Epigenetyka

Epigenetyka dostarcza zainteresowanym studentom, wykładowcom oraz badaczom pewnych podstaw, dzięki którym zrozumieją zasadnicze mechanizmy regulacji epigenetycznej, ich zależność od genetyki i wzajemny wpływ, jaki wywierają na siebie mechanizmy epigenetyczne i genetyczne. Poza wyjątkowymi sytuacjami nie zawiera ona informacji na temat klasycznego dziedziczenia, zachowywania się chromosomów czy cytogenetyki. Omówiono w niej wyłącznie te zjawiska genetyczne i molekularne, które pozostają w związku i wywierają wpływ na teorię epigenetyki i prowadzone w jej obszarze badania. Kolejnym zadaniem tej książki jest ukazanie znaczenia trójwymiarowej organizacji materiału genetycznego i jego rozmieszczenia w podzielonym funkcjonalnie na segmenty jądrze komórki. Publikacja, oprócz dostarczenia podstawowej wiedzy na temat różnicowania komórkowego i rozwoju organizmu, ma też na celu wskazanie nowych dróg dla zastosowań medycznych zgromadzonej wiedzy i opowiada się za intensywniejszym poszukiwaniem sposobów na wykorzystanie informacji o różnicowaniu komórek macierzystych na potrzeby medycyny regeneracyjnej. Stąd też najważniejsze aspekty regulacji genetycznej i epigenetycznej omawiane są w odniesieniu do wyższych zwierząt wielokomórkowych, ze szczególnym uwzględnieniem ssaków, a przede wszystkim ludzi. Taką samą perspektywę zastosowano, opisując struktury jądrowe. Przykłady zaczerpnięte z organizmów jednokomórkowych i roślin przywoływane są wówczas, gdy dane kwestie odnoszące się do zjawiska regulacji genów zbadano tylko na tych formach życia. Książka składa się z pięciu części: Część I. Wprowadzenie do epigenetyki i regulacji epigenetycznej Część II. Regulacja transkrypcji przez mechanizmy epigenetyczne Część III. Zależności między procesem transkrypcji a strukturami jądrowymi Część IV. Dziedziczenie struktury chromatyny i stany funkcjonalne Część V. Epigenetyka, zdrowie i rozwój człowieka

Część I. Wprowadzenie do epigenetyki i regulacji epigenetycznej 1 1. Zjawiska epigenetyczne u grzybów, roślin i zwierząt 3 Selektywna aktywność genów to podstawowe zjawisko warunkujące różnicowanie komórek i tkanek w trakcie rozwoju organizmu 4 Koncepcja jednego genomu i wielu epigenomów 4 Pamięć epigenetyczna 5 Epigenetyka a zdrowie człowieka 6 Podsumowanie rozdziału 6 2. Ogólna organizacja chromatyny 8 Organizacja DNA i histonów w nukleosomie 8 Składanie włókien chromatynowych 11 Różne stany kondensacji włókna chromatynowego i zmiany od jednego stanu do drugiego 12 Różne oblicza chromatyny 13 Euchromatyna versus heterochromatyna 14 Biologia molekularna heterochromatyny 16 Euchromatyna i heterochromatyna zajmują określone miejsca w jądrze 17 Transkrypcja regionów heterochromatynowych jest opóźniona 17 Podsumowanie rozdziału 17 Ramka 2.1 Sekwencje powtórzone i elementy transpozycyjne 15 3. Ogólny mechanizm transkrypcji genów 18 Kompleks preinicjacyjny 19 Inicjacja transkrypcji 20 Uwolnienie promotora i wczesna elongacja 23 Pauzowanie 23 Elongacja produktywna 24 Kotranskrypcyjne przetwarzanie RNA 26 Czapeczkowanie 26 Splicing transkryptu 28 Terminacja transkrypcji i przetwarzanie końca 3’ transkryptu 28 Odzyskiwanie polimerazy i reinicjacja transkrypcji 32 Podsumowanie rozdziału 32 Ramka 3.1 Kompleks mediatora 22 Ramka 3.2 Fosforylacja seryny 2 25 Ramka 3.3 Dwa przykłady funkcji regulatorowej pełnionej przez splicing alternatywny 29 Część II. Regulacja transkrypcji przez mechanizmy epigenetyczne 35 4. Modyfikacje i remodeling chromatyny 37 Transkrypcja genów z uwzględnieniem roli chromatyny 37 Potranslacyjne modyfikacje histonów (post-translational modifications, PTM) 38 Acetylacja 39 Metylacja 41 Fosforylacja 42 Ubikwitynacja 44 Sumoilacja 45 Glikozylacja 45 ADP-rybozylacja 45 Hydroksyizobutyrylacja 46 Kompleksy remodelujące 46 Warianty histonowe i rotacja nukleosomów 49 Warianty histonu H3 49 Warianty histonu H2A 49 Warianty histonu H2B 51 Warianty histonu H1 51 Modyfikacje DNA 52 Podsumowanie rozdziału 53 Ramka 4.1 Przykłady chorób człowieka związanych z modyfikacjami histonowymi i DNA 53 5. Epigenetyczne zmiany chromatyny i cykl transkrypcji 56 Rola kompleksów remodelujących 57 Fosforylacja polimerazy RNA 58 Rola kowalencyjnych modyfikacji histonowych 59 Acetylacja histonów 59 Metylacja histonów 60 Transkrypcja bez modyfikacji kowalencyjnych 61 Rola wariantów histonowych 61 Interakcje pomiędzy czynnikami regulującymi transkrypcję 62 Zmiany epigenetyczne na wzmacniaczach 62 Promotory biwalentne 63 Wiele genów podlega ekspresji monoallelicznej 63 Heterogeniczna ekspresja genów w komórkach danej tkanki 64 Represja transkrypcji 64 Transkrypcyjny układ genomu 64 Podsumowanie rozdziału 65 6. Rola RNA niekodujących 67 Długie niekodujące RNA 67 lncRNA i lincRNA represjonują lub wzmacniają transkrypcję genów 68 Niektóre lncRNA transkrybowane ze wzmacniaczy sprzyjają wiązaniu tych modułów regulatorowych z ich genami docelowymi 69 lincRNA może wywierać wpływ na aktywność genów poprzez bezpośrednie interakcje z kofaktorami transkrypcyjnymi 70 lincRNA wpływają na organizację topologiczną chromatyny 70 Krótkie niekodujące RNA 70 MikroRNA (miRNA) 71 Endogenne małe interferencyjne RNA (siRNA) 71 RNA oddziałujące z Piwi (piRNA) 71 Małe jądrowe RNA (snRNA) 72 Niekodujące RNA pochodzące z tRNA 73 Antysensowne niekodujące RNA to częsty produkt uboczny transkrypcji 73 Edytowanie RNA 73 Podsumowanie rozdziału 74 Ramka 6.1 Elementy transpozycyjne 75 7. Utrzymywanie stanu aktywnego i nieaktywnego 77 Produkty PcG zapobiegają niewłaściwej ekspresji genów HOX 78 W aktywności PcG pośredniczą represyjne kompleksy białkowe 79 Mechanizm represji PcG 80 PRC2 81 PRC1 81 Białka PcG zmieniają trójwymiarową strukturę genomu 81 Represja zachodzi także bez udziału kompleksów PRC 82 Odpowiednie poziomy ekspresji genów homeotycznych utrzymują geny TrxG 82 Działanie kompleksów TrxG polega na zapobieganiu wyciszaniu przez PcG 82 Białka TrxG uczestniczą w ogólnym procesie transkrypcji 83 Rola kohezyny 85 Transwekcja 85 Paramutacje – specyficzny przypadek transwekcji u roślin 86 Podsumowanie rozdziału 87 8. Metylacja DNA a ekspresja genów 88 Wyciszanie przez metylację DNA 89 Rola metylacji DNA w regulacji genów jednokopiowych 89 Związek metylacji DNA z modyfikacjami histonów 90 Imprinting genomowy 91 Epigenetyczne mechanizmy imprintingu 94 Transmisja alleli imprintowanych 95 Losowa ekspresja monoalleliczna 96 Podsumowanie rozdziału 97 Ramka 8.1 Zespół Retta 88 Ramka 8.2 Choroby związane z imprintingiem 91 9. Regulacja domen i całych chromosomów 98 Regulacja transkrypcji klastrów genów 98 Geny β-globiny 98 Geny rRNA i jąderko 99 Geny histonowe 101 Regulacja transkrypcji całych chromosomów 101 Kompensacja dawki u Drosophila melanogaster 102 Kompensacja dawki u Caenorhabditis elegans 105 Kompensacja dawki u ssaków 106 Kompensacja dawki u ptaków 111 Następstwem kompensacji dawki jest duplikacja genów 111 Podsumowanie rozdziału 111 Ramka 9.1 Aneuploidalność u człowieka 108 Część III. Zależności między procesem transkrypcji a strukturami jądrowymi 113 10. Architektura genomu 115 Dowody potwierdzające istnienie terytoriów chromosomowych 115 Ułożenie CT w jądrze 115 Domeny chromatyny 116 Promotory łączą się fizycznie z odległymi od nich wzmacniaczami 116 Izolatory ograniczają aktywność wzmacniaczy 118 Izolatory dzielą genom na jednostki funkcjonalne 120 Domeny powiązane topologicznie (TAD) 120 Wypętlanie jako podstawowy mechanizm powstawania TAD 123 Wizualizowanie TAD w chromosomach politenicznych Drosophila 124 Powstawanie TAD w początkowych fazach rozwoju organizmu 124 Ciała izolatorowe i ciała PcG 125 Regulacja transkrypcji i replikacji DNA może odbywać się przez relokację genów w inne obszary jądra 126 Podsumowanie rozdziału 126 Ramka 10.1 Techniki 3C 117 Ramka 10.2 Multipleksowy test reporterowy 122 11. Otoczka jądrowa 128 Błony wewnętrzna i zewnętrzna 128 Otoczka jądrowa w kontekście cyklu komórkowego 128 Blaszka jądrowa 129 Blaszka to siatka włókien białkowych składająca się głównie z lamin 129 Połączenie genomu z blaszką jądrową 129 Transkrypcyjne i epigenetyczne własności genów związanych z blaszką jądrową 130 LAD fakultatywne 130 Kompleksy porów jądrowych 131 Kompleksy porów jądrowych (NPC) to duże struktury wielobiałkowe 131 Pory jądrowe biorą udział w regulacji ekspresji genów 132 Podsumowanie rozdziału 133 12. Jąderko 134 Biogeneza rybosomu 134 Jąderko jako środowisko wyciszania genów 136 Jąderko jako miejsce wielu zróżnicowanych procesów molekularnych 137 Składanie telomerazy 137 Regulacja stabilności p53 138 Modyfikacje i przetwarzanie RNA nierybosomowych 138 Podsumowanie rozdziału 138 13. Ciałka jądrowe 140 Przedział okołojąderkowy 140 Ciałka Cajala 140 Bliźniacze ciałka Cajala (Gems) i ciałka związane z genami histonowymi (HLB) 141 Nadmiar czy współpraca? Przechowywanie czy aktywne przetwarzanie? 142 Cętki jądrowe 142 Paracętki 143 Ciałka jądrowe P ML 144 Jądrowe ciałka stresu 145 Fabryki transkrypcyjne 145 Dynamiczny związek między polimerazami a jednostkami transkrypcji 145 Kolokalizacja genów w fabrykach transkrypcyjnych może prowadzić do ich koregulacji 146 Jak powstają fabryki transkrypcyjne? 147 Podsumowanie rozdziału 147 Część IV. Dziedziczenie struktury chromatyny i stany funkcjonalne 149 14. Replikacja chromatyny 151 Ogólny opis replikacji DNA 151 Koordynacja replikacji DNA za pomocą syntezy histonów i składania nukleosomów 154 Błędy zachodzące podczas replikacji DNA 154 Odpowiedź na uszkodzenie DNA 155 Replikacja chromosomów w kontekście organizacji jądra 156 Podsumowanie rozdziału 157 15. Naprawa DNA i stabilność genomowa 159 Naprawa niesparowanych zasad 159 Naprawa przez wycinanie zasady i naprawa przez wycinanie nukleotydu 160 Pęknięcia DNA 162 Naprawa pęknięcia jednej nici 162 Naprawa pęknięcia obu nici 162 Wykrycie pęknięcia obu nici 163 Szlak niehomologicznego łączenia końców 164 Szlak rekombinacji homologicznej 164 Modyfikacje epigenetyczne zachodzące podczas naprawy pęknięcia obu nici 165 Konformacja chromatyny w miejscu pęknięcia obu nici 166 Trójwymiarowa struktura pęknięcia obu nici 166 Podsumowanie rozdziału 167 16. Dziedziczenie modyfikacji chromatyny w kontekście cyklu komórkowego 168 Czynniki i kofaktory transkrypcyjne 168 Metylacja DNA 169 Modyfikacje histonowe 169 Odtworzenie krajobrazu chromatyny w komórkach potomnych 171 Pozycjonowanie nukleosomów po replikacji DNA 171 Transmisja domen pętlowych z komórki rodzicielskiej do komórek potomnych 171 Epigenetyczna charakterystyka centromerów 171 Podsumowanie rozdziału 173 17. Komórki macierzyste 175 Cechy komórek macierzystych 175 Komórki totipotencjalne 175 Komórki pluripotencjalne 176 Multipotencjalne dojrzałe komórki macierzyste 178 Koncepcja niszy komórek macierzystych 179 Utrzymanie pluripotencjalności podczas proliferacji komórek macierzystych 181 Znaczniki epigenetyczne właściwe dla różnicowania i samoodnawiania komórek macierzystych 181 Rola RNA niekodujących 182 Dezaktywacja chromosomu X w żeńskich komórkach macierzystych 183 Architektura chromatyny w komórkach macierzystych 184 Podsumowanie rozdziału 185 18. Reprogramowanie jądra i indukowana pluripotencjalność 186 Metody reprogramowania komórek somatycznych 187 Molekularne aspekty procesu reprogramowania 188 Zmiany epigenetyczne zachodzące w procesie reprogramowania 190 Modyfikacje histonów 190 Metylacja DNA 190 Terapeutyczne zastosowania iPSC 190 Podsumowanie rozdziału 191 19. Dziedziczenie transgeneracyjne cech epigenetycznych 193 Następstwa w życiu dorosłym ekspozycji płodu na określone czynniki środowiskowe 193 Transgeneracyjna transmisja epigenetyczna 194 Stres fizjologiczny i przewlekłe choroby metaboliczne 195 Dysruptory endokrynne 196 Efekty neurorozwojowe, behawioralne i psychiatryczne 197 Mechanizmy dziedziczenia transgeneracyjnego 198 Metylacja DNA 198 Modyfikacje histonowe 198 Dziedziczenie epigenetyczne musi przezwyciężyć zjawisko reprogramowania 199 Małe niekodujące RNA 201 Podsumowanie rozdziału 203 Ramka 19.1 Parametry epigenetycznego dziedziczenia transgeneracyjnego 194 Część V. Epigenetyka, zdrowie i rozwój człowieka 205 20. Starzenie, starzenie komórkowe i nowotwory: znaczenie niestabilności genomowej, homeostazy komórkowej i telomerów 207 Niestabilność genomu 207 DNA mitochondrialny (mtDNA) 209 Zmiany homeostazy komórkowej 210 Telomery 211 Biogeneza telomeru 211 Ochrona telomeru 213 Kontrola poziomu telomerazy i długości telomerów 213 Rola telomerów w procesie starzenia i procesach nowotworowych 214 Podsumowanie rozdziału 215 21. Starzenie, starzenie komórkowe i nowotwory: zmiany epigenetyczne i remodeling jądra 216 Zmiany w metylacji DNA 216 Zmiany w modyfikacjach histonowych 217 Zmiany w wariantach histonów 219 Remodeling chromatyny 220 Zmiany w architekturze jądra 221 Zmiany w rozmiarze i kształcie jądra 221 Zmiany w aranżacji chromosomów 221 Zmiany w kompartmencie A (aktywnym) i B (nieaktywnym) 221 Zmiany w rozmiarze jąderka 222 Zmiany w organizacji topologicznej genomu 222 Rola niekodujących RNA 223 Starzenie komórkowe (replikacyjne) jako wrodzona strategia ochrony przez nowotworem 224 Podsumowanie rozdziału 225 22. Rozwój i jego dysfunkcje 226 Regulacja neuronalna procesu uczenia i zapamiętywania 226 Rozwój układu nerwowego 226 Uczenie i zapamiętywanie 226 Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za wytworzenie i konsolidację pamięci 227 Zmiany epigenetyczne związane z uczeniem i zapamiętywaniem 228 Metylacja DNA 229 Remodeling chromatyny 229 Niekodujące RNA 229 Topologia genomu 230 Choroby umysłowe 231 Rozwój i dysfunkcje układu sercowo-naczyniowego 232 Regulacja epigenetyczna różnicowania serca 232 Choroby układu sercowo-naczyniowego 233 Epigenetyka a choroby układu odpornościowego 234 Toczeń rumieniowaty układowy (SLE) 236 Reumatoidalne zapalenie stawów (RZS) 238 Podsumowanie rozdziału 239 Ramka 22.1 Interferony i interleukiny 237 Literatura 242 Indeks 321