Veränderungen in der DNA-Sequenz erklärt werden können (Russo et al. 1996) Epigenetisches Gedächtnis Zwei Systeme, die die Tierentwicklung beeinflussen und das Kriterium der Vererbbarkeit erfüllen: - DNA-Methylierung - Polycomb-trithorax (Pc-G/trx) Proteinkomplexe (Histonmodifizierung hat einige Attribute eines epigenetischen Prozesses aber der Sachverhalt der Vererbbarkeit ist noch nicht gelöst) Epigenetisches Gedächtnis Polycomb-trithorax (Pc-G/trx) Proteinkomplexe: weiteres System für ein zelluläres Gedächtnis Multiproteinkomplex zielt auf spezifische Genomregion, wo es den embryonischen Expressionsstatus eines Gens “einfriert” (egal ob es aktiv oder inaktiv ist) und diesen Status über die gesamte Entwicklung stabil hält Es exisitiert ein Zeitfenster, während dem ein Transkriptionsmuster in das “Entwicklungsgedächtnis” übertragen werden kann Epigenetisches Gedächtnis Was haben beide Systeme (DNA-Methylierung und Pc-G/trx) gemeinsam? -Beide können Transkription in einer vererbbaren Art und Weise unterdrücken -Beide setzen einen Transkriptionsstatus fest, den sie nicht selbst erzeugt haben - Beide werden vor allem während eines Zeitfensters in der frühen Entwicklung aktiviert Schlussfolgerungen Verständnis von der Beziehung zwischen DNAMethylierung und Transkriptionskontrolle wächst schnell, ist aber noch lange nicht vollständig Wenig verstanden ist, wie die Methylierungsmuster generiert werden Schlussfolgerungen Möglicherweise ist die primäre Funktion von de novo DNA-Methylierung die Speicherung von Mustern embryonischer Genaktivität. (durch 1. Bildung von CpG islands die transkriptionsaktiv sind oder 2. Bildung methylierter transkriptionsinaktiver Regionen) Methylierung inaktiviert keine aktiv transkribierten Gene, sie betrifft nur Gene die bereits durch andere Mechanismen inaktiviert wurden DNA-Methylierung und das Pc-G/trx System sind Mechanismen für ein zelluläres Gedächtnis Schlussfolgerungen Rückblick: Schlussfolgerungen (Teil I): Geninaktivierung durch DNA-Methylierung involviert Histondeacetylierung Möglicher molekularer Mechanismus der Repression der Transkription: Assoziation von MeCP2 und Multiproteinkomplex der Histone deacetylieren kann Danke für Eure Aufmerksamkeit!
