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 Epigenetika Gén expresszió szabályozás

6 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

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

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

9 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

10 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: /

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

12 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:

13 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

14 Példák a primer illetve szekunder epimutációkra. Nature Reviews Cancer 15, (2015)doi: /nrc4001

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

16 Gluckman, P. D. et al. (2009) Epigenetic mechanisms that underpin metabolic and cardiovascular diseases Nat Rev Endocrinol AZ EPIGENOM ÉLETHOSSZIGLAN ÉRZÉKENY A KÖRNYEZETI HATÁSOKRA De vannak különösen érzékeny időszakok

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

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

19 Az apai illetve anyai transzgenerációs epigenetikai átvitel lehetőségei Nature Reviews Neuroscience 16, (2015)doi: /nrn3818

20

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

22 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

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

24 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

25 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

26 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)

27 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

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

29

30 Spermium epigenetika Nature Reviews Urology 9, (November 2012) nyomán 30

31 A gametogenezis epigenetikai érintettsége

32

33 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

34 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

35 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

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

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

38 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

39 AZ ÉHSÉG TELE. THE DUTCH HUNGER WINTER

40

41 The Dutch Hunger Winter

42

43 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

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

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

46 Az aguti egérmodell

47 A környezet által indukált epigenetikus állati fenotípusok Diéta-függő metilációs változások Nature Reviews Genetics 13, (February 2012)

48

49

50 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!

51 diet 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 DNA synthesis DNA methylation

52 A környezeti hatásokra való fogékonyság kritikus ablaka Nature Reviews Genetics 13, (February 2012) DNMT1 = fenntartó DNS-metiltraszferáz universal methyl donor = S-adenosylmethionine (SAM)

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 Az utód fenotípusának egyedfejlődés alatti átprogramozása szülői elhízás/metabolikus szindróma hatására Trends in Endocrinology and Metabolism, Volume 26, Issue 2, 2015,

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 Rat

74

75 MikroRNS expresszió változások DES kezelés hatására

76 4 endokrin károsító vegyület transzgenerációs epigenetikai hatása Walker, D. M. & Gore, A. C. (2011) Nat. Rev. Endocrinol. doi: /nrendo

77

78

79 Az arzén epigenetikai hatása

80

81

82 Példák az epigenetikus transzgenerációs 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)

83 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

84 A transzgenerációs epigenetikai öröklődés alternatív lehetőségei

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

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

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

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

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

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

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

92