TRANSZGENERÁCIÓS EPIGENEZIS Dr. Tóth Sára Semmelweis Egyetem Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézet

Átírás

1 TRANSZGENERÁCIÓS EPIGENEZIS Dr. Tóth Sára Semmelweis Egyetem Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézet

2 EPIGENETIKA Olyan jelenségekkel foglalkozik, amelyek következtében anélkül nő a genom genetikai sokféleséget létrehozó képessége, hogy a DNS szekvenciája változna, azaz mutáció történne.

3 EPIGENETIKA, MINT SZOFTVER Merevlemez Genom Programok Epigenom Zárt Nyitott Védett Joern Walter (Saarland, Germany) nyomán

4 A mutációk gyakran a szekvencia értelmét változtatják meg Az epigenetikai változások az aktivitást módosítják

5 A génexpresszió epigenetikai szabályozása 1) Hiszton módosulások 2) DNS metiláció 3) Nem kódoló RNS-ek Cheryl Li, and Olivia Casanueva Essays Biochem. 2016;60: nyomán

6 Epigenetika Gén expresszió szabályozás

7 Genetika és epigenetika Genetika Epigenetika Instabil epigenetikai jelek Sejtdifferenciáció Stabil epigenetikai jelek DNS-szekvencia specifikus öröklődés; epigenetikai jelek törlése Sejtosztódás A jelek epigenetikai öröklődése Genom Epigenom

8 A genetika, az epigenetika és a fenotípus kapcsolata Öröklődő epigenetikai változások fertőzések dohányzás öregedés Genome Epigenom Fenotípus egyedfejlődés differenciálódás étrend környezetszennyezés

9 Az embert érintő epigenetikai hatások Front. Cell Dev. Biol., 09 September 2014 doi: /fcell

10 Epigenetikai eltérések Öröklött Epimutáció Transzkripciós változások Szerzett/szomatikus Étrend Életkor Nem Gyógyszerek Fertőzések Stressz faktorok Anyai utódgondozás DNS metiláció Hiszton módosulások Nem-kódoló RNS-ek Kromatin remodellezés

11 Transzgenerációs epigenetikai memória Környezeti hatás vagy az epigenetikai módosítók genetikai defektusa Csíravonal epigenetikai változása Testi sejtek epigenetikai változása A fenotípus változás (epiallél) transzgenerációs öröklődése Egy generációs fenotípus változás A kromatin állapot stabil átvitele A kromain állapot sztochasztikus reverziója Kelly Epigenetics & Chromatin :6 doi: /

12 Az epigenetikai memória főbb kérdései A/ Mitotikus memória B/ Sejt (lineage) specifikáció C/ Transzgenerációs epigenetikus öröklődés Development 2012;139:

13 A génexpresszió sejtosztódások során át történő átadásának lehetséges mechanizmusai A/ Transzkripciós faktorok és ncrns-ek általi génexpresszió átadás B/ Templátként szolgáló DNS és kromatin C/ Bookmarking Development 2012;139:

14 Epigenetikai változások és következményeik SZOMATIKUS VÁLTOZÁSOK Epigenetikai jelek sztochasztikus kialakulása Környezet indukálta epimutáció Véletlenszerű, kor-függő epimutáció VÁLTOZÁSOK A CSÍRAVONALBAN Csírasejtek epimutációi A szülői mintázat (pl. metilációs) nem teljes kitörlődése Transzgenerációs epigenetikai öröklődés Epigenetikai variációk egy generáción belül

15 A korai egyedfejlődés alatti epigenetikai reprogrammozás: a konstitutív epimutációk kialakulása és letörlődése Nature Reviews Cancer 15, (2015)doi: /nrc4001

16 Az epigenom élethossziglan érzékeny a környezeti hatásokra Gluckman, P. D. et al. (2009) Epigenetic mechanisms that underpin metabolic and cardiovascular diseases Nat Rev Endocrinol De vannak különösen érzékeny időszakok

17 Multigenerációs vagy transzgenerációs-e az epigenetikai hatás? Multigenerációs expozíció endogén, exogén környezeti hatások kritikus periódusok Transzgenerációs fenotípus?

18 Current Opinion in Chemical Biology, Volume 33, 2016,

19 A apai és az anyai transzgenerációs epigenetikai öröklődés összehasonlítása Current Opinion in Chemical Biology, Volume 33, 2016,

20 Az emlősökben az örökölt epigenetikai információnak el kell kerülnie a reprogramozást mind a csírasejtekben, mind pedig a korai embrionális fejlődés során Current Opinion in Chemical Biology, Volume 33, 2016,

21 Minden egyes generációban keletkezhetnek új epimutációk Current Opinion in Chemical Biology, Volume 33, 2016,

22

23 Figure 1 Többgenerációs öröklődési módok Prenatális expozíció Multigenerációs expozíció Transzgenerációs öröklődés Trends in Molecular Medicine ,

24 Átviteli utak Apai Anyai Csíravonal sejtjei Ivarsejtek Az intrauterin egyedfejlődés programozása Csíravonal sejtei Ivarsejtek

25 F0 Epigenetikai programozó hatás Nőnemű utód F1 fenotípus Hímnemű utód F1 fenotípus Csíravonal epigenetikai mintázat Szomatikus epigenetikai mintázat Intrauterin környezet Csíravonal epigenetikai átvitel ncrns-ek, prion, vírus F2 fenotípus F2 fenotípus Transzgenerációs átvitel a következő generációkra

26 Terhesség alatti komplex kölcsönhatások az anyai milieu, a placenta és a magzat között Nature Reviews Neuroscience 16, (2015)doi: /nrn3818

27 Táplálkozás DNS metiláció Hiszton módosulások Nem-kódoló RNS-ek Stressz Megváltozott génexpresszió Endokrin károsító vegyületek (EDC) KÖVETKEZMÉNYEK Magzat Placenta Anya Növekedési visszamaradás Anyagcsere változások Megváltozott idegrendszeri fejlődés Módosult hormonális rendszer Abnormális invázió Tökéletlen vascularizáció Megváltozott sejtdifferenciálódás Gyenge növekedés Preeclampsia Terhességi cukorbetegség Ismétlődő vetélések

28 Nem csak a terhesség időszaka számít Korlátozott fehérjebevitel a terhesség alatt Korlátozott fehérjebevitel a terhesség és a szoptatás alatt Csökkentett fehérjetartalmú étrend a terhesség alatt Csökkentett fehérjetartalmú étrend a terhesség és a szoptatás alatt Feltételezett mechanizmus: megváltozott metiláció, ami a gének megváltozott expressziójához vezet Feltételezett mechanizmus: megváltozott metiláció, ami a glükóz metabolizmusban érintett gének megváltozott expressziójához vezet Magas szisztolés vérnyomás és csökkent nefron szám; feltehetően magas vérnyomásra hajlamosít Megváltozott glükóz anyagcsere ; hajlamosíthat a cukorbetegségre

29 Anyai hatás Terhesség alatti születés utáni - laktációs F0 generáció Szénhidrát-dús diéta a szoptatás alatt F1 generáció Kontroll diéta (HC anya) Hiperinzulinémia (Srinivasan et al Diabetes 2003)

30 A környezet hatása az apai epigenomra Környezeti / életmód hatások Toxinok Endokrin diszruptorok Dohányzás Elhízás A hatások vagy a herében a kialakulás vagy a mellékherében az érés során érhetik a spermiumot Hiszton-kötött DNS MikroRNS DNS törések Megváltozott génexpresszió a zigótában Nem megfelelő embrionális növekedésű és egészségi állapotú utód Science 15 August 2014: Vol. 345 no pp

31 A környezet általi reprogrammozás kritikus szakaszai a spermatogenezis alatt Nature Reviews Neuroscience 16, (2015)doi: /nrn3818

32 Spermium epigenetika

33 Spermium epigenetika Nature Reviews Urology 9, (November 2012) nyomán 33

34 A méhen belüli alultápláltság megváltoztatja a felnőtt csírasejt metilomját In utero alultáplált Jelmagyarázat Terhes F0 PGC-k Oocyta F1 felnőtt hím Spermium Hipometilált CpG-k F1 spermium A spermium DNS lókusz-specifikus hipometilációja Nukleoszóma - megtartó régió Megtermékenyítés Felnőtt F2 utód Science 15 August 2014: Vol. 345 no Transzkripciós szabályozási zavar A metilációs különbségek elvesztése Anyagcsere betegség

35 A DNS metiláció önmagában nem elég a transzgenerációs fenotípus létrehozásához Kontroll Alultáplált Teljes remetiláció Inkomplett remetiláció Normális metiláció Csökkent metiláció Science 15 August 2014: vol. 345 no Normális metiláció

36 A környezet hatása az embriogenezisre In vivo Petevezető folyadék Kevés fehérje Bakteriális fertőzés citokin egyensúly vagy IVF környezet Aminosavak, glükóz, lipidek Citokinek, növekedési faktorok O 2, hőmérséklet Mechanofizikai hatások anyagcsere differenciálódás Utódok fenotípusa Inzulin rezisztencia Vérnyomás Testsúly és zsír Science 15 August 2014: Vol. 345 no pp

37 Anyai táplálkozás befolyásolja petesejt tartalékképzését Megváltozott étrend, gyulladás, toxinok Science 15 August 2014: Vol. 345 no pp

38 A metabolikus génexpresszió apai eredetű, transzgenerációs, környezeti, reprogrammozása Alacsony fehérjetartalmú apai diéta Cell, Volume 143, Issue 7, 2010,

39 Néhány bizonyíték az étrend, mint epigenetikai környezeti hatás szerepére Humán The Dutch hunger winter Svéd vizsgálat: nagyszülői alultápláltság ( ) és az unokák T2D és CVD morbiditásának és mortalitásának kapcsolata Állat (Egér/Patkány) Aguti yellow mutáns egér: diéta függő obezitás, tumorképzés, szőrzetszín Patkány: diéta függő hiperinzulinémia az utódokban

40 AZ ÉHSÉG TELE. THE DUTCH HUNGER WINTER

41

42 The Dutch Hunger Winter

43

44 AZ OBEZITÁS PROGRAMOZÁSA O b e z i t á s k o c k á z a t Születési súly Emberi és állatmodell bizonyítékok AZ OBEZITÁS KOCKÁZATA MIND TÚL KICSI, MIND PEDIG TÚL NAGY SZÜLETÉSI SÚLY ESETÉN EMELKEDETT

45 Különbség az IGF2 DMR metilációja a születés előtt az éhínségnek kitett egyének és az azonos nemű testvérük között Hipometilált Bastiaan T. Heijmans et al. PNAS 2008;105: IGF2 DMR = inzulinszerű növekedési faktor 2 differenciáltan metilált régió

46 T2D mortalitás : csak az apai nagyszülők! XX XY GP Y X (Kaati et al 2002; Pembrey et al, 2005) GM (Kaati et al 2002)

47 Az aguti egérmodell

48 A környezet által indukált epigenetikai fenotípusok Diéta-függő metilációs változások Nature Reviews Genetics 13, (February 2012)

49

50

51 Diéta és epigenetika A hipometilált IAP agouti allél ektópiásan túlexpresszál, ezzel sárga szőrzetszínhez, obezitáshoz és fokozott tumor hajlamhoz vezet A metil-donorokban gazdag étrend helyreállítja normális fenotípust!

52 diéta FOLIC ACID / FOLATE methionine tetrahydrofolate methionine synthase (MTR) Vitamin B 12 methionine synthase reductase (MTRR) S-adenosylmethionine 5,10-methylenetetrahydrofolate 5-methyltetrahydrofolate homocysteine S-adenosylhomocysteine 5,10-methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR) cystathionine Vitamin B 6 b-synthase (CBS) cystathionine DNS szintézis DNS metiláció

53 A metabolitok és a transzkripció kapcsolata a DNS metilációval és a poszt-transzlációs hiszton módosulásokkal Táplálkozás és anyagcsere Metabolitok Az enzimaktivitás kofaktorai vagy modulátorai Írók /writers DNMT-k, HMT-k, KAT-ok, kinázok, OGT Törlők /erasers, TET-ek, KDM-k, HDAC-k, foszfatázok, OGA Kapcsolódás Eltávolítás Nature 502, (24 October 2013) Homeosztatikus transzkripciós válasz

54 Az anyagcsere és az epigenetika Figure 3 közötti pábreszéd Cell Metabolism , 9-17DOI: ( /j.cmet ) OGT = O-GlcNAc transzferáz SIRT1/6 = sirtuin = hiszton deacetiláz HAT = hiszton acetil-transzferáz HMT/DNMT =hiszton/dns metil-transzferáz JHDM/TET = hiszton/dns demetiláz

55 Az OGT egy olyan jelentős epigenetikus szabályozó, amely összekötheti az anyagcsere és a betegségre való hajlam epigenetikai szabályozását az X-kromoszómához kötött géndózissal O-GlcNAc transzferáz (OGT) O-GlcNAc-áz (OGA),

56 Cell Volume 148, Issues A kromatin remodellező enzimek érzékelik a sejtanyagcsere változásait

57 Folát Fólsav B6 és B12 vitamin Kolin Betain, Alkohol DNS és hiszton metiláció Étrendi összetevők Táplálkozás és epigenezis Kalóriadús diéta Alacsony NAD + /NADH arány SIRT1 (hiszton deacetiláz) gátlás Acetilált hiszton (H4K16 és H3K9) Aktív transzkripció Kalória megvonás Magas NAD + /NADH arány + Resveratrol (fenolok)? Aktív SIRT1 Gátolt transzkripció Anyagcserével kapcsolatos fenotípusok

58 A táplálkozás epigenetikai szerepe fiziológiás és patológiás folyamatokban

59 A tápanyagok hatással lehetnek az imprintingre NUTRIENT FOOD ORIGIN EPIGENETIC ROLE Methionine Folic Acid Sesame seeds, brazil nuts, fish, peppers, spinach Leafy vegetables, sunflower seeds, baker's yeast, liver SAM synthesis /S-adenosylmethionine/ Methionine synthesis Vitamin B12 Meat, liver, shellfish, milk Methionine synthesis Vitamin B6 SAM-e (SAM) Choline Betaine Resveratrol Genistein Sulforaphane Butyrate Diallyl sulphide (DADS) Meats, whole grain products, vegetables, nuts Popular dietary supplement pill, unstable in food Egg yolks, liver, soy, cooked beef, chicken, veal and turkey Wheat, spinach, shellfish, and sugar beets Red wine (shown in lab mice) Soy, soy products Broccoli A compound produced in the intestine when dietary fiber is fermented Garlic Methionine synthesis Enzymes transfer methyl groups from SAM directly to the DNA Methyl donor to SAM Break down the toxic byproducts of SAM synthesis Removes acetyl groups from histones, improving health Increased methylation, cancer prevention, unknown mechanism Increased histone acetylation turning on anti-cancer genes Increased histone acetylation turning on 'protective' genes Increased histone acetylation turning on anti-cancer genes

60

61 Endokrin-károsító vegyületek (endocrine disruptor chemicals =EDC) indukálta transzgenerációs epigenetikai öröklődés Skinner, M. K. (2015) Epigenetic transgenerational inheritance Nat. Rev. Endocrinol. doi: /nrendo

62

63 Vinclozolin kezelt F0 terhes anyák hím utódainak transzgenerációs fenotípusa A herecsatornák szövettani képe Kontroll F3 generáció

64 Férfi ágon, 4 generáción át érvényesülő hatások Endocrine disruptor -ok & fertilitás: Apoptózis Spermium - szám - mozgékonyság Metiláció : 25 szekvencia Vinclozolin = anti-androgén (Anway et al Science 2005)

65 DES= dietil-stilbösztrol katasztrófa

66

67 Ösztrogénreceptor aktiváció ösztrogénnel, -analóggal, és anti-ösztrogénekkel való kezelés után

68 Az anyai DES kezelés következményei a lány utódokban 1. Hüvelyrák vagy méhnyakrák (adenocarcinoma) 2. A méh és a hüvely fejlődési rendellenességei, amelyek: Sterilitáshoz (meddőség) Spontán vetéléshez Koraszüléshez Halva szüléshez Méhen kívüli terhességhez vezethetnek

69 DES és az emlőtumor

70 DES és az emlőtumor A genetikai háttér szerepe A különböző élőlények, illetve egyazon faj különböző alfajai/fajtái/törzsei eltérő érzékenységűek

71 EDC-k által az egyedfejlődés során átprogramozott gének Nature Reviews Cancer 12, (July 2012)

72

73 Példák a transzgenerációs epigenetikai öröklődésre Environmentally induced transgenerational inheritance Vinclozolin induced epigenetic transgenerational adult onset disease in rats (F1 F4) Transgenerational response in longevity to nutrition (F0 F2) Reference Anway et al. (2005) Kaati et al. (2007) Tumor susceptibility in Drosophila (F1 F3) Xing et al. (2007 Nutrition induced transgenerational obesity in mice (F1 F3) BPA-induced transgenerational testicular abnormality (F1 F3) Stem cell culture induced adult onset disease (F0 F4) Dioxin induced transgenerational uterine abnormality (F1 F4) Waterland et al. (2008) Salian et al. (2009) Lee et al. (2009) Bruner-Tran and Osteen (2010) Stress induced behavior alterations (F0 F2) Matthews and Phillips (2010) Transgenerational glucose intolerance (F0 F2) Transgenerational effects of morphine or thyroxine on hypocampus, birth weight and behavior (F0 F3) Transgenerational effects of chemotherapy in mice (F0 F6) Transgenerational effects of obesity on female body size (F0 F3) Pentinat et al. (2010) Vyssotski (2011) Kujjo et al. (2011) Dunn and Bale (2011)

74 Az EDC-k még az F3 generációban is hatással vannak a párválasztásra Walker, D. M. & Gore, A. C. (2011) Transgenerational neuroendocrine disruption of reproduction Nat. Rev. Endocrinol. doi: /nrendo

75 A transzgenerációs epigenetikus öröklődés alternatív lehetőségei

76 Ivarsejt-független Figure többgenerációs 2 átvitel Trends in Molecular Medicine ,

77 Az anyai utódgondozás minőségének szerepe Nat Rev Neurosci June; 10(6):

78 A hipotalamusz hipofízis mellékvese tengely szülői szabályozása Nature Reviews Neuroscience 11, (September 2010)

79 A környezeti hatások, stressz által kiváltott epigenetikus memória olyan fenotípust eredményezhet, amely befolyásolhatja a betegség-kockázatot Front. Genet., 04 June 2012

80 A szag-kondícionált félelem epigenetikai öröklődése Csökkent olfaktorikus receptor gén metiláció! Nature Neuroscience 17, 2 4 (2014) doi: /nn.3603

81 A megváltozott szagérzékenység transzgenerációs öröklődése és neuroanatómiája Neuropsychopharmacology Reviews (2016) 41, ; doi: /npp

82 A prenatális stressz és a mentális egészség kapcsolata Neuroscience and Bioehavioral Reviews, Volume 48, 2015,

83 A prenatális stressz hatására fokozott a schizophrenia kialakulásának kockázata Neuroscience and Biobehavioral Reviews, Volume 48, 2015,

84 Kontextus-függő epigenetikus hatásátvitel Walker, D. M. & Gore, A. C. (2011) Transgenerational neuroendocrine disruption of reproduction Nat. Rev. Endocrinol. doi: /nrendo

85

86 Betegség-asszociált transzgenerációs epigenetikai öröklődés Kék = glikémia-asszociált fenotípusok Barna = gyermekkori társadalmi hatások Zöld = táplálkozással kapcsolatos megfigyelések Sárga és egyéb detektált epigenetikai Narancssárga módosulások Behavioural Brain Research 192(1):70-87 October 2008

87 Imprinting és az aszisztált reproduktív technológiák (ART) Aszisztált reproduktív technológiák in vitro fertilizáció, intra-citoplazmatikus spermium injekció és ooplasm donáció, megzavarhatják a szabályos fenntartó imprintinget és imprinting hibákhoz vezethetnek.

88 Az ART hatása az imprintált gének metilációjára és expressziójára EGÉR Ex = Expressziós szint vagy alllél-expresszió M = metiláció Human Reproduction Update, Vol.18, No.2 pp , 2012

89 Az ART hatása az imprintált gének metilációjára és expressziójára EMBER Human Reproduction Update, Vol.18, No.2 pp , 2012 Ex = Expressziós szint vagy alllél-expresszió M = metiláció

90 Az imprinting hiba mint a BWS- és Angelmanszindrómákat okozó változás gyakoribb ART esetekben Grafodatskaya D et al. EMBO Rep. 2013;14:

91 Az emberi egyedfejlődést befolyásoló epigenetikai tényezők Az epigenetikai programra ható tényezők Az epigenetikai módosulások fenotípusos következméyei A transzgenerációs átvitelt befolyásoló tényezők Az újszülöttekre gyakorolt hatások Human genomics 9(1):17 July 2015