28.1

28. přehled epigenetických regulačních mechanizmů

Epigenetika

            Epigenetické modifikace histonů – histony mohou být na několika pozicích aminokyselin specificky modifikovány různými způsoby. Jedná se o malé kovalentní modifikace řady aminokyselin jaderných histonů jako je acetylace, metylace, fosforylace, sumoylace, ubikvitinace atd., které jsou pro genovou expresi klíčové, neboť zásadně ovlivňují strukturu, a především funkce genomu. Kombinace těchto modifikací utváří „histonový kód“, který je čten dalšími proteiny. Histonové modifikace se uplatňují například při regulaci genové exprese, opravě DNA, kondenzaci chromatinu a dalších důležitých biologických procesech.

            Metylace a demetylace DNA – metylace DNA se významně podílí na celé řadě důležitých procesů jako je inaktivace chromozomu X a genomický imprinting, a v neposlední řadě také na regulaci genové exprese, kterou ovlivňuje dvěma způsoby. Jednak přímo brání transkripčním faktorům rozpoznat sekvenci DNA, a potom také přitahuje proteiny vážící se na metylovanou DNA – MBD proteiny (např. protein MeCp2). MBD proteiny obsahují vazebná místa pro korepresory a ty inaktivují chromatin okolo genu. Výsledkem je tedy utlumení genů, což potvrzuje těsný vztah mezi metylací DNA a strukturou chromatinu. Na metylovanou DNA se připojují proteiny, které přitahují histonové deacetylázy a tím kondenzují a udržují chromatin v neaktivním stavu. Metylace histonů ani metylace DNA nejsou nevratné procesy naopak, krom aktivní demetylace hraje v tvorbě metylačního profilu významnou roli i demetylace pasivní. Jeden z možných mechanizmů demetylace DNA zahrnuje enzym glykosylázu, který rozpoznává metylovanou CpG oblast a štěpí vazbu mezi metylovaným cytosinem a deoxyribózou. Druhý z mechanismů může být přímé odnětí metylové skupiny z DNA. Za spuštění aktivní demetylace DNA mohou být zodpovědné stejné enzymy, které zajišťují její metylaci.

            Imprinting – lidé coby diploidní organismy nesou v genetické výbavě svých buněkdvě odpovídající sady chromozomů, jednu od otce, druhou od matky. Genomický imprinting je proces, v jehož důsledku je aktivita určitého genu omezena na jeden chromozom v závislosti na tom, od kterého rodiče byl zděděn.

Pohlaví rodiče – ve většině případů genomický imprinting znamená, že pouze maternální nebo paternální alela je exprimována (je aktivní), kdežto druhá je utlumena. Genomický imprinting se realizuje stejně u potomků obou pohlaví, tzn. že gen aktivní jen na maternálních chromozomech bude utlumen na paternálních chromozomech u všech dcer i synů.

Imprinting control region – většinou se tyto geny nenacházejí izolovaně, ale naopak se shlukují a je tak možné identifikovat celé chromozomální oblasti s imprintovanými geny. Zde nacházíme zásadní strukturu pro samotnou realizaci imprintingu, tzv. ICR (oblast řídící imprinting). ICR jsou přístupné epigenetickým modifikacím a obvykle jedna z rodičovských ICR je metylována.

Samotná DNA může být modifikována tak, že ovlivní transkripci. Například metylace (přidání -CH skupiny) cytosinů v regulační sekvenci potlačuje transkripci. Geny, jejichž regulační sekvence jsou metylovány, jsou umlčeny. Řetězce DNA nejsou v jádře uloženy jen tak volně, ale jsou pečlivě poskládány za pomoci histonů do chromatinové struktury, která může být více rozvolněná, a tak snáze přístupná transkripčním faktorům, nebo naopak více sbalená v místech, kde jsou geny neaktivní. Stav chromatinu tak představuje další způsob regulace aktivity genů. Modifikace histonových proteinů pomocí metylace a acetylace ovlivňují rozvolněnost chromatinu, a tak aktivitu genů v daném místě. Přidání metylové skupiny a odebrání acetylové charakterizuje více sbalený chromatin s potlačenou aktivitou genů, zatímco acetylace chromatin rozvolňuje a umožní tak geny aktivovat. Modifikace regulačních oblastí DNA a chromatinu jsou součástí tzv. epigenetických mechanismů. Ty ovlivňují realizaci genetické informace nad rámec samotné sekvence DNA. Sekvence regulačních oblastí rozhodují o tom, kdy a kde se budou dané geny aktivovat. Jsou to sekvence DNA, které se dědí a které mohou být mutacemi modifikovány, a tak se mohou vyvíjet. Všechny buňky mnohobuněčného organismu mají stejnou DNA, takže mají od začátku předurčenu aktivitu svých genů. Nicméně epigenetické mechanismy mohou toto předurčení sekvencemi DNA ovlivnit, může dojít k metylaci regulační sekvence, a tak i když je v jádře přítomný transkripční faktor, který by normálně aktivoval daný gen, tak k aktivaci nedochází, nebo může být daný gen uzamknut ve sbaleném chromatinu (který je metylován a zbaven acetylace), takže se k němu transkripční faktory nedostanou. Metylace DNA a stav chromatinu jsou úzce provázány. Modifikace DNA metylací a stav chromatinu je navíc děditelný. Např. po replikace DNA se nový řetězec v místě, kde je starý nametylován, nově nametyluje (k metylaci cytosinu dochází ve dvojici nukleotidů CG, tudíž je zajištěno, že naproti nametylovanému cytosinu bude v novém řetězci taky cytosin – posunut o jednu bázi – a tudíž enzym snadno rozezná, kde má dojít k metylaci).