Wykład 12 - Represja 2014

Heterochromatyna i epigenetyczne
wyciszanie ekspresji genów
1
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
The chromatin Yin / Yang
Heterochromatin
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
Euchrochromatin
3
Where on the chromosomes are condensed and
open chromatin located?
Condensed chromatin
Constitutive
Heterochromatin
Telomeres
Centromeres
Open chromatin
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
4
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
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 2 2010 212 - 224
5
Rola heterochromatyny
Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May 2007
6
Wyciszanie transpozonów
• Modyfikacje epigenetyczne
prawdopodobnie powstały aby wyciszać
obce elementy genetyczne
• Mutacje uszkadzające mechanizmy
wyciszania epigenetycznego powodują
uwolnienie transpozonów
Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencin keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
7
Przykład efektu epigenetycznego u roślin
http://www.hummingbirdhigh.com/2013/10/the-pumpkin-patch-at-sauvie-island.html
8
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
Powstawanie heterochromatyny u Arabidopsis
Stephane E. Castel and Robert A. Martienssen. Nature Rev Genet
10
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: 12406-12411. Copyright (1996) National Academy of Sciences, U.S.A.
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
11
Znaczniki heterochromatyny
Shiv I. S. Grewal1 & Sarah C. R. Elgin NATURE Vol 447 May 2007
12
Where on the chromosomes are condensed and
open chromatin located?
Condensed chromatin
Constitutive
Heterochromatin
Telomeres
Centromeres
Open chromatin
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
13
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
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
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
Mutacje homeotyczne w mutantach polycomb
16
Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w
trakcie rozwoju – antagonizm PcG-Trx
17
PcG, trxG, and maintenance of gene expression
Early development
Establishment of patterns
OFF
Ubx
ON Maternal, Gap, Pair-rule, Segment polarity
OFF
Polycomb-Group
OFF
ON
Maintenance phase
Transmission of
pattern after
disappearance of early
factors
trithorax-Group
ON
18
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
Mutacje polycomb – Arabidopsis
Chanvivattana Y et al. Development 2004;131:5263-5276
19
Kompleksy Polycomb - Drosophila
E(z)
Su(z)12
Ph
Pc
Nurf55
PRC2
Drosophila
PRC2 has a
conserved core
of four proteins
PSC
Esc
RING
PRC1
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
Homologi podjednostek PRC2
Developmental Cell 19, November 16, 2010
21
Zróżnicowanie kompleksów PcG - ssaki
PRC2
PRC1
Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011
22
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)
SWINGER (SWN)
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
FERTILIZATION-INDEPENDENT
SEED 2 (FIS2)
EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2)
MULTICOPY
SUPPRESSOR OF
IRA1
(MSI1,2,3,4,5)
VERNALIZATION 2 (VRN2)
23
Plants make multiple PRC2 complexes with different
targets
Seed development
MEA + FIS2 complex
Transition to flowering
CLF/SWN + VRN2 complex
Floral organogenesis
CLF/SWN + EMF2 complex
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
24
Kompleksy Polycomb – mechanizm działania
E(z)
Su(z)12
PRC2
Ph
Esc
Nurf55
Pc
PSC
RING
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
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: 2080-2083
26
In animals, H3K27me3 silencing is maintained by PRC1
Polycomb
Repressive
Complex 2
Polycomb
Repressive
Complex 1
H3K27me3
Active genes
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
H3K27me3
Silenced genes Stably silenced genes
27
In plants, PRC1-like functions similarly
PRC1-like
Polycomb
Repressive
Complex 2
LHP1
H3K27me3
H3K27me3
Active genes
Silenced genes Stably silenced genes
LHP1 binds
specifically to
H3K27me3
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
28
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
ChIP on chip
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
29
Profile genomowe PRC2 i H3K27me3 pokrywają się
H3K27me3
PC
PH
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006
30
Kompleksy Polycomb – mechanizm działania
Modyfikacja
hamująca
transkrypcję
31
Kompleksy Polycomb – mechanizm działania
Luciano Di Croce & Kristian Helin
Nature Structural & Molecular Biology 20, 1147–1155 (2013)
32
Rekrutacja kompleksów PcG do docelowych
miejsc w genomie
Dodatkowy kompleks rekrutujący - PhoRC
Jurg Muller and Peter Verrijzer, Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158
Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011
33
Rekrutacja kompleksów PcG – rola ncRNA
34
Rekrutacja kompleksów PcG – rola ncRNA
Udział ncRNA w rekrutacji PcG do genów Hox
35
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
http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2013.11.012
36
Działanie PcG u roślin:
kontrola czasu kwitnienia
Prolonged cold
treatment
Reproductive
Development
Vegetative
Development
Autumn
Winter
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
Działanie PcG - Arabidopsis
Epigenetyczna regulacja genu FLC
H2A.Z incorporation
H3K4me, H3K36me
H3K9Ac, H3K14Ac
H3K9me2, H3K27me2
cold
Autumn
FLC gene transcribed
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Winter
Spring
FLC gene silenced
38
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: 159-164.
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
39
Działanie PcG - Arabidopsis
Epigenetyczna regulacja genu FLC
VIN3
FLC gene transcribed
Autumn
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
PRC2
(including
VIN3)
Winter
FLC gene silenced
Spring
40
Udział ncRNA w represji FLC
41
Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax
42
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
Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax
Represja
Aktywacja
Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158
44
Rola PcG w procesach nowotworzenia
Nieprawidlowe działanie PcG może prowadzić do powstania komórek
nowotworowych
Nature Reviews Cancer. 9, 773-784
45
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
Nowe odkrycia
* Grudzień 2013
47