Dr. Natalia Cucu

Gene$ca clasica Gene$ca moleculara

Epigene$ca

Feno$p clinic (simptomatologie,

parametri biochimici, imagis2ci etc

Varia2a expresiei genice

Rela2a structura-‐feno2p

Plas$citate – Reprogramare

Detec$e $mpurie

Preven$e

Curs Epigenetica: Universitatea din Bucuresti/Dept Genetica: Prof Dr Natalia Cucu

Pana recent, biomarkerii de analiza ai materialului genetic se refereau doar la molecula ADN (biologie moleculara) sau la cromozomi (citogenetica)


Conceptul actual in biologie Materialul genetic in genetica moleculara clasica si moderna:

ADN/cromozomi/cromatina

cromozomi metafazici (nivelul de compactare maxima a cromatinei)

molecula ADN dubla elice (structura primara care codifica informatia genetica= secventa nucleotidica) Cromatina

complex ADN dubla elice-histone (diferite etape de compactare)


Materialul genetic eucariot (uman) Reprezentarea in genetica clasica: macromolecula ADN in forma de dubla elice-structura primara stabila, fixa Reprezentarea in genetica moderna: un complex ADN/histone denumit “cromatina”-suprastructuri/conformatie dinamica STRUCTURA cromatinei si a dublei elici ADN unitatea structurala elementara a cromatinei-nucleozomul unitatea structurala, primara a ADN dubla elice (slide anterior): secventa nucleotidica


Etapele de condensare/compactare a cromatinei si caracteristicile structurale ale conformatiei cromatinei in fiecare etapa

CROMATINA: aspect dinamic vs static: fiecare etapa de condensare este asociata cu reglarea functiei genice


Etape de control a functiei de transcriere Decodificarea se realizeaza la nivelul

nucleului

citoplasmei

Functia genei=Expresia genei (transcrierea si traducerea informatiei genetice)

Nivel transcriptional (nivelul transcrierii)

Nivel posttranscriptional (nivelul post-transcriere)

Nivel posttranslational (nivel post-traducere)


MEDIUL/INFORMATIA GENETICA-EPIGENETICA….FENOTIP Teoria initiala a epigenezei- acelasi genotip (vale), epigenotipuri diferite (relief diferit al vaii) si fenotipuri diferite corespunzatoare (Waddington, 1940) A,C

Baza moleculara a relatiei genotip-fenotip in epigenetica actuala: remodelarea conformatiei cromatinei prin efectori (enzime) specifici de - ADN (ADN metiltransferaze), -histone (histon metilaze/acetilaze etc) si -ARN de interferenta (ARNi)

Fenotip 1

Fenotip 2

Fenotip 3


Reprezentarea perspectivica a ADN metilat

5MeC (nucleotida Citidina prezinta grupa metil (puncte luminoase) atasata; este forma metilata a citidinei)

Codul epigenetic NUCLEU METILAREA ADN


Modificarea covalenta, biochimica, independenta de secventa nucleotidica a ADN: reactia biochimica, catalizata de enzima, de atasar ea grupelor metil la

resturile de citidina, in prezenta donorului de grupe metil SAM (Biochimia metilarii ADN)

Enzima ADN metiltransferaza se ataseaza la inelul pirimidinic al C Donorul de grupe metil SAM

Citidina metilata 5MeC

Codul epigenetic NUCLEU METILAREA ADN


Codul epigenetic la nivelul histonelor: CODUL HISTONIC Structura unui nucleozom: complex nucleohistonic-ADN/histone

Lodish et al., Molecular Cell Biology, 6th ed.

Miez nucleozomal /octamer histonic (H2A x 2; H2B x 2; H3 x 2; H4 x 2)

Histone -capat –COOH acid in conformatie globulara -capat –NH2 bazic in conformatie liniara

(coada histonica)

ADN dubla elice infasurat in jurul miezului octameric histonic de cca 2 ori

Codul epigenetic NUCLEU MODIFICAREA HISTONELOR


Enzime implicate in modificarea covalenta a cromatinei- efectori enzimatici epigenetici - ADN metiltransferaze (ADNMT sau DNMT -DNA methyltransferases)

rol in atasarea grupelor metil la resturi de citidina (C), in inleul pirimidinic al bazei azotate citozina -  Histon metilaze (HMT)

rol in atasarea grupelor metil la resturi de aminoazizi bazici (lizina, serina, arginina etc) in cozile histonice (COO-) - Histon demetilaze (jumondji)

rol in deatasarea grupelor metil de la resturi de aminoazizi bazici (lizina, serina, arginina etc) in cozile histonice (COO-) - Histon acetilaze (histone acetyltransferases, HAT) rol in atasarea grupelor la resturi de aminoazizi bazici (lizina, serina, arginina etc) in cozile histonice (COO-) - Histon deacetilaze (histone acetyltransferases, HDAC) rol in detasarea grpelor acetil de pe resturile de aminoacizi bazici acetilati din in cozile histonice (COO-) - Histon sumoilaze, histon ADPribozilaze, histon biotinilaze, etc.

Codul epigenetic NUCLEU EFECTORI ENZIMATICI


Codul epigenetic NUCLEU-CITOPLASMA (ARN de interferenta)


Relatia genotip (material genetic)-fenotip (expresia sau functia genei-proteina)

Fenotip celular -Tesuturi nervoase specializate

Fenotip celular renal

Fenotip celular miocardic

Fenotip celular pulmonar

Fiecare celula/tesut are o specializare particulara; aceasta se defineste la nivel molecular prin: fenotip particular concomitent cu un genotip identic in orice celula, indiferent de specializare

Notiuni privind procesul de dcitodiferentiere, specializare, dezvoltare Relatia genotip-fenotip este dinamica in procesul dezvoltarii unui organism pluricelular, eucariot -Organele diferite ale unui individ sunt formate din tesuturi-celule si -fiecare celula contine un genotip, un program genetic si un fenotip celular, reprezentat de un set de proteine care defineste fiziologia celulara particulara - fiecare celula, indiferent de tipul de organ/tesut, prezinta: un genotip constant in intregul organism si un epigenotip caracteristic tesutului

FUNCTIA GENELOR/PROGRAME EPIGENETICE


Imbatranirea –in esenta un proces dinamic asociat cu modificarea inf epigenetice Factori esentiali in modificarea inf epigenetice:stilul de viata si conditiile ambientale

- fenotipurile noi care apar in procesul imbatranirii sunt in majoritate rezultatul modificarii expresiei genelor si nu a mutatiilor -modul in care interactioneaza mediul cu genomul este

influentat de mutatiile punctiforme polimorfice, denumite SNP; acestea nu au valoare de diagnostic al unei stari patologice, ci de risc/susceptibilitate

-studiile comportamentului gemenilor: relatia in vivo dintrte genotip-fenotip, cu evidentierea rolului major al mediului


Geno2puri iden2ce si epiegeno2puri foarte similare la gemenii univitelini in copilarie pot conduce la comportamente diferite si epigeno2puri mult diferite; diferentele se acumuleaza cu inaintarea in varsta

Gemenii univitelini, deci cu acelasi geno2p, pot prezenta suscep2bilita2 diferite pentru boli, fiind evident as@el rolul mediului in aceasta rela2e gena-‐suscep2bilitate-‐boala-‐mediu


Expunerea mamei la factori (dieta, toxine, hormoni etc.) implica expunerea concomitenta a trei generatii; modificarile epigenetice la nivelul gametilor mamei se vor transmite la fiica (prima generatie), iar fiica- prin celulele sale germinale primordiale, la a doua generatie. Memoria epigenetica se poate transmite pana la a patra generatie

Efect transgenerational ambiental

Efectul mediului asupra variatiei functiei genice si a epigenomului GENE (secventa)-GENE (functie)- MEDIU


Modelele experimentale care evidentiaza rolul nutritiei (mediului): Procesarea grupelor metil in celula: legatura dintre gene si mediu/nutrienti de la alimente bogate in grupe metil, la metionina si SAM; grupele metil astfel procesate sunt transferate pe molecule ADN/histone in cadrul cromatinei, mentinand stabilitatea conformationala si functionala

GENOM

Donor grupe metil

Enzima DNMT

Enzima HMT

Alimente cu compusi purtatori de grupe metil


Model animal clasic de studiu al influentei mediului asupra expresiei genelor: Studii pe soareci gemeni purtatori ai genei Avy- culoarea blanii - in conditii de mediu (nutritie/grupe metil) diferite, gemenii capata o coloratie de blana diferita si susceptibilitate la boala diferita (culoarea bruna este asociata cu forma slaba si cu starea de sanatate)

Soarecii cu deficiente in alimentatia cu folati-purtatori de grupe metil- au blana galbena si devin obezi, de asemenea pot dezvolta tumori


Explicatia la nivelul genei Modelele experimentale animale demonstreaza

influenta nutrientilor cu compusi- donori de grupe metil asupra expresiei unor gene

care controleaza culoarea blanii si sanatatea


Mutatie punctiforma: A/T se modifica in C/G


ADN este destinul nostru?

Suntem diferiti in ceea ce priveste informatia genetica codificata in ADN dubla elice?


Informatia genetica nu s-a schimbat de cand existam ca specie; suntem cca 99,9% identici la nivelul ADN

Genomul uman- cca 25000 gene impachetate in fiecare celula

Epigenomul uman- atasarea de grupe chimice functionale in structura ADN si histone cu efect de remodelare a conformatiei cromatinei; efectul- reprogramarea functiei genelor si deci a fenotipului celulelor

Modificari in informatia genetica- mutatii; f rare, efectul- boli genetice

Nutrientii, relatiile sociale, poluantii, ciclul circadian etc pot produce modificari la acest nivel; f frecvente; fac parte din adaptarea la mediu


Bibliografie privind relatii gena-functie genica-fenotip-mediu -notiuni fundamentale si aplicatii in neurofiziologie : http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/rats/ http://www.epigenome-noe.net/aboutus/epigenetics.php.html sau http://www.epigenome-noe.net/consulting/webconsulting.php.html -aplicatii in neurofiziologie-de asemenea in pachetul de articole anexat


Dr. Natalia Cucu

Documents

Transcript of Dr. Natalia Cucu