Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie...

Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie ekspresji genów

1

Plan wykładu:

1. Charakterystyka heterochromatyny

2. Wyciszanie transpozonów

3. Przebudowa chromatyny – rola białek Polycomb

4. Funkcje białek PcG w rozwoju zwierząt i roślin

5. Struktura oraz mechanizm działania kompleksów Polycomb (PcG)

6. Antagonizm PcG-Trx

2

Euchrochromatin Heterochromatin

The chromatin Yin / Yang

Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 3

Where on the chromosomes are condensed and

open chromatin located?

Condensed chromatin Open chromatin

Constitutive

Heterochromatin

Telomeres

Centromeres

Condensed

chromatin is also

found at several

silent genes

located in the

chromosomal

arms

Typical of the

active gene loci

along the

chromosomal

arms

Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of

chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 4

Guillaume J. Filion , Joke G. van Bemmel , Ulrich Braunschweig , Wendy Talhout , Jop Kind , Lucas D. Ward , Wim B...//

Cell Volume 143, Issue 2 2010 212 - 224

Podstawowe Typy Chromatyny

5

Rola heterochromatyny

6

Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May 2007

Wyciszanie transpozonów

• Modyfikacje epigenetyczne prawdopodobnie powstały aby wyciszać obce elementy genetyczne

• Mutacje uszkadzające mechanizmy wyciszania epigenetycznego powodują uwolnienie transpozonów

Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencin keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.

7 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology

http://www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.0040353

Przykład efektu epigenetycznego u roślin

8

http://www.hummingbirdhigh.com/2013/10/the-pumpkin-patch-at-sauvie-island.html

Transpozony są aktywnie wyciszane

Maintaining transposon silencing is

an active, dynamic process that

requires ongoing siRNA production

and epigenetic vigilance.


Powstawanie heterochromatyny u Arabidopsis

Stephane E. Castel and Robert A. Martienssen. Nature Rev Genet

10

Aktywacja transpozonów powoduje mutacje

Wild-type

After one

generation

After three

generations

After five

generations

Kakutani, T., Jeddeloh, J.A., Flowers, S.K., Munakata, K., and Richards, E.J. (1996) Developmental abnormalities and epimutations

associated with DNA hypomethylation mutations. PNAS 93: 12406-12411. Copyright (1996) National Academy of Sciences, U.S.A.


http://www.pnas.org/content/93/22/12406.abstract



Znaczniki heterochromatyny

12

Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May 2007

Where on the chromosomes are condensed and

open chromatin located?

Condensed chromatin Open chromatin

Constitutive

Heterochromatin

Telomeres

Centromeres

Condensed

chromatin is also

found at several

silent genes

located in the

chromosomal

arms

Typical of the

active gene loci

along the

chromosomal

arms

Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of

chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 13

1. modyfikacje DNA – metylacja DNA

2. modyfikacje potranslacyjne histonów – np. acetylacja

3. wyspecjalizowane warianty histonów

4. ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

5. Przebudowa chromatyny zależna od białek Polycomb – wyciszanie epigenetyczne genów

W jaki sposób zmiany struktur chromatyny są uzyskiwane?

14

Odkrycie białek Polycomb - historia

Pierwsza praca: 1949r – P. Lewis

1978 Ed Lewis's founding Polycomb paper identifying a role for the Pc gene in the

regulation of homeotic genes

1988 Antagonism between Polycomb and trithorax genes

1997 Analysis of PcG proteins in plants PcG proteins and epigenetic regulation of gene

expression by "cosuppression"

1999 Purification of the PRC1 complex Role of PcG in cell proliferation

2002 Characterization of the E(z)-Esc / PRC2 complex - Histone methyltransferase

activity trxG proteins and histone methylation

2010 Various links between PcG proteins and noncoding RNAs, in particular, SUZ12 was shown

to be an RNA-binding protein.

15

Mutacje homeotyczne w mutantach polycomb

16

Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w

trakcie rozwoju – antagonizm PcG-Trx

17

PcG, trxG, and maintenance of gene expression

Early development Establishment of patterns

Maternal, Gap, Pair-rule, Segment polarity ON OFF

Ubx

Polycomb-Group trithorax-Group Maintenance phase Transmission of

pattern after

disappearance of early

factors ON OFF

ON OFF


Chanvivattana Y et al. Development 2004;131:5263-5276

Mutacje polycomb – Arabidopsis

19

PSC Ph

Pc RING

PRC1

E(z)

Su(z)12

Esc

PRC2

Kompleksy Polycomb - Drosophila

Nurf55

ESC SU(Z)12 E(Z) NURF55

Extra sex comb (ESC)

Drosophila

PRC2 has a

conserved core

of four proteins

Enhancer of zeste (E(Z))

Suppressor of zeste 12 (SU(Z)12)

NURF55 20

The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology

Homologi podjednostek PRC2

Developmental Cell 19, November 16, 2010

21

Zróżnicowanie kompleksów PcG - ssaki

PRC2 PRC1

22

Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011

E(Z) (methylase)

SU(Z)12 ESC NURF55

Drosophila PRC2

Arabidopsis PRC2

CURLY LEAF (CLF) MEDEA (MEA) SWINGER (SWN)

FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED 2 (FIS2) EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2) VERNALIZATION 2 (VRN2)

FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE)

MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1 (MSI1,2,3,4,5)

Zróżnicowanie kompleksów PcG - rośliny


Plants make multiple PRC2 complexes with different targets

MEA + FIS2 complex

CLF/SWN + VRN2 complex

CLF/SWN + EMF2 complex

Seed development

Transition to flowering

Floral organogenesis


PSC Ph

Pc RING

PRC1

E(z)

Su(z)12

Esc

PRC2

E(z) – zawiera domenę SET i ma aktywność metylotransferazy HKMT – specyficznie metyluje K27 histonu H3 Pc posiada chromodomenę, dzięki temu wiąże się do metylowanego histonu H3 w lizynie 27

Kompleksy Polycomb – mechanizm działania

Nurf55

25

Structure of HP1 Chromodomain Bound to a Lysine 9-Methylated Histone H3 Tail Steven A. Jacobs and Sepideh Khorasanizadeh Science 295: 2080-2083

Chromodomena – umożliwia wiązanie białek

do metylowanej lizyny

26

In animals, H3K27me3 silencing is maintained by PRC1

H3K27me3

Active genes Silenced genes Stably silenced genes

Polycomb Repressive Complex 2

Polycomb Repressive Complex 1 H3K27me3


In plants, PRC1-like functions similarly

H3K27me3 H3K27me3

Active genes Silenced genes Stably silenced genes

Polycomb Repressive Complex 2

PRC1-like

LHP1

LHP1 binds

specifically to

H3K27me3


Sonicate and purify

chromatin

(average size = 1 kb)

Add antibody and purify antibody-

chromatin complexes on Protein A

Sepharose, purify DNA and amplify by

Linker-mediated PCR

Cross-link cells or embryos with

formaldehyde to induce protein-DNA

crosslinks

Use amplified DNA as probe to

hybridize DNA chips containing the

genome. Extract the distribution

profile of the proteins of interest ChIP on chip

Miejsca wiązania PcG w genomie - Drosophila


Profile genomowe PRC2 i H3K27me3 pokrywają się

PH

PC

H3K27me3



Modyfikacja

hamująca

transkrypcję

31


Luciano Di Croce & Kristian Helin

Nature Structural & Molecular Biology 20, 1147–1155 (2013)

32

Rekrutacja kompleksów PcG do docelowych

miejsc w genomie

Jurg Muller and Peter Verrijzer, Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158

Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011

Dodatkowy kompleks rekrutujący - PhoRC

33

Rekrutacja kompleksów PcG – rola ncRNA

34

Udział ncRNA w rekrutacji PcG do genów Hox


35

Syuzo Kaneko , Roberto Bonasio , Ricardo Saldaña-Meyer , Takahaki Yoshida , Jinsook Son , Koichiro Nishino , Akihi...

Interactions between JARID2 and Noncoding RNAs Regulate PRC2 Recruitment to Chromatin

http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2013.11.012


36

Działanie PcG u roślin: kontrola czasu kwitnienia

Some plants require a prolonged cold

period (vernalization) - as experienced

during winter, before they will flower.

Vegetative

Development

Reproductive

Development

Prolonged cold

treatment

Winter Spring Autumn


Epigenetyczna regulacja genu FLC

H2A.Z incorporation

H3K4me, H3K36me

H3K9Ac, H3K14Ac

H3K9me2, H3K27me2

FLC gene transcribed FLC gene silenced

cold



Działanie PcG - Arabidopsis

P V U

NV = no vernalization VT0 = 40 days at 4° VT7 = 40 days at 4° followed by 7 days at 22°

- - +

Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated

by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164.




http://www.nature.com/nature/journal/v427/n6970/abs/nature02195.html



PRC2

(including

VIN3) FLC gene transcribed FLC gene silenced

VIN3





Udział ncRNA w represji FLC

41

Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax

42

Dwie podstawowe klasy białek TrxG

Trx

Ash1

Metylotransferazy histonowe Zawierają domenę SET Specyficznie metylują K4 histonu H3

Brm

Osa

Mor

Czynniki współtworzące kompleksy remodelujące chromatynę Odpowiedniki drożdżowego kompleksu SWI/SNF Brm katalityczna podjednostka kopleksu, ortolog SNF

Obie klasy białek Trx pełnią rolę w utrzymaniu aktywności genów, ale także znana jest ich funkcja w aktywacji transkrypcyjnej.

43

Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax

Represja

Aktywacja

44 Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158

Nature Reviews Cancer. 9, 773-784

Rola PcG w procesach nowotworzenia

Nieprawidlowe działanie PcG może prowadzić do powstania komórek

nowotworowych

45

Pytania i nowe odkrycia

Na czym dokładnie polega działanie kompleksu

PRC1?

Jak przebiega rekrutacja kompleksów PcG?

Czy skład kompleksów PcG warunkuje zmiany

rozwojowe czy jest ich efektem?

W jaki sposób dochodzi do zmian równowagi

pomiędzy działaniem Trx i PcG ? Czy zawsze jest

to antagonizm?

46

Nowe odkrycia

* Grudzień 2013

47

Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie...

Documents

Transcript of Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie...