Epigenetik Dr. Umut Fahrioğlu Epigenetik Epigenetik DNA üzerinde, ama DNA dizisinde olmayan ve gen ifadesini etkilen kalıtsal faktörleri araştıran ve inceleyen bilim dalıdır. Hücre genomunda iki tür bilgi yeralır: Genetik bilgi: Bir hücrenin düzgün işleyişi için gerekli olan tüm proteinlerin oluşumu için gerekli bilgileri sağlar. Epigenetik bilgi: genetik bilginin nasıl, nerede ve ne zaman kullanılacağı konusunda ek bilgi sağlar. 1
Epigenetik kalıtım Bu kalıtım şeklinde, nükleer bir gene veya bir kromozoma yapılan bir modifikasyonla ifadesi değişir...bu değişim jenerasyonlarca değişmeden kalmaz. Bu değişiklikler oogeneze, spermatogenez ve embryonik gelişimin ilk evrelerinde olur. (Bu değişiklikler DNA dizisinde değişiklik değildir.) Bir kez bu değişiklikler olduysa bunlar o kişinin yaşamı boyunca kalıcı olabilir ve kişinin fenotipini etkiler. (Bir nesilden diğer nesile kalıcı değildirler). 2
Two main examples of epigenetics Dozaj kompansasyonu Genomik «imprint» (iz) Dozaj kompansasyonu Dozaj kompansasyonu iki cinsiyet arasında X- kromozomundaki birçok genin dozajlarının ayni kalmasını amaçlar. Memelilerde, bu işlem embryonik gelişim esansında aktif hale gelir. Dişi memeliler X inaktivasyon denilen işlemle X- kromozomlarından bir tanesini kapatarak ifadeyi eşitler. 3
No dosage compensation in birds Bir X kromozomunun inaktivasyonu 1949 da, Murry Barr ve Ewart Bertram dişi kedilerde interfaz evresindeki somatik hücrelerin çekirdeklerinde çok yoğun bir bir kütle gördüler. Bu yapı erkek kedilerde gözlemlenmedi. Daha sonra bu yapıya Barr body denildi. 1960 da, bu yapı sıkıştırılmış bir X kromozomu olduğu doğrulandı. 4
Kürk rengi ve X inaktivasyonu Memelilerde kürk rengi alacalı olabilir. (Erkeklerde mi dişilerde mi?) X-bağlı bir genin turuncu ve siyah allelleri için heterozigotluk. Gökkuşağı ve Copycat Klonlanmış kedi: Genom tıpatıp ayni Fakat anneden farklı görünüyor. 5
İnaktivasyonda Lyon hipotezi X b ve X B İçin iki alleldir. X b beyaz kürk rengi içindir. X B siyah kürk rengi içindir. X-inaktivasyonu için gerçekleşen olay rastgeledir. Bir kere bir X kromozomu seçildi mi o hücrenin tüm soyu ayni X kromozomunu kalıcı olarak inaktif hale getirecektir. 6
İnaktivasyon esnasında ve sonrasında Kromozom DNA sı sıkıştırılır ve Barr body oluşur. Bu sıkıştırmadan dolayı X kromozomundaki birçok gen kendini ifade edemez. Hücre bölünmesi esanasında inaktif X-kromozomu da replikasyona uğrar ve her iki kopya da replikasyondan sonra sıkıştırılmış ve inaktif kalır. Dolayısıyla, bundan sonra takip edecek tüm hücre bölünmelerinde inaktif X kromozomu tüm kardeş hücrelere aktarılacaktır. Araştımalar göstermiştir ki memeli hücreleri somatik hücrelerinde bulunan x-kromozomu sayısını sayabilirler ve sadece bir tanesinin aktif kalmasına izin verirler. Eğer 3 veya 4 X kromozomu varsa? O zaman ne olur? 7
X-inaktivasyon merkezi ve Xist Geni İnaktivasyonun genetik kontrolü moleküler düzelde tam olarak anlaşılmış değil. X-kromozomundaki bir bölgenin rol oynadığı düşünülüyor. Bu bölgeye X-inactivasyon merkezi (centre) (Xic) denir. X kromozomunun sayımı kaç tane Xic olduğunu sayarak yapılır. Kromozomda Xic eksikse inaktivasyon gerçekleşmez. İnsanlarda iki tane full aktif X kromozomu olması embryonik evrede ölümcül bir durumdur. 8
Xist Xic içerisinde özel bir genin ifadesi gereklidir. 1991 de keşfedilen bu genin adı Xist tir (X-inactive specific transcript) yani X-inaktife ait transkript. X-kromozomundaki çoğu gen susturulur. Bu genden üretilen ürün bir RNA molekülüdür ve bu RNA bir protein kodlamaz. Xist karşı Tsix Xist RNA sının rolü X-kromozomunu kaplamak ve onu inaktif hale getirmektir. Xist RNA kromozomu kapladıktan sonra proteinler bu RNA ile etkileşerek kromozomun sıkıştırılarak Barr body oluşturulmasını sağlar. Xic bölgesinde ikinci bir gen mevcuttur. Bu gene Tsix denir ve görevi X-inaktivasyonunu engellemektir. Bu iki gen örtüşmektedir ve ters yönlerde transkripsiyonları olmaktadır. (Tsix, Xist tersten yazılımıdır zaten). Eğer bir X-kromozomunun Tsix geninde bir mutasyon varsa tercihen o kromozom inaktif hale getirilir. 9
X Kromozomu kontrol elementi (Xce) Xce X-kromozomu inaktivasyon seçimini etkileyen diğer bir bölgedir. Güçlü bir Xce bölgesi taşıyan X-kromozomlarının aktif kalması daha olasıdır. Xce, Xic çok yakındır ve bir parçasını içine alır. Tam olarak nasıl çalıştığı bilinmemektedir. İnaktivasyonun 3 fazı Başlangıç: Embryonik gelişim sırasında olur. Yayılma: Yine embryonik gelişim sırasında olur. Sürdürülmesi: Embryonik gelişimden yetişkin hayata kadar devam eder. 10
Genetik «Imprinting» iz Imprinting hafizası olan bir işaretleme anlamına gelir. Genetik imprint bir DNA parçasının işaretlenmesine ve işaretin organizmanın ömrü boyunca hatırlanmasına denir. Bu genellikle Mendel dışı kalıtıma neden olur çünkü organizma maternal ve paternal alleli ayırt edebilmesini olası kılar. Buna monoallelik ifade denir. Igf2 nin imprintlenmesi Igf 2 geni «the insulin-like growth factor 2» proteinini kodlar (insülin benzeri büyüme faktörü). Paternal Igf2 aktif kalacak şekilde imprintleme olur ve maternal Igf2 kullanılmaz. Paternal allel RNA üretir ama maternal allel transkripsiyonel olarak inaktiftir ve RNA üretmez. Igf2 normal bir ebat için gereklidir. Bozuk bir Igf2 (Igf2 - ) geni farelerde cüceliğe neden olur. Tabii ki fenotip mutant geni size hangi ebeveynin verdiğine bağlıdır. 11
Hücre düzeyinde imprinting 3 evre vardır: 1. Gametogenez esnasında imprintin oluşturulması. 2. İmprintin embryogenez ve yetişkin somatik hücrelerinde devamı. 3. İmprintin germ hücrelerinde silinmesi ve tekrar yapılandırılması. Imprintleme tek bir geni, bir kromozomun bir parçasını, tüm bir kromozomu (keseli hayvanların veya ev sineğinin X kromozomu) veya bazı türlerde bir ebevynin tüm kromozomlarını kapsayabilir. 12
Genlerin veya kromozomların imprintlenmesi metilasyon içeren moleküler bir işlemdir. DNA metilasyonu sitozin bazlarına metil gruplarının eklenmesi işlemidir. Genomik imprintleme imprintlenen gen civarında «imprtinging control region (ICR)» (imprint kontrol merkezi) gerektirir. Bu bölgenin bir kısmına farklı metillenmiş bölge «differentially methylated domain (DMD)» denir. Gene bağlı olarak bu blge ya spermde ya da yumurtada ama asla ikisinde de metillenmez. ICR transkripsiyonu kontrol eden bir iki gen için de bağlanma dizileri içerir. 13
Metilasyon CpG dinükleotidinde bulunan sitozinin 5. karbonda metillenmesi (metil( CH3) grubunun eklenmesi). DNA iki zinciri de metillenir. DNA metiltransferazlar Metil grubunu DNA daki sitozinin 5 numaralı karbonuna ekleyen enzime DNA metiltransferaz denir. Her iki zincir de metillendiğinde buna ful metilasyon denir. Sadece bir zincir metillendiğinde buna yarı metilasyon denir. Metilleme CpG adalarında olur. Bu CpG adaları genellikle 1000-2000 bp uzunluğunda olup yüksek sayıda CpG içerirler. 14
Metilasyon ve transkripsiyon Metilasyon transkripsiyonu engelleyen proteinlerin bağlanmasını daha fazla artırabilir. VEYA metilasyon transkripsiyonu artıran proteinlerin bağlanmasını engelleyebilir. VEYA her ikisi de olur. Sonuç olarak...transkripsiyon engellenir ve gen susturulur. Metil-CpG-bağlanma proteinleri özel DNA bağlanma bölgeleriyle metillenmiş DNA dizilerine bağlanır. Bağlandıktan sonra diğer proteinleri de o bölgeye çağırarak transkripsiyonu engellerler. Fakat istisnalar vardır...(birazdan) 15
H19 ve Igf2 ICR metillenmemişse, CTC bağlanma proteinleri ICR ye bağlanır ve transkripsiyon aktivasyon proteinlerinin bağlanmasını engellerler. Igf2 yi kapatır ve H19 u açar. 16
Imprintleme ve insan hastalıkları Prader-Willi Sendromu (PWS) ve Angelman Sendromu (AS) gibi insan hastalıkları imprintlemeden etkilenir. PWS de azalmış motor fonksiyonları, obezite ve küçük el ve ayaklar vardır. AS olan kişiler zayıf ve hiperaktif olurlar. Mental problemler, sıradışı nöbetler ve tekrarlayan simetrik kas hareketleri vardır. Çoğunluklar, AS ve PWS kromozom 15 de küçük bir delesyondan dolayıdır. Delesyon anneden geçerse AS ama eğer babadan geçer PWS olur. PWS ve AS AS işlev gören maternal UBE3A eksikliğinden dolayı olur. PWS işlev gören paternal SNRPN eksikliğinden dolayı olur 17
Uniparental dizomi (UPD) Uniparental dizomi (UPD) bir kişinin bir kromozomu veya bir kromozomun parçasını sadece tek bir ebeveyinden almasına denir. Diğer ebevynden hiç katkı olmamasına. UPD yumurta veya sperm üretimi sırasında veya embryonik dönemin ilk aşamalarında olabilir. Çoğu zaman, UPD nin kişinin sağlığı üzerinde bir etkisi yoktur çünkü birçok gen imprintli değildir. İzodizomi ve heterodizomi Izodizomi bir çocuk ayni kromozomun iki kopyasını alırsa olur. Heterodizomi bir çocuk her homologtan bir kopya aslırsa olur. 18
Rett sendromu Rett sendromu metilli CpG bağlanma proteini olan MECP2 geninde bir mutasyondan dolayı olur. MECP2 beyin gelişimi için gereklidir ve birçok genin ifadesini artıran veya genlere kendilerini kapatmalarını söyleyen anahtarlardan biridir. MECP2 proteini olmadığında, veya çalışmadığında veya hatalı olduğunda veya yanlış miktarlarda üretildiğinde diğer birçok genin de ifadesi etkilenmektedir. The MECP2 geni kişinin X kromozomunda bulunur. 19
Rett sendromu devam Rett sendromu kişinin beyninde ve omur iliğinde bazı hücrelerin normal bazı hücrelerise normal olmamasından dolayı olur (çocuk yaşar fakat çok büyük sağlık problemleri vardır). Bu hastalık çocukta bir tane normal MECP2 taşıyan X-kromozomu bir tane de bozuk MECP2 taşıyan X- kromozomu olduğunda olur. Bu sendromu olan çocuklar nerdeyse her zaman kız çocuklardır. Rett sendromunun erkeklerde görülen ender vakaları erkek ekstra X kromozomu ile doğarsa olur. (XXY; Klinefelter sendromu), veya bu değişiklik sadece erkeğin bazı hücrelerinde olursa görülür (mozaiklik). Kromatinin yeniden yapılanması Kromatinin yeniden yapılanması kromatin yapısında hücrenin ömrü boyunca olabilecek dinamik değişiklikleri anlatır. Bu değişiklikler yerel olup sadece birkaç nükleozomu etkiler veya kromatinin yapısını büyük mesafelerde etkiler. Kromatin kapalı konformasyonda ise transkripsiyon zor veya imkansız olabilir. Kromatin açık konformasyonda ise kromatin transkripsiyon faktörleri ve RNA polimeraz tarafından daha kolay ulaşılabilirdir ve transkripsiyon daha kolay olur. 20
Histon modifikasyonları Histonların translasyon sonrası modifikasyonları gen aktivasyonuna veya gen susturulmasına neden olabilir. Gen aktivasyonu: Asetilleme Fosforilleme Gen susturulması: Sumolama Deiminasyon Prolin izomerizasyonu Her ikisi de: Metilasyon Ubiquinasyon Kromatini kontrol eden enzimler Histon Asetiltransferazlar (HATs) HDACs (Histon Deasetilazlar) Histon Metiltransferazlar Kinazlar 21
22
The Immun yetmezliği, Sentromerik bölge instabilitesi, Fasial anomaliler sendromu (ICF) Otozomal resesif bir hastalıktır (çok ender, dünyada sadece yaklaşık 50 vaka vardır) ICF de DNA nın hipomitilasyonu söz konusudur ve bunun nedeni DNA metiltransferaz genlerinde birinde mutasyondur (DNMT3B). Bu DNA hipometilasyon 1qh, 9qh, ve 16qh, bölgelerindedir ve bu tüm kromozom kol delesyonlarına, kromozom kırıklarına, gerilme (dekondensasyondan dolayı) ve multiradial kromozom kavşaklarına neden olur. 23
Rubinstein-Taybi sendromu CREBBP (CBP) ve EP300 genelerinde mutasyon (HAT ailesinin iki önemli geni) ve kromozom 16 (kısa kol delesyonu) Rubinstein-Taybi sendromu vakalarının yarısından fazlasının nedeni olarak gösterilir. Eğer CREBBP geni veya EP300 geninin sadece bir kopyası bile mutasyona uğrar veya delesyona uğrarsa hücreler normal protein miktarının sadece yarısını yapar. RTS patogenezi CBP histon asetiltransferaz disfonksiyonundan dolayı epigenetik histon kodunun değişmesinden dolayıdır. Bu olay gen regulasyonunun bozulmasına neden olur. 24
Alfa talasemi X-bağlı intellektüel yetersizlik sendromu Bu hastalık nerdeyse sadece erkekleri etkilen bir hastalıktır. Yüksek derecede gelişim geriliği, fasial dismorfizim, genital abnormaliteler ve alfa talasemi. Bu sendrom ATRX geninderki mutasyonlardan dolayı oratay çıkar. ATR-X proteininin kromatin yapılandırılmasında rol oynadığı düşünülmektedir. Bunu metilasyona bağlı bir mekanizma ile yaptığı beklenmektedir. ATRX mutasayonları heterokromatik bölgelerde farklı DNA metilasyon şekillerinin değişimine neden olur. Ama klinik feotipe bunun mu denen olduğu tam olarak bilinmemektedir. 25
Coffin-Lowry sendromu Kraniofasial (kafa ve yüz) ve iskelet abnormaliterleri, mental retardasyon, kısa boy ve hipotonia ile karakterize bir hastalıktır. RPS6KA3 (RSK2) geninde mutasyonun Coffin- Lowry sendromuna neden olduğu düşünür. X-bağlı dominant bir şekilde geçişi vardır, semptomlar erkeklerde kadınlara göre daha ağırdır. RPS6KA3 (RSK2) CBP/P histon H3 ile etkileşir. 26
Frajil X FMR1 geninde mutasyonlar frajil X sendromuna neden olur. Frajil X sendromunun nerdeyse tüm vakaları CGG tekrar bölgesinin FMR1 geninde büyümesinden dolayıdır. Normalde bu bölgedeki tekrar sayıs 5 ile 40 tekrardan oluşur. Frajil X sendromu olan kişilerde, CGG bölgesindeki tekrar sayısı 200 den fazladır. Bu kadar fazla artış FMR1 genininin kapatılmasına neden olur ve FMRP proteininin üretilmesini engeller. Bu proteinin kaybı sinir sitemini etkiler ve Frajil X saendromu semptomlarına neden olur. 27