Ugrás a tartalomhoz

Általános genetika

Deák Veronika (2014)

Typotex Kiadó

Epigenetikai szabályozás

Epigenetikai szabályozás

Az epigenetika a genetika dinamikusan fejlődő, napjainkban igen népszerű kutatási ágazata. Az epigenetika tárgykörébe tartoznak azok a genomot érintő jelenségek, melyek a DNS-szekvencia „felett, kívül” állnak. A genom olyan sajátságai tartoznak ide, melyek nem a DNS nukleotidsorrendjét érintik, de mitotikusan, vagy akár meiotikusan is átörökíthetőek. Epigenetikai szabályozáson az epigenetikai tulajdonságok megváltozásával járó génexpressziós szabályozást értjük. A mai tudásunk szerinti epigenetikai jelenségek a kromatin szerkezetét meghatározó hisztonmódosulások és a DNS-metilációs mintázatok. Mindkét jelenség alapvetően kihat a gének transzkripcionális szintű kifejeződésére. Ma már életünk szinte minden területét összefüggésbe hozzák – többé vagy kevésbé megalapozott módon – epigenetikai jelenségekkel. Habár mindent nem magyarázhatunk általa, tény, hogy a terület fejlődése jelentősen hozzájárul a genom működésének egyre jobb megértéséhez.

A genetika–epigenetika nevezéktan mintájára a „genom – genetikai kód – genetikai térkép” kifejezésekkel párhuzamosan használjuk az „epigenom – epigenetikai kód – epigenetikai térkép” kifejezéseket a teljes genomra vagy egy genomszakaszra jellemző hisztonmódosulások és DNS-metilációs mintázatok leírására.

A dinamikus kromatin

Elevenítsük fel a kromatin szerkezetére vonatkozó ismereteinket:

  • a DNS bázikus oldalláncokkal rendelkező hiszton és nem-hiszton fehérjékkel összekapcsolódva tömörül, ez a fehérje–DNS szerkezet a kromatin

  • a kromatinszerveződés több szinten valósul meg

  • a kromatintömörülés mértéke a sejtciklus során és DNS-régiónként változik (interfázisban laza, mitózis és meiózis során tömör; a heterokromatin régiók, az eukromatinnal szemben, az interfázisban is erősen kondenzált részek).

Ebben a fejezetben látni fogjuk, hogy a kromatin szerepe nemcsak a DNS kondenzációjának biztosítása, hanem a DNS működésének szabályozása is. Leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy az eukarióták DNS-ének kromatinszerkezetbe szerveződése a gének működésére (a transzkripcióra) negatív hatással van. Az eukarióta gének „alapértelmezett” állapota ezért a kikapcsolt állapot. Annak érdekében, hogy a gének átírását kijelölő szabályozó szakaszok a transzkripciós apparátus számára hozzáférhetővé váljanak, szükség van a kromatin szerkezet meghatározott területeken történő fellazítására. A kromatinszerkezetet befolyásoló számos fehérjekomplexet és mechanizmust azonosítottak a közelmúltban. A legismertebb epigenetikai módosulások: 1) hisztonváltozatok beépülése a nukleoszómákba, 2) a hisztonok kovalens módosítása acetiláció, metiláció, foszforiláció által, 3) a nukleoszómák átépítése (10.10. ábra) és 4) a DNS metilációja.

A kromatinmódosulások lehetnek stabilak egy élőlény teljes élete során, így járulva hozzá egy állandó génkifejeződési mintázat kialakulásához. A jelenség azonban nem irreverzibilis. Rákos sejtekben például gyakoriak a kromatinszerkezeti változások. Az ivarsejtek kialakulása során az epigenom szintén jelentős változásokon esik át.

10.10. ábra - A kromatin szerkezetét befolyásoló epigenetikai jelenségek

A kromatin szerkezetét befolyásoló epigenetikai jelenségek

Hisztonvariánsok

A nukleoszómák magját kialakító hisztonfehérjékből álló oktamer kanonikus tagjai: 2-2 darab H2A, H2B, H3, H4. A nukleoszómák szerkezete a DNS-replikáció során alakul ki, ez a szerkezet azonban változhat. Az alap hiszton fehérjék kicserélődhetnek hiszton változatokra, valamint kovalens módosulásokon eshetnek át. Ezek a mechanizmusok hatással vannak a lokális kromatinszerkezetre, így jelentős szerepük van a génátírás szabályozásában.

A H2A.Z fehérje a H2A hiszton egyik változata, mely inaktív gének promóter régiójában fordul elő. Érdekes módon a H2A.Z hisztonváltozat nem a replikációkor épül be, hanem később egy kromatin remodeling komplex (SWR1) ATP-függő módon katalizálja a H2A hiszton kicserélését H2A.Z-re. Egy másik hisztonvariáns a CENP-A (10.11. ábra), melyet immunfluoreszcens festés alapján a centromer környékéhez kapcsolódó fehérjeként azonosítottak. A CENP-A egy H3 hisztonváltozat. A hiszton változatok egyedi, nukleoszómából kinyúló „farkai” lehetővé teszik egyedi regulátor fehérjék kötését (10.10. ábra).

Hisztonok kovalens módosítása

A kanonikus hisztonfehérjék poszttranszlációs kovalens módosítása befolyásolja a DNS-kötést. A módosulások reverzibilisek, s meghatározott aminosav oldalláncokon történnek, melyek közül leggyakoribbak: acetiláció és metiláció – lizin amino-csoportján, foszforiláció – szerin hidroxil-csoportján (10.11. ábra). Egy genomi régió működéséhez a hisztonmódosulások mintázata rengeteg információt rejt, ezért ezekre a mintázatokra használjuk a hiszton-kód elnevezést. A hisztonacetiláció elősegíti a transzkripciót, legalább kétféle mechanizmus által: 1) lazítja a hiszton–DNS kapcsolatot, mert csökkenti a hisztonfarok pozitív töltését, 2) befolyásolja a szabályozó fehérjék kötődését. Az acetilációért felelős hiszton-acetiltranszferáz (HAT) aktivitású fehérjék fokozzák, a hiszton-deacetilázok (HDAT) pedig mérséklik a transzkripciót.

10.11. ábra - A hisztonok kovalens módosítása (metiláció, acetiláció, foszforiláció) és hiszton változatok (például CENP-A) beépülése a nukleoszómába befolyásolja a kromatin szerkezeti és funkcionális sajátságait

A hisztonok kovalens módosítása (metiláció, acetiláció, foszforiláció) és hiszton változatok (például CENP-A) beépülése a nukleoszómába befolyásolja a kromatin szerkezeti és funkcionális sajátságait

A legújabb kísérleti eredmények szerint (Drosophilá-ban) DNS-replikációkor a szülői módosított hisztonok nem jutnak át a leány DNS-be. Ehelyett a DNS replikáció után új nukleoszómák szerelődnek össze a frissen szintetizált, módosítatlan hisztonokból. Úgy tűnik, hogy a hiszton módosító fehérjék képesek ellenállni a DNS-replikációs szerkezeten való áthaladásnak. Ott maradnak a kötőhelyükön megülve, és minden valószínűséggel később újra elvégzik a hisztonok módosítását, így véglegesítve a kromatin struktúrát, amely később a gének aktivációját vagy represszióját határozza meg.

Nukleoszóma-átépítés (remodeling)

Ismerünk olyan multiprotein komplexeket, melyek ATP hidrolíziséből származó energia felhasználásával képesek a nukleoszómák mobilizálására, átstrukturálására. Az átépítés pontos mechanizmusa nem ismert, feltételezhető, hogy a DNS és a hisztonok közötti kapcsolat felbontásával képesek a DNS irányított elcsúsztatására a hiszton-oktamer körül, vagy adott nukleoszóma hisztonjainak eltávolítására. Mindkét modell szerint a nukleoszómába csomagolt target DNS-szakasz hozzáférhetősége nő. Ma öt családba sorolják a remodeling fehérjéket. Legismertebb az SWI/SNF komplex, melynek első képviselőjét élesztőben írták le, majd sok más szervezetben is. A komplex tagjai interakcióba lépnek transzkripciós faktorokkal, nukleáris mátrix fehérjékkel, centromer komponensekkel; fontos szerepük van a sejtciklus szabályozásában (a sejtciklus szabályozásában részt vevő gének transzkripcionális szabályozásában) és a kromoszóma-szerveződésben. A komplex humán ortológjai tumor-szupresszor gének, hibájuk a sejtosztódás kontrolljának felborulásához vezet.

DNS-metiláció

A DNS metilációs mintázata szintén epigenetikai jelenség (nem tévesztendő össze a hisztonok metilációjával). A metiláció a citozinbázisokon történik, 5-metil-citozin kialakulását eredményezve. Ez az epigenetikai jelenség gerinces állatokban és növényekben fordul elő. A citozinmetiláció a transzkripcionálisan nem aktív gének szabályozó régióira jellemző. Ebből következik, hogy a DNS-metiláció valószínűsíthetően gátolja a transzkripciót.

A citozinmetiláció az egymás melletti CG nukleotidoknál történik (a komplementer szálon is CG található 5’→3’ irányban olvasva). Ez megmagyarázza a metilációs mintázat átörökítését a sejtosztódások során: ha a szülői DNS-szál metilált egy CG helyen, akkor az újonnan szintetizált DNS-szál citozinja is metilálódik az adott nukleotid párnál, DNS-metiltranszferáz (DNMT) enzimek által (10.12. ábra).

Közismert, hogy az 5-metil-citozinok mutációs forrópontként viselkednek (lásd Mutációk fejezet), hiszen spontán dezaminációjuk timin kialakulásához vezet. Feltételezhető, hogy emiatt a CG szekvenciarészek nagy része az evolúció során „kikopott” a genomokból. Megmaradtak viszont azokon a részeken, melyeken regulációs szereppel bírtak, és emiatt szelekciós nyomás alá estek. Ma ezzel magyarázzák a gének szabályozó régióiban fennmaradt CpG-szigeteket (több CG szekvencia rövid szakaszon, a p a cukorfoszfát gerincet jelzi, utalva a C és G nukleotidok egymás melletti, egy szálon való elhelyezkedésére).

A DNS metilációja és a hisztonok módosulása gyakran együtt jár, s ma úgy látszik, hogy ezek egymást kiegészítő szabályozási formák. A metilezett DNS-szakaszokhoz jellegzetes fehérjék kötődnek. Ezekhez hiszton deacatilázok is kapcsolódhatnak, melyek tovább stabilizálják a gén inaktív állapotát (10.12. ábra). A metilcsoportok eltávolítása során rendszerint acetiltranszferázok is megjelennek, és segítik a nyitott kromatinszerkezet kialakítását.

Az ivarsejtek kialakulásakor a genomon „végigfut” egy demetilációs hullám, és az embrionális fejlődés során kialakul a de novo (újonnan képződő) metilációs mintázat a sejtekben, ami aztán a sejtosztódások során ún. fenntartó metilációval többnyire stabilan fennmarad (10.12. ábra). Ezen a területen még igen sok a megválaszolatlan kérdés, főként az embrionális epigenetikai újraprogramozás hátteréről tudunk keveset.

10.12. ábra - A DNS-metiláció egy epigenetikai jelenség, mely befolyásolja a kromatin szerkezetét és a gének kifejeződésének mértékét

A DNS-metiláció egy epigenetikai jelenség, mely befolyásolja a kromatin szerkezetét és a gének kifejeződésének mértékét

A DNS-metiláció szerepet játszik a szülői imprintingben, az emlősök X-kromoszóma inaktivációjában, a centromer körüli kromatinrégiók kondenzált szerkezetének kialakításában. Szabálytalan metilációs mintázat rákos sejtekben is gyakori, például alapvetően kifejeződő tumorszupresszor gének promóterének de novo hipermetilációja a gén csendesítéséhez vezet, ami ekvivalens az adott gén funkcióvesztéses mutációjával. A centromer régió DNS-ének hipometilációját is leírták bizonyos rákos sejtekben; ekkor a centromer szerkezetének megbomlása a genom instabilitásához vezet. A mozgó genetikai elemek (helyüket változatni képes DNS-szakaszok) mozgásának visszaszorításában is igazolták a DNS-metiláció szerepét, tehát ezáltal ez a mechanizmus hozzájárul a genomi átrendeződések megakadályozásához.

Szülői imprinting

Az epigenetikai öröklődés különleges példája a szülői imprinting, ekkor adott gén aktivitása függ annak leszármazásától. Bizonyos autoszomális gének az általánostól eltérő öröklődési mintázatot mutatnak. Az Igf2 gén például csak akkor fejeződik ki egérben, ha azt az egyed apjától örökölte. Erre az esetre az anyai imprintinget szenvedett (maternally imprinted) kifejezés használatos, mivel az anyától származó génpéldány inaktív. Az egér H19 génje ezzel szemben apai imprintinget szenvedett. A jelenség következménye az, hogy noha fizikailag jelen van két példánya a kérdéses génnek, az imprintinget szenvedő génekre nézve az egyed hemizigótaként viselkedik. Az imprintingben érintett gének molekuláris szintű vizsgálata megmutatta, hogy bizonyos citozinbázisaikon metilcsoportok vannak, és egyébként a gén szekvenciája nem változott. Mivel az egyik szülőtől örökölt allél inaktív, a másik szülőtől származó allél mutációja dominánsnak tűnik, holott az egyed funkcionális értelemben hemizigóta a génre nézve. Mai ismereteink szerint az imprintinget szenvedő gének száma az emberi genomban száz körüli.

Néhány humán genetikai betegség hátterében is imprintinget szenvedő gének vannak.

Az Angelman-szindróma (leírója Harry Angelman után, 1965) világszerte előfordul körülbelül 1:20000000 gyakorisággal. A betegség leírója „boldog babáknak” nevezte az érintett gyerekeket (jellemző tünetek a nevetés, szaggatott járás). 1987-ben írták le a betegséggel kapcsolatban a 15. kromoszóma egy kb. 4 Mbp-os szakaszának delécióját. Mára ismert, hogy ezen a szakaszon lévő, az ubikvitin-útvonalban részt vevő, UBE3A gén érintett a betegségben. A gén apai imprintinget mutat. Az Angelman-szindróma kialakulása az anyai allél deléciójának (az esetek 70%-a) vagy más mutációjának (az esetek 30%-ban) következménye.

Egy másik betegség, a Prader–Willi-szindróma szintén a 15. kromoszómán elhelyezkedő egyik gén (SNRPN) funkcióvesztésének eredménye. A betegek alacsonyak, enyhén szellemi fogyatékosak, izomtónusuk gyenge és kényszeres evők. Az SNRPN gén terméke az mRNS-splicingban vesz részt, anyai imprinting jellemzi. A szindróma tehát az apai génpéldány hiányának vagy hibájának következménye.

Az emlősök X kromoszóma inaktivációja

Emlősöknél az X kromoszóma dóziskompenzációja (lásd még az Egygénes öröklődés című fejezetben) azt jelenti, hogy az X két példányán lévő gének kifejeződése kiegyenlítődik a hímek egyetlen X kromoszómáján lévő gének dózisával. A dóziskompenzáció emlősökben a nőstények egyik X kromoszómájának inaktivációjával valósul meg. Minden egyes sejtben a fejlődés egy korai szakaszán az egyik X kromoszóma inaktiválódik, és ezt az állapotát minden utódsejtbe továbbörökíti. Az X kromoszóma az ovogenezis alatt aztán reaktiválódik.

Az X-inaktiváció két tekintetben is hasonlít az imprintingre:

  • Az X-inaktiváció nem mindig random. Az erszényeseknél mindig az apai X inaktiválódik. Bizonyos sejttípusokban a méhlepényesekben sem véletlenszerű az inaktiváció: az amnion, a korion és a placenta, azaz az extraembrionális membránok sejtjeiben is az apai X inaktiválódik, és csak magában a kb. 64 sejtes, szűk értelemben vett embrióban random az inaktiváció.

  • A korai sejtek minden utódja „emlékszik” a döntésre. A klonális természetű öröklődés miatt nagy, folyamatos szöveti szektorokban ugyanaz az X kromoszóma inaktív. A memória alapja lehet a metiláció: az inaktív kromoszóma jóval metiláltabb. Továbbá az inaktív X hisztonjai kevésbé acetiláltak. Egy speciális RNS, amit Xist-nek neveznek, nem kódol fehérjét, és az inaktív X-en szintetizálódik, egy inaktivációs centrumból kiindulva burkolja be az inaktív X-et. Hogy mennyiben járul hozzá a metiláció, hisztonacetiláció és a Xist-RNS-lokalizáció az X-inaktivációhoz, egyelőre kérdéses.

Megjegyezzük, hogy nem az egész X kromoszóma inaktiválódik, az ún. pszeudoautoszómális régió (az Y kromoszómával homológ szakasz) génjei mindkét X kromoszómán aktívak maradnak, és az inaktív blokkban is vannak aktív gének.

Pozíciófüggő variegáció

A jelenséget Hermann Müller írta le Drosophilá-ban még 1938-ban. (Müller volt az, aki elsőként végzett röntgen mutagenezis screen vizsgálatokat.) Felfigyelt olyan különleges mutánsokra, melyek összetett szemében fehér és piros szektorok váltakoztak. Kiderült, hogy a foltos szemű legyekben egy X kromoszóma szerkezeti változás van jelen: az X kromoszóma végi régió transzlokációval átkerült a centromer közelébe (10.13. ábra). Az átkerült szakasz tartalmazta a white gént (emlékezzünk vissza, hogy a gén mutációja fehér szemszínhez vezet). A fehér szektorok kialakulásának oka az, hogy bizonyos sejtekben a centromert alkotó heterokromatin szerkezet kiterjed a szomszédos régiókra, így a white gént tartalmazó transzlokálódott szakaszra, mely kromatinstruktúra a white gén inaktiválódásához vezet. A gén kifejeződése tehát nem mutáció hatására, hanem a kromoszómán elfoglalt pozíciójával változik meg (Erre utal a jelenség neve: pozíciófüggő variegáció, angol kifejezéssel position-effect variegation, rövidítve PEV). A heterokromatinizáció nem minden sejtcsoportban történik meg, ezért lesznek piros szektorok is a szemben (10.13. ábra). A felfedezés jelentőségét az adja, hogy PEV-fokozó és PEV-szupresszáló mutánsok segítségével egy sor olyan gént azonosítottak a Drosophilá-ban, melyek a heterokromatin kialakulását elősegítik vagy gátolják. Később kiderült, hogy a Drosophilá-ban azonosított fehérjék homológjai az eukarióta szervezetekben általánosan elterjedtek. A HP1 (heterokromatin protein 1) például egy H3 hiszton-specifikus metiltranszferáz, mely fontos a centromer és telomer régiók heterokromatin szerkezetének kialakításában. Mutációja Drosophilá-ban szupresszálta a heterokromatin kiterjedését, azaz csökkentette a fehér szektorok mennyiségét a szemben (10.13. ábra).

10.13. ábra - A pozíciófüggő variegáció (PEV) egy gén helyének megváltozásával járó génkifejeződés megváltozásából adódik

A pozíciófüggő variegáció (PEV) egy gén helyének megváltozásával járó génkifejeződés megváltozásából adódik