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Epigenetik und Chromatin (Fach) / VL7 (Lektion)

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• Was sind CpG- Inseln? - Sequenzen mit großer Anreicherung von CG- Dinukleotiden - häufig im Promotor - wenn methyliert: Repression - wenn nicht: Expression - Transposons oft CG- methyliert
• Reader der DNA- Methylierung DNA- Bindung durch Methylierung inhibiert: 1. Cfp1 mit CXXC- Motiv 2. Kdm2a, b (CXXC- Motiv) 3. CTCF DNA- Bindung durch Methylierung befördert: 4. MBD- Protein 5. Kaiso (mit Zink-Finger) 6. SRA- Domäne
• Rett Syndrom MECP2 (TF) bindet selektiv an methylierte CpG Islands, liegt auf X bei Mutation Störungen im Collagenstoffwechsel Neurodegenerative Erkrankung - männliche Nachkommen sterben früh, weil homozygot lethal - Phänotyp variiert wegen Dosiskompensation des X- Chromosoms
• Methylierungs-Dynamiken im frühen Embryo - in beiden Genomen Demethylierung - parental (Spermium): schnell → aktive Demethylierung durch Hydroxymethylierung - maternal (oozyte): langsam → Oomethylierung durch Verdünnung durch Zellteilung Genome in selber Zelle werden unterschiedlich behandelt Embryo erhält dadurch Methylierungsmuster in unterschiedlichen Geweben - im frühen Embryo wird epigenetischer Grundzustand hergestellt, zur Keimzellentwicklung müssen alle Imprints zurückgesetzt werden - wenn sich Gewebe differenzieren gibt es bei beiden wieder Anstieg der Methylierungsmuster
• Epigenetische Reprogrammierung während der Keimzellbildung 1. Reprimierende Marker: - 5mC - H3K9me2 → konstitutives Heterochromatin 2. Exprimierende Marker: - H3K27me3 → Fakultatives heterochromatin - H3K4me3 → aktives Chromatin
• Wie werden transgene Mäuse hergestellt? - embryonale Stammzellen werden kultiviert und genetisch manipuliert - in Zelle in Blastozyste injiziert - Embryo ist Mischung aus Empfänger und manipulierten Zellen - wenn manipulierte Zellen in die Keimbahn der Maus wanderen und zu PGCs werden kann Organismus gekreuzt werden - manipulierte Organismen entstehen
• Medizinische Anwendungen von PGCs - Organtransplantation → Organe aus eigenen Stammzellen züchten - Patientenspezifische Gewebe züchten - Klonen von Organismen für die Landwirtschaft
• Was ist Somatic Cell Nuclear Transfer bei Fröschen? - Kern von ausdifferenzierten somatischen Zellen wurde in entkernte Zellen transferiert - Kaulquappen entstanden, aber keine Frösche - in Amphibien kann sich adulter Zellkern rückprogrammieren (bei Säugetieren sehr schwer!)
• Wie entstand Dolly? - adulte Fibroblasten wurden kultiviert - epigenetische Imprints wurden rückgebildet → durch Bestrahlung, zufällig - Kerne in Eizelle verpflanzt - sehr aufwändig und ineffizient - weil Zurücksetzen der Imprints zufällig: viele sterben, Imprints sind bei jedem Klon anders
• Wie kann Pluripotenz wieder hergestellt werden? Induced Pluripotent stem cells: In Fibroblasten werden Transkriptionsfaktoren eingebracht, sorgen für Rückdifferenzierung oder - durch Viren werden Pluripotenzfaktoren exprimiert - Zellen können dann in jedes Gewebe differenziert werden dazu werden benötigt: Yamanaka Faktoren (Faktoren zur Dedifferenzierung von Zellen)
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• Warum werden Nutztiere nicht im großen Stil geklont? - Fetal overgrowth syndrom (Riesenkälber) - schlecht für Mutter-Kuh - Imprints stimmen nicht ganz
• Was ist genomic imprinting? allgemeine genomische Prägung - maternale und paternale Genome werden unterschiedlich exprimiert, obwohl sie identische Sequenz besitzen (Unterschiede in Expression unabhängig von Sequenz) - zB. IGF2 bei Mäusen
• Erkläre Insulin-like growth factor igf2- Mäuse kleiner IGF2+ Mäuse groß Vater (IGF2+) groß und Mutter (igf2-) klein = Kind groß (IGF2+/igf2-) Vater (igf2-) klein und Mutter (IGF2+) groß = Kind klein (igf2-/ IGF2+) Wenn Allel von Mutter ist Maus klein, wirkt wie mutiertes Allel Genort für mütterliches Allel hat anderen Imprint als Genort des väterlichen Allels der Spermien
• Wie funktioniert Expression von IGF2 bei maternaler und paternaler Kopie? ICR (Imprinting Control Region): region mit vielen CpGs, unterliegt differentieller DNA Methylierung, Bindestelle für CTCF- Protein - ist bei maternaler Kopie unmethyliert → CTCF- Protein kann binden - bei paternaler Kopie methyliert → CTCF- Protein kann nicht binden CTCF trennt Bereiche vor und nach ICR - maternal: nur Region rechts von ICR wird exprimiert: H19, nicht IGF2 - paternal: Enhancer aktiviert IGF2, nicht H19
• Was ist typisch für Imprinted loci? 1. oft in Clustern 2. jeder Cluster enthält multiple mRNAs 3. Cluster haben mindestens 1 lncRNA (lang, nicht kodierend) 4. haben etwas zu tun mit DMR (differentially methylated region) 5. Protein- kodierende Gene werden oft vom gleichen parentalen Allel exprimiert, IncRNA wird vom entgegengesetzten Allel exprimiert 6. Gene sind oft Wachstumsregulatoren des neonatalen Wachstums (frühe Embryonalentwicklung)
• Gibt es Tendenzen für die Identität von imprinted loci? maternal exprimierte Gene: Wachstumsrepressoren paternal exprimierte Gene: Wachstumsfördernd
• Nenne 2 imprinted Gencluster! Igf2 Pws (Prader Willy Syndrom)
• Erasure, Aufrechterhaltung und Unterhalt von Methyl-Imprints während der Keimzell und Embryonalentwicklung 1. 2 Primordial Gemcells: undifferenziert 2. Gemcells entwickeln geschlechtsspezifische Imprints, differenzieren sich zu Keimzellen 3. Fusion zu Zygote:  Imprint- Muster werden aufrechterhalten 4. Blastozyste: Imprintmuster werden aufrechterhalten 5. Embry entwickelt eigene Gemcells: Löschen der Imprints
• Beispiele für Folgen von Fehlregulation der imprinted loci 1. Backwith- Wiedemann- Syndrom an IGF2/H19: Großwuchs weil IGF2 zu stark exprimiert wird 2. Prader- Willi-Syndrom Cencluster auf Chr. 15 Schwergewichtig, Defekt in Prader- Willi- Region durch genetische Deletion oder maternale uniparentale Disomie 3. Angelmann- Syndrom schmaler Körperbau, langsame Entwicklung durch Defekt in Gencluster auf Chr. 15, in UBE3A (Ubiquitin- Ligase)
• Wie entsteht das Beckwith- Wiedemann- Syndrom? Zu starke Expression von IGF2 durch... 1. Methylierungsdefekt 2. Paternale Dublikation von IGF2 3. Paternale uniparentale Disomie (2 Kopien des Chromosoms)
• Wie entsteht das Angelmann- Syndrom? Defekt der UBE3A (Ubiquitin- Ligae 3A) aif Chromosom 15, durch... 1, genetische Deletion 2. paternale uniparantale Disomie 3. Imprinting Defekt (unterschiedl. methyliert) 4. Mutation in UBE2A
• In welchem Zusammenhang stehen Methylierung und Krebs? Krebszellen haben stark verändertes DNA- Methylierungsverhalten 1. Globale Hypomethylierung (weniger) 2. Lokale Hypermethylierung: Repression von Tumorsuppressoren 3. Mutation von Chromatin- Regulatoren in Krebszellen: Mutation in Methionin inhibiert Methyltransferase → trägt bei zu... - Onkogener Translokation zu Chromatinregulatoren (AML, MLL) - zB. bei Leukämie: Translokation zw. Chromatinregulatoren, erzeugt neue Fusions- Proteine, Regulator wird zu anormalen Genorten rekrutiert
• Wie kann man onkogenes Potential senken? Chromatinregulatoren und DNA- Methyltransferasen hemmen
• Genetische Krankheiten, die auf Mutation in Chromatin- Faktoren beruhen 1. Rubinstein-Taybi-Syndrom (Mutation von CREB/p300: HAT) 2. Rett- Syndrom (MeCP2- Mutation, DNA- Methylierungsreader) 3. α- thalaasemia-X-linked mental retardation (Mutation von ATRX-DAXX, deponiert H3.3 in Chromatin) 4. Immunodeficiency, centromeric region instability, facial anomalies (ICF), Mutation von Dnmt3b 5. Schminke immuno-osseus dysplasia (SMARCAL1 =SWI2/SNF2- ähnlicher Faktor, Remodeler)
• Genetische Erkrankung durch Änderung der Chromosomen- Struktur Fragile X- Syndrom: Repeat Expansion in der 5´UTR des FMR1-Gens (auf X- Chromosom) Chromosom hat an der Stelle andere Struktur und reißt leicht

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