Epigenetik Mekanizmalar Prof Dr Süheyla Ünal İnönü Üniversitesi Tıp Fakültesi Psikiyatri Anabilim Dalı

Gen-Çevre Etkileşimi Normal gelişim çevre uyaranlarının varlığını gerektirir Genomun plastisitesi ve yeniden düzenlenebilir olması, çevresel uyaranlara uyum göstermeyi sağlamaktadır Genetik etkinlik, yapısal olgunlaşma ve işlev arasında (DNA-RNA-Protein) iki yönlü bir ilişki bulunmaktadır Genetik yapı bireyin davranışlarını ve yaşantılarını etkiler, bireyin yaşantıları da gen ifadesini etkiler

Gen-Çevre Etkileşimi replication & chromatin assembly chromatin modifications  Yaşamı sürdürmek ve gelişmek için de çevresel uyaranlara uygun tepki göstermeyi gerektirir epigenetik mekanizmalar Türün devamı için DNA gereklidir genetik yapı

Gen ifadesi aşamaları Transcription RNA processing mRNA transport mRNA translation mRNA degradation Protein degradation

DNA

DNA-Kromatin Kromatin önemli düzeyde epigenetik bilgi taşıyan dinamik bir materyaldir DNA küçük bir alana uygun bir şekilde paketlenirken bir sorun ortaya çıkar; kütüphane raflarına çok sayıda kitabın konulması sırasında olduğu gibi. İstenilen kitabı bulmak için indekslemek gerekir. Kromatin bu indeksleme sistemini sağlar

Kromatin DNA nükleozomlar etrafında iki şekilde organize olur; Heterokromatin; sessiz Ökromatin; aktif

Epigenetik mekanizmalar Kromatinin dinamik yapısı geri dönüşümlü epigenetik mekanizmalar ile kontrol edilmektedir Bu mekanizmalar DNA kodunda herhangi bir değişim olmaksızın sadece gen aktivitesini düzenler

Epigenezis Kromatinin yeniden modellenmesi ile protein ekspresyonu değişebilir DNA ile bağlantılı kromatin proteinlerindeki değişimler birçok somatik düzenlemeyi sağlar

Epigenetik mekanizmalar Kromatin düzenlemeleri Basılama (imprinting) RNA ile indüklenen sessizleşme

Gen transkripsiyonu Her gen alternatif eklentilerle farklı proteinler oluşturur Her protein fosforilasyon, metilasyon, asetilasyon ve glikolizasyonla çeşitli şekillere uyarlanabilir Uyarlanmış bu proteinler farklı protein komplekslerinin bir parçasını oluştururlar

Acetyl Methyl Phosphoryl Ubiquitin

Epigenetik kromatin düzenlemesi DNA düzeyinde uyarlama Sitozin metilasyonu Histon uyarlaması Histon asetilasyonu Histon metilasyonu Histon fosforilasyonu Histon glikolizasyonu Farklı tipte histonlar

Epigenetik kromatin düzenlemesi DNA metilasyonu Yeni sentezlenen DNA’nın %3’ü metilasyona uğrar metilasyon sıklıkla simetrik CG dizilerinde olur (CpG hedef dizisinde 5. karbonda metilasyon)

CpG–adası metilasyonu transkripsiyonu nasıl etkiler? metile-DNA proteinleri DNA’ya bağlar (MECP2, methyl CpG binding protein 2, MBD1-4) bu histon deasetilaz- SIN3A kompleksini güçlendirir kromatin yapısı kapanır, gen sessizleşir deasetilasyona bağlı sessizleşmenin aksine, metilasyon geriye dönüşümsüzdür gene

Metiltransferazlar DNMT1 – Sürdürücü metilasyon Metiltransferazlar yarı-metile CpG’leri tanır Bu nedenle metilasyon kalıbı replikasyondan sonra hücre tipinin stabil kalmasını sağlar Histon deasetilaz ile kompleks oluşturarak transkripsiyonu baskılar DNMT3a, DNMT3b-De novo metiltransferazlar Metile olmayan CpG baz çiftine metil grubu ekleyerek yeni bir yarı metile, sonra da metile CpG oluşturur Yeni metilasyon hücre büyümesi ve ayrımlaşmasını sağlar Tumor oluşumunda metilasyonda değişim sözkonusudur

DNA Metilasyonu Gen aktivasyonu veya baskılanmasını sağlar Transkripsiyonel sessizleşme Genomun pozisyon değişikliğinden korunması Genomik basılama (imprinting) X’i etkisizleştirme Dokuya özgü gen ifadesi DNA metilasyon kalıpları gametogenezis, gelişim ve yaşlanma sırasında yeniden organize edilirler

Histonlar Prokaryotta histon ve diğer yapılandırılmış proteinler yoktur Ökaryot ise histonlara sahiptir Histonlar DNA’ya bağlanan proteinlere müdahale ederek transkripsiyonu baskılar

Histon Kodu Hipotezi Yoğun yapı genin eksprese olmasını engeller Histon modifikasyonu ve kromatin yeniden modellemesi ile kromatin aktif bir yapıya kavuşur Histonların asetilasyonu ve deasetilasyonu, replikasyon, tamir ve transkripsiyonun düzenlenmesi için gerekli faktörlerin DNA’ya ulaşabilirliğini etkilemektedir Histon metilasyonu ise gen aktivasyonu veya baskılanmasıyla ilişkilidir

Ac -acetylated histones; mC-methylated Cytosine HDAC -histone deacetylases: Pol II- RNA polymerase II GTF- general transcription factors HAT -histone acetyltransferases; MBD -methylated DNA binding domain

Histon uyarlamaları De/Acetylation Methylation Phosphorylation Ubiquitination

Histon asetilasyonu Histonların asetilasyonu ve deasetilasyonu, replikasyon, tamir ve transkripsiyonun düzenlenmesi için gerekli faktörlerin DNA’ya ulaşabilirliğini etkilemektedir

Histon asetilasyonu Asetilasyon olayları pozitif yüklü amin gruplarını nötral amid bağlarına dönüştürür Pozitif yükün kalkması DNA’nın kendisini etkisizleştirmesine yol açar Bu olduğunda SWI/SNF gibi kompleksler ve diğer transkripsiyonel faktörler DNA’ya bağlanabilir hale gelir DNA’nın açılması ve RNA polimeraz gibi enzimlere maruz kalması gen transkripsiyonunu başlatır

Histon asetilasyonu H3 veya H4’ün asetilasyonu kromatinin açılmasına ve ulaşılabilirliğine neden olur (histon asetiltransferaz)

Histon metilasyonu Çevresel etkenlerle etkileşimi sağlar Histon metilasyonu DNA metilasyonu ile etkileşime girerek epigenetik durumun yeni kuşak hücrelere stabil olarak geçmesini sağlar DNMT1, DNMT3A, DNMT3B gibi enzimlerle gerçekleştirilir Metil transferazlar histondaki arjinin ve lizin kalıntılarını hedef alır Histon arjinin metilasyonu transkripsiyonel aktivasyona neden olurken, lizin metilasyonu transkripsiyonun baskılanmasına yol açar

Histon fosforilasyonu Histonlar mitoz sırasında fosforile olurlar Sinyal transduksiyon yolları dış uyaranlara fosforilasyon aracılığı ile de tepki verirler

Gen ekspresyonunun epigenetik kontrolü HAT K9 Ac M K9 Ac dMTase TSA HDAC INHAT TR+ HDAC K9- X DNMT TA+ Histone dMTase? K9- M X Gen ekspresyonunun epigenetik kontrolü Histone MTase K9-M X DNMT K9-M M X dMTase

Basılama Genler parental kökenine bağlı olarak ifade olurlar

Basılama Babadan ekspresse olan genler (Igf2, Peg3 gibi) Besin alımını ve fetusun büyümesini sağlar Anneden ekspresse olan genler (Igf2R, Mash2, Gnas gibi) Fötal büyümeyi engeller

Translasyon sonrası düzenlemeler Proteinlerin translasyon sonrası katlanması

Translasyon sonrası düzenlemeler Acetylation Glycosylation Phosphorylation Ubiquitination

Şaperon aracılı protein düzenlemeleri

Şaperonların yardımına rağmen proteinlerin %80’i yanlış katlanma gösterir

Yanlış katlanmış proteinlerin yıkımı Lizozomal (hücre dışı) Sitosilik (hücre içi) Ubiquitin Proteosom yolu

Protein degradation in eukaryotes requires a protein co-factor called ubiquitin. Ubiquitin binds to proteins and identifies them for degradation by proteolytic enzymes.

Ac -acetylated histones H3 Lys9 CpG-Me -methylated Cytosine HDAC -histone deacetylases DNMT -DNA methyltransferase HMT-histone methyltransferase MBD -methylated DNA binding domain HDAC deacetylates lysine residues as the prerequisite for methylation HP1 protein recognizes MeK9, binds also HMT and heterchromatin can spread

MeCP - Methyl-CpG binding protein IGF2 - insulin-like growth factor 2 Epigenetics and human disease CBP - CREB binding protein, co-activator of transcription Mi2 - nucleosome remodelling histone deacetylase

Genes Mechanims where involved Diseases SIOD - Schimle immuno-osseous dysplasia COFS - cerebro-oculo-facio-skeletal syndrome CBS - Cockayne syndrome type B RTS - Rubinstein Taybi syndrome