Epigenetica ď ľ
Een paradigma verschuiving
Nederlandse Hongerwinter 44-45
Milieu Effecten tot in 4e generatie
Kinderen van moeders uit hongerwinter met honger in 1 e 3mnd:
Vaker obesitas op volwassen leeftijd
Vaker mentale problemen tot in volwassen leeftijd
Hun kinderen: de kleinkinderen blijken ook sommige van deze effecten te hebben!
De effecten van de hongerwinter worden overgeerfd!
Recent (dec 2013) werd aangetoond dat muizen die getraind werden bang te zijn voor kersengeur dit tot in de derde generatie doorgaven (Nature neuroscience)
Bij eerdere proeven met muizen konden tot in 4 e generatie verworven eigenschappen worden doorgegeven
Darwin versus Lamarck Darwin
Evolutie door selectie van al aanwezige eigenschappen Gunstige eigenschappen zullen steeds vaker voorkomen Verworven eigenschappen zijn nooit erfelijk: staat ook in alle schoolboeken
Lamarck
Evolutie door verwerven van eigenschappen
Herhaalde blootstelling aan milieufactoren leidt tot aanpassingen.
Deze zijn deels erfelijk
Eerherstel voor Lamarck!
Van top tot teen, van begin tot eind
In alle cellen van top tot teen is het DNA hetzelfde
Toch zijn de verschillen groot
Alle cellen beginnen uit een zygote
Maar specialiseren zich
Dit gebeurt ook door epigenetische effecten
De weg terug is erg moeilijk
Kweken van stamcellen lukt wel steeds beter
Kanker ontstaat ook uit een soort terugprogrammering naar stamcelsituatie
Even terug naar het DNA
Van DNA naar eiwit
DNA is a.h.w. de handleiding voor de cel
Het ligt in de kern en moet goed geconserveerd blijven
Voor eiwitproductie wordt eerst een kopie gemaakt van het betrokken gen
Dat is een soort DNA, maar chemisch iets afwijkend: mRNA
Dit brengt het voorschrift naar het cytoplasma
Hier wordt het gedecodeerd/afgelezen
Er ontstaat een specifiek eiwit
Translatie
Het translatieproces
Introns en exons
In de jaren 70 ontdekt
Nobelprijs in 1993 voor Robert en Sharp
Alleen bij hogere organismen
Alleen exons van belang voor eiwitvorming
Veel Later blijken ook de RNA introns van belang
Moleculaire epigenetica Niet bij prokaryote organismen (bacterien) Daarbij is het zgn. Jaco-Monod model van feedbackregulatie ontdekt En bevestigd bij alle organismen Lang is gedacht dat dit het enige systeem was.
Maar….
Door vergelijkend DNA onderzoek blijkt: Dat
b.v. een eenvoudige platworm ongeveer evenveel coderende genen heeft als een mens!
98%
van het menselijk genoom niet codeert voor eiwitten
Dit
noemde men nonsense of junk DNA
Van
het wel coderende DNA grote delen (introns) ook niet coderen voor eiwitten, weggeknipt worden
EN…
De hoeveelheid nonsense DNA groter is bij hogere diersoorten (en planten)
Is dat dan het onderscheid tussen lage en hogere organismen (op DNA niveau) ?
Veel wijst daarop
B.v. bij de mens komen juist in de hersenen de meeste epigenetische effecten voor
De moleculaire verklaring voor epigenetische effecten
Methylering van CG volgordes in het DNA
Histon modificaties van het chromatine
Junk DNA codeert wel zinvol voor bijzondere ncRNA’s: Lang
RNA
microRNA introns
Methylering van DNA:
Blijkt van essentieel belang in de regulatie van genactivitiet
Het enzym dat methylgroepen toevoegt heet DNMT
Dit voegt methylgroepen toe alleen aan CG volgordes
Deze komen veel voor in de zgn. promotor regio’s van genen
Methylgroepen roepen een cascade van reacties op
Waardoor het chromatine inrolt: compact wordt
En daardoor niet meer goed afleesbaar is
Het betrokken gen wordt geïnactiveerd
Binding van methylgroepen in promotor gebied
Het effect van methylering is een cascade van gebeurtenissen
Methylering van DNA wordt doorgegeven bij celdeling!
Genactiviteit t/m inactivering (methylering) blijkt erfelijk!
Ook in de geslachtscellen en in de jonge embryonale cellen blijken methyleringen te worden doorgegeven!
De meeste methylering verdwijnt bij de vorming van voortplantingscellen en in de zygote, maar niet alles!
Methylering staat o.i.v. allerlei milieuomstandigheden zoals stress, voeding , ziektes, roken, alcohol gebruik etc.
Zo kan verklaard worden dat zelfs kleinkinderen van hongerwinter moeders nog neiging tot obesitas hebben: hun genen voor voedingsefficientie staan meer ingeschakeld.
Niet alleen methylering van DNA
Acetylering van histonstaarten activeert genactiviteit door ontrollen van het chromatine
Zo zijn inmiddels minstens 50 andere factoren ontdekt.
Histon modificatie is meer de finetuning , meer tijdelijk dan methylering
Acethyleringen van histonen
NC DNA : nog een paradigma verschuiving
Tot 20 jaar geleden was de opinie:
DNA is de code voor eiwitten=eigenschappen
Echter slechts 2% blijkt coderend bij de mens
De rest noemde men nonsense DNA
Voor een groot deel blijkt dat nonsense
Veel ncDNA codeert wel degelijk
Maar niet voor eiwit, maar voor RNA
Aandeel ncDNA
Overzicht van het totale DNA
2% coderend voor eiwit (waarvan de helft introns!)
45% transposons
De rest voor ncRNA
Transposons: springende genen
Verschillende soorten nc RNA ď ľ
Lang minstens 200 base paren
ď ľ
Kort 20-24 base paren
ď ľ
Introns lengte variabel, spelen regulerende rol, nog niet veel over bekend
Lang ncRNA
Minstens 30.000 genen hiervoor inmiddels gelocaliseerd!
Blijft meestal binnen chromosoom zelf en inactiveert
Bij langdurige inactivatie trekt het methylschrijvers aan
De eerst ontdekte: Xist (1992): dit inactiveert een X-chrs. Bij vrouwen. Het gen werd gevonden, een eiwit echter niet!
Vaak betrokken bij imprinting: een gen van vader of moeder wordt zo geïnactiveerd: zie o.a. Prader Willy en Angelman syndroom
Micro en Si-RNA
Micro-ncRNA en Si-RNA
Veel korter: meestal 20-24 base-paren lang
Werkt vooral regulerend
Door komplementaire binding aan mRNA
Worden ook doorgegeven via zaadcellen en eicellen en dus erfelijk!
Ziektes en epigenetische factoren
Ziekte van Rett
Prader Willy syndroom
Angelmann syndroom: funny puppets
Alcoholgebruik tijdens zwangerschap verandert methylering in embryo bij muizen
Overvoeding in kinderjaren bij jongens leidt tot meer diabetes in 2 e generatie bij mensen!
Misbruik in kinderjaren leidt tot stressgevoeligheid later door verhoogde methylering van cortisol receptor gen in hypocampus
Ziekte van Rett
Ziekte van Rett en epigenetica
Deze ernstige ziekte komt vooral voor bij meisjes
Het wordt veroorzaakt door een mutatie van een gen op het Xchromosoom. Jongens hebben maar een X-chrs en dan is de mutatie dodelijk
Nu komt het:
Het gemuteerde gen heet MECP2 en codeert voort het eiwit methyl CpG binding protein
Het normale eiwit bindt aan methyl groepen op het DNA molecuul
En deze methyl groep is een belangrijke schakel in epigenetische effecten
Met als gevolg:
Een eiwit dat de methylgroepen moet herkennen werkt niet goed.
Gevolg dat genen ongewenst meer tot expressie komen
Daardoor te veel van bepaalde eiwitten
Verstoorde celstofwisseling.
Blijkt in hersenen van opgroeiende kinderen funest
MECP2 gen komt vooral in hersenen tot expressie
Misschien te genezen?
Two of a kind: Pader Willy en Angelman
Beide betreft dezelfde deletie van chromsoom 15
Bij Prader Willy is het een mutatie bij de vader
Bij Angelman bij de moeder
Hetzelfde DNA!! Hoe kan dat?
IMPRINTING!!= een van beide genen is uitgeschakeld door methylering
Bij deze ziekte gaat het om twee genen: bij de ene ziekte is het vaderlijk gen uitgeschakeld, bij de andere het moederlijk gen
Imprinting:
Of het moederlijke gen is uitgeschakeld of het vaderlijk gen
Het betreft ca 1% van de genen.
Deze imprinting kan worden overgeërfd!
Bij de meeste genen wordt de methylering verwijderd bij de vorming van de geslachtscellen en de zygote
Deels echter niet!
Zaadcellen dragen imprintingen die groei van placenta en embryo sterk stimuleren
Eicellen bevatten imprintingen die dat juist afremmen
Dolly in de problemen (96-03)
Dolly had allerlei problemen en stierf jong
Bij klonen worden volwassen kernen van de donor gebruikt
Vol met epigenetische merktekens
De jongen van een kloon echter zijn gezond!
Het kloon probleem
Klonen van dieren gebeurt met “volwassen”celkernen
Dat DNA is epigenetisch sterk geprogrammeerd
Resetten in een lab. lukt slecht
De klonen nemen epigenetische kenmerken van de oudere donor mee en zijn vaak niet gezond
Hun jongen echter zijn wel gezond omdat hun eicellen en zaadcellen geschoond worden van de epigenetische kenmerken
Samenvatting
Oude beeld tot jaren 90
Huidig beeld
DNA codeert voor eiwitten:
Eiwitten zijn alles bepalend voor onze eigenschappen
DNA codeert veel meer voor RNA enzymen dan voor eiwitten
Deze reguleren DNA expressie
Deze expressie is soms erfelijk
Op moleculair niveau: door methylering DNA en door etikettering van histonen
98% van ons DNA dient nergens voor: junk DNA Erfelijke factoren worden niet beinvloed door omgeving