EPIGENETICA

EPIGENETICA
Een nieuw paradigma in de genetica
Koen Devriendt Centrum Menselijke Erfelijkheid Leuven
“You keep using that word.
I do not think it means
what you think it means”.
Inigo Montoya
The Princess Bride, 1987
GENES & DEVELOPMENT2009; 23: 781–783
epigenetisch kenmerk =
een stabiel overerfbaar fenotype
door een verandering in een chromosoom
zonder wijziging in de DNA sequentie
EPIGENETICA : 3 betekenissen
1. Veranderingen in genexpressie op elk moment van het leven.
gameten
Enz. embryo
pasgeborenen
2. Geheugen van de cel : blijvend effect van vroegere omgevingsinvloeden
op genexpressie en dus genfunctie epigenetische effecten
epigenetische effecten
epigenetische effecten
epigenetische effecten
3. Geheugen van de geslachtscel : transgenerationeel effect van omgevingsinvloeden
in de volgende generatie(s)
epigenetische effecten
epigenetische effecten
epigenetische effecten
epigenetische effecten
Genetische informatie (DNA)
Epigenetische informatie
Onderliggend mechanisme is hetzelfde
Epi‐genetische veranderingen
op het DNA
EPIGENETISCHE CODE
DNA
methylering
Histonen
acetylering
Histonen
methylering
Chromatine remodellers
HISTONEN
RNA
GENETISCHE CODE = DNA SEQUENTIE
HISTONEN
1. Veranderingen in genexpressie in de cel op elk moment van het leven, o.i.v. de omgeving
De basis van embryologische & foetale ontwikkeling
Embryoblast
Cel differentiatie
= expressie van verschillende (combinaties van) genen
⇒ meten op verschillende niveau’s :
DNA
RNA
eiwitten
metabolieten
Transcriptoom in humane preimplantatie embryo’s
relatieve expressie patronen
van 79 genen met hoge expressie in zygote hoge expressie
lage
expressie
gen 1
gen 2
gen 3
gen 4
gen 5
gen 6
…
…
gen 78
gen 79
Proteoom
Fertility and Sterility Vol. 86, No. 3, September 2006
grootte van eiwit
stadium ontwikkeling
Cel differentiatie :
Zelfde genen, maar verschillende functie
Regulering van expressie van genen ? DNA
EPIGENETISCHE CODE
DNA
methylering
TRANSCRIPTIE FACTOREN
Histonen
acetylering
Histonen
methylering
Chromatine remodellers
HISTONEN
HISTONEN
RNA
GENETISCHE CODE = DNA SEQUENTIE
STATISCH
aktief
epigenetische code
DYNAMISCH
inaktief
Cel differentiatie = expressie van verschillende genen
Epigenetische code
CpG eilandjes : ‐ vooral in promotor van genen
‐ wisselende methylering
AKTIEF
INAKTIEF
methylering
METHYLERING DNA
demethylatie
remethylatie
Histonen modificatie : DNA = in chromatine
belangrijke : Lysines van histone 3 H3K4
H3K9
H3K27
H3K36
GEN
HISTONE
CODE
CHROMATIN STATE ?
normale variatie in het epigenoom, in 1000 verschillende
humane weefsels en cel types. aktief
variatie in epigenetische code
variatie in ziekte en gezondheid
inaktief
Variatie in epigenoom
variatie in fenotype en ziektes
aktief
Variatie in epigenetische code
genetisch
stochastisch
omgeving
inaktief
DNA methylering
DNA methyltransferases
‐DNMT1
=> hereditaire sensorische en autonome neuropathie
‐DNMT3B
=> ICF syndroom
(immuun deficientie, centromeer instabiliteit, faciale afwijkingen)
METHYL CpG
BINDING
PROTEINES
Methyl‐CpG binding proteines
MECP2 : Rett syndroom
Histonen modificatie
HISTONEN
HISTONEN
(de)methylering
Kabuki syndroom
•MLL2 = methyl transferase (H3K3)
•KDM6A = demethylase (H3K27)
Histonen modificatie
HISTONEN
(de)methylering
Sotos syndroom
•NSD1 = histon demethylase
HISTONEN
Histonen modificatie
HISTONEN
HISTONEN
(de)acetylering
Rubinstein‐Taybi syndroom
‐ CREBBP
‐ EP300
= histon acetyl
transferases
Chromatine remodelling complex
proteine complexen ‐ binden aan chromatine
wijzigen direct chromatine & nucleosomen structuur
SWI/SNF
SWI/SNF
SWI/SNF
April 2012
Coffin‐Siris
SMARCB1
Nicolaides ‐
Baraitser
SMARCE1
SMARCA4
ARID1A
ARID1B
SWI/SNF
SMARCA2
SMARCB1
SMARCA2
SMARCE1
SMARCA4
ARID1B
ARID1A
aktief
Variatie in epigenetische code
genetisch
stochastisch
omgeving
inaktief
STOCHASTISCHE VARIATIE
Nature Genetics November 2012
fibroblasten
….
….
verschillen
in methyering!
Nature Genetics Februari 2009
Dichoriale
Monozygote
tweeling
Methylering op 12000 verschillende DNA loci
significantie
12000 loci interrogated on the epigenomic microarray platform
Verschil in methylering
Discordante monozygote tweelingen
Beckwith‐Wiedemann
Silver‐Russel
Genomische imprinting
= vorm van mono‐allelische expressie : enkel maternele gen actief
+
m p
of
enkel paternele gen actief
-
-
+
m p
NORMAAL
M
paterneel
M
M
IGF2
enhancer
INSULATOR
materneel
enhancer
IGF2
GROEIFACTOR
OVERGROEI
M
M
M
enhancer
M
M
M
enhancer
IGF2
IGF2
GAIN OF METHYLATION
NORMAAL
M
paterneel
M
IGF2
M
enhancer
INSULATOR
materneel
enhancer
IGF2
LOSS OF METHYLATION
VERMINDERDE GROEI
INSULATOR
enhancer
IGF2
INSULATOR
IGF2
enhancer
Beckwith‐Wiedemann & Angelman syndroom
•epigenetische stoornissen in geslachtscellen bij fertiliteitsstoornissen
• epigenetische stoornissen secundair aan fertiliteitsbehandeling
Epigenetische stoornissen
tijdens in vitro
ontwikkeling ?
+
1. “signaal” Aanwezig in geslachtscellen
2. “translatie” Naar een finale ‘imprint’
PREIMPLANTATIE EMBRYO
X‐inactivatie : Random epigenetische silencing
van één van de twee X‐chromosomen
DNA
hypermethylering
Histonen
Hypomethyl.
H3K4
HISTONEN
X‐ist RNA
Histonen
deacetylering
HISTONEN
Barr chromatine = geïnactiveerde X‐chromosoom
MANNELIJKE KAT
VROUWELIJKE KAT
Eerste stap : expressie van X‐ist noncoding RNA
Xist
Barr chromatine
= inactief X
Inactivering van extra chromosoom 21 door inbouw van X‐ist in chromosoom 21
METHYLERING DNA
X‐INACTIVATIE
IMPRINTING ?
demethylatie
remethylatie
+
Epigenetische informatie TERUG NAAR NUL
•niet gedifferentieerde cellen
•imprinting : aangepast aan geslacht
•X‐reactivatie
3. Geheugen van de geslachtscel : transgenerationeel effect van omgevingsinvloeden
op kenmerken in de volgende generatie(s)
Genetische informatie (DNA)
Verworven epigenetische informatie
“de erfelijkheid
van de omgeving”
“Ervaring wordt via de geslachtscellen doorgegeven van ouder op kind, en blijft verschillende generaties aanwezig”
Jean‐Baptiste Lamarck (1744 ‐1829)
Central Dogma of Biology
Francis Crick , 1956
Verworven kenmerken zijn NIET overerfbaar
Mendeliaanse erfelijkheid
Genetische counselling
(Neo) Darwininaanse evolutie
Genetisch onderzoek
“erfelijkheid van de omgeving”
nature NEUROSCIENCE advance online publication 2013 Överkalix study
Zweden
Historische documenten : ‐ oogst en voedselprijzen
‐ parochieregisters : stamboom, overlijden
Hoeveelheid voedsel tijdens slow growth period
(9‐12 jaar)
VEEL
WEINIG
1,67
0,65
Kleindochters : géén effect
Kleinzonen
° 1890; ° 1905; °1920
Mortaliteit risk ratio
(toename in mortaliteit)
Hoeveelheid voedsel tijdens slow growth period
(9‐12 jaar)
VEEL
WEINIG
2,13
0,72
Kleinzonen : géén effect
Kleindochters
° 1890; ° 1905; °1920
Mortaliteit risk ratio
(toename in mortaliteit)
Transgenerationele effecten
invloeden van de omgeving kunnen
vele generaties een effect hebben
"We are all guardians of our genome“ Marcus Pembrey
genen
omgeving
overleving in veranderende en onvoorspelbare omgeving ?
Darwiniaanse
Evolutie
TRAAG
Transgenerationele
(epigenetische) effecten
Aanpassingen
op korte termijn !
“There is grandeur in this view of life”
Charles Darwin : The Origin of Species, 1859