Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie ekspresji genów

Transkrypt

1 Heterochromatyna i epigenetyczne wyciszanie ekspresji genów 1

2 Plan wykładu: 1. Charakterystyka heterochromatyny 2. Wyciszanie transpozonów 3. Przebudowa chromatyny rola białek Polycomb 4. Funkcje białek PcG w rozwoju zwierząt i roślin 5. Struktura oraz mechanizm działania kompleksów Polycomb (PcG) 6. Antagonizm PcG-Trx 2

3 The chromatin Yin / Yang Heterochromatin Euchrochromatin Giacomo CAVALLI. Montpellier, December

4 Where on the chromosomes are condensed and open chromatin located? Condensed chromatin Open chromatin Constitutive Heterochromatin Telomeres Centromeres Typical of the active gene loci along the chromosomal arms Condensed chromatin is also found at several silent genes located in the chromosomal arms Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December

5 Podstawowe Typy Chromatyny Guillaume J. Filion, Joke G. van Bemmel, Ulrich Braunschweig, Wendy Talhout, Jop Kind, Lucas D. Ward, Wim B...// Cell Volume 143, Issue

6 Rola heterochromatyny Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May

7 Wyciszanie transpozonów Modyfikacje epigenetyczne prawdopodobnie powstały aby wyciszać obce elementy genetyczne Mutacje uszkadzające mechanizmy wyciszania epigenetycznego powodują uwolnienie transpozonów The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencin keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353. 7

8 Przykład efektu epigenetycznego u roślin 8

9 Transpozony są aktywnie wyciszane Maintaining transposon silencing is an active, dynamic process that requires ongoing sirna production and epigenetic vigilance. The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 9

10 Powstawanie heterochromatyny u Arabidopsis Stephane E. Castel and Robert A. Martienssen. Nature Rev Genet 10

11 Aktywacja transpozonów powoduje mutacje Wild-type After one generation After three generations After five generations Kakutani, T., Jeddeloh, J.A., Flowers, S.K., Munakata, K., and Richards, E.J. (1996) Developmental abnormalities and epimutations associated with DNA hypomethylation mutations. PNAS 93: Copyright (1996) National Academy of Sciences, U.S.A. The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 11

12 Znaczniki heterochromatyny Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May

13 Where on the chromosomes are condensed and open chromatin located? Condensed chromatin Open chromatin Constitutive Heterochromatin Telomeres Centromeres Typical of the active gene loci along the chromosomal arms Condensed chromatin is also found at several silent genes located in the chromosomal arms Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December

14 W jaki sposób zmiany struktur chromatyny są uzyskiwane? 1. modyfikacje DNA metylacja DNA 2. modyfikacje potranslacyjne histonów np. acetylacja 3. wyspecjalizowane warianty histonów 4. ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny 5. Przebudowa chromatyny zależna od białek Polycomb wyciszanie epigenetyczne genów 14

15 Odkrycie białek Polycomb - historia Pierwsza praca: 1949r P. Lewis 1978 Ed Lewis's founding Polycomb paper identifying a role for the Pc gene in the regulation of homeotic genes 1988 Antagonism between Polycomb and trithorax genes 1997 Analysis of PcG proteins in plants PcG proteins and epigenetic regulation of gene expression by "cosuppression" 1999 Purification of the PRC1 complex Role of PcG in cell proliferation 2002 Characterization of the E(z)-Esc / PRC2 complex - Histone methyltransferase activity trxg proteins and histone methylation 2010 Various links between PcG proteins and noncoding RNAs, in particular, SUZ12 was shown to be an RNA-binding protein. 15

16 Mutacje homeotyczne w mutantach polycomb 16

17 Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w trakcie rozwoju antagonizm PcG-Trx 17

18 PcG, trxg, and maintenance of gene expression Early development Establishment of patterns OFF Ubx ON Maternal, Gap, Pair-rule, Segment polarity OFF ON Polycomb-Group OFF Maintenance phase Transmission of pattern after disappearance of early factors trithorax-group ON 18 Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006

19 Mutacje polycomb Arabidopsis Chanvivattana Y et al. Development 2004;131:

20 Kompleksy Polycomb - Drosophila E(z) Esc Ph PSC Su(z)12 Nurf55 Pc RING PRC2 PRC1 Drosophila PRC2 has a conserved core of four proteins E(Z) ESC SU(Z)12 NURF55 Enhancer of zeste (E(Z)) Extra sex comb (ESC) Suppressor of zeste 12 (SU(Z)12) The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology NURF55 20

21 Homologi podjednostek PRC2 Developmental Cell 19, November 16,

22 Zróżnicowanie kompleksów PcG - ssaki PRC2 PRC1 Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469,

23 Zróżnicowanie kompleksów PcG - rośliny Drosophila PRC2 E(Z) (methylase) ESC SU(Z)12 NURF55 Arabidopsis PRC2 CURLY LEAF (CLF) MEDEA (MEA) FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED 2 (FIS2) EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2) MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1 (MSI1,2,3,4,5) SWINGER (SWN) VERNALIZATION 2 (VRN2) The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 23

24 Plants make multiple PRC2 complexes with different targets MEA + FIS2 complex Seed development Transition to flowering CLF/SWN + VRN2 complex CLF/SWN + EMF2 complex Floral organogenesis The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 24

25 Kompleksy Polycomb mechanizm działania E(z) Esc Ph PSC Su(z)12 Nurf55 Pc RING PRC2 PRC1 E(z) zawiera domenę SET i ma aktywność metylotransferazy HKMT specyficznie metyluje K27 histonu H3 Pc posiada chromodomenę, dzięki temu wiąże się do metylowanego histonu H3 w lizynie 27 25

26 Chromodomena umożliwia wiązanie białek do metylowanej lizyny Structure of HP1 Chromodomain Bound to a Lysine 9-Methylated Histone H3 Tail Steven A. Jacobs and Sepideh Khorasanizadeh Science 295:

27 In animals, H3K27me3 silencing is maintained by PRC1 Polycomb Repressive Complex 2 Polycomb Repressive Complex 1 H3K27me3 H3K27me3 Active genes Silenced genes Stably silenced genes The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 27

28 In plants, PRC1-like functions similarly Polycomb Repressive Complex 2 PRC1-like H3K27me3 LHP1 H3K27me3 Active genes Silenced genes Stably silenced genes LHP1 binds specifically to H3K27me3 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 28

29 Miejsca wiązania PcG w genomie - Drosophila Cross-link cells or embryos with formaldehyde to induce protein-dna crosslinks Sonicate and purify chromatin (average size = 1 kb) Add antibody and purify antibodychromatin complexes on Protein A Sepharose, purify DNA and amplify by Linker-mediated PCR Use amplified DNA as probe to hybridize DNA chips containing the genome. Extract the distribution profile of the proteins of interest Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 ChIP on chip 29

30 Profile genomowe PRC2 i H3K27me3 pokrywają się H3K27me3 PC PH Giacomo CAVALLI. Montpellier, December

31 Kompleksy Polycomb mechanizm działania Modyfikacja hamująca transkrypcję 31

32 Kompleksy Polycomb mechanizm działania Luciano Di Croce & Kristian Helin Nature Structural & Molecular Biology 20, (2013) 32

33 Rekrutacja kompleksów PcG do docelowych miejsc w genomie Dodatkowy kompleks rekrutujący - PhoRC Jurg Muller and Peter Verrijzer, Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19: Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469,

34 Rekrutacja kompleksów PcG rola ncrna 34

35 Rekrutacja kompleksów PcG rola ncrna Udział ncrna w rekrutacji PcG do genów Hox 35

36 Rekrutacja kompleksów PcG rola ncrna Syuzo Kaneko, Roberto Bonasio, Ricardo Saldaña-Meyer, Takahaki Yoshida, Jinsook Son, Koichiro Nishino, Akihi... Interactions between JARID2 and Noncoding RNAs Regulate PRC2 Recruitment to Chromatin 36

37 Działanie PcG u roślin: kontrola czasu kwitnienia Prolonged cold treatment Vegetative Development Autumn Winter Reproductive Development Spring Some plants require a prolonged cold period (vernalization) - as experienced during winter, before they will flower. The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 37

38 Działanie PcG - Arabidopsis Epigenetyczna regulacja genu FLC H2A.Z incorporation H3K4me, H3K36me H3K9Ac, H3K14Ac H3K9me2, H3K27me2 cold Autumn FLC gene transcribed Winter Spring FLC gene silenced The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 38

39 Działanie PcG - Arabidopsis Epigenetyczna regulacja genu FLC P V U NV = no vernalization VT0 = 40 days at 4 VT7 = 40 days at 4 followed by 7 days at 22 Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 39

40 Działanie PcG - Arabidopsis Epigenetyczna regulacja genu FLC VIN3 FLC gene transcribed PRC2 (including VIN3) FLC gene silenced Autumn Winter Spring The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology 40

41 Udział ncrna w represji FLC 41

42 Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax 42

43 Dwie podstawowe klasy białek TrxG Trx Ash1 Metylotransferazy histonowe Zawierają domenę SET Specyficznie metylują K4 histonu H3 Brm Osa Mor Czynniki współtworzące kompleksy remodelujące chromatynę Odpowiedniki drożdżowego kompleksu SWI/SNF Brm katalityczna podjednostka kopleksu, ortolog SNF Obie klasy białek Trx pełnią rolę w utrzymaniu aktywności genów, ale także znana jest ich funkcja w aktywacji transkrypcyjnej. 43

44 Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax Represja Aktywacja Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:

45 Rola PcG w procesach nowotworzenia Nieprawidlowe działanie PcG może prowadzić do powstania komórek nowotworowych Nature Reviews Cancer. 9,

46 Pytania i nowe odkrycia Na czym dokładnie polega działanie kompleksu PRC1? Jak przebiega rekrutacja kompleksów PcG? Czy skład kompleksów PcG warunkuje zmiany rozwojowe czy jest ich efektem? W jaki sposób dochodzi do zmian równowagi pomiędzy działaniem Trx i PcG? Czy zawsze jest to antagonizm? 46

47 Nowe odkrycia * Grudzień