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Genetik der Pflanzen (Fach) / Vorlesung 7 (Lektion)

Epigenetik

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  • 1.)Epigenetik - Definitionen Chemische Modifikationen von DNA oder Histonproteinen, die die Aktivität von Genen regulieren. Mitotische und meiotische „Vererbung“ von Informationen, die nicht in der DNA Sequenz fixiert sind. Epigenetische Information besteht aus Markierungen der DNA und der Histone („epigenetic marks“) Epigenetische Markierungen determinieren grundsätzlich den Aktivitätszustand von Genen. Epigenetische Information ist instabil und temporär: sie kann über viele Zellgenerationen erhalten bleiben, führt aber nicht zu evolutionär dauerhaften Veränderungen manche epigenetischen Informationen werden in bestimmten Entwicklungsstadien immer gelöscht
  • 1.1)Mechanismen der Epigenetik ( Ebenen) (1) DNA Methylierung(2) Histon Modifikationen(3) „RNA directed DNA methylation“ (RdDM)
  • 2.)DNA Methylierung Bei Eukaryonten und Prokaryonten DNA MethylierungEukaryonten: fast ausschließlich Cytosin -Methylierung ( 5mC)Prokaryonten: überwiegend Adenin - und seltener Cytosin-Methylierung • Die CH 3-Gruppen von Adenin- und Cytosin-methylierter DNA ragen in die große Furche des DNA-Doppelstranges und verändern dadurch die Zugänglichkeit der Basen für DNA-bindende Proteine.
  • 2.1)DNA Methylierung in Eukaryonten • Der Anteil methylierter Cytosine im Genom variiert in verschiedenen Arten stark.• In allen Eukaryonten werden Cytosine abhängig vom Sequenzkontext methyliert.• Am stärksten methyliert ist immer das C in der Sequenz 5'- CG -3'("CpG")
  • 2.2)Funktionen der DNA Methylierung 1) Bakterien nutzen DNA Methylierung als unspezifisches „Immunsystem“ zum Schutz gegen Viren (Bakteriophagen)>>Bakterielle „Restriktions-Modifikations-Systeme“ Ein Restriktionsenzym R zerschneidet nur unmethylierte DNA. Die eigene chromosomale DNA wird durch eine Methylase M methyliert und so vor dem Zerschneiden geschützt>>DNA-Methylase HhaI : methyliert ein Cytosin (!!) in der Erkennungsstelle des Restriktionsenzyms Hha I und schützt diese Sequenz so vor dem Zerschneiden (2) Unterscheidung des Template-Strangs und des neusynthetisierten Strangs bei der semikonservativen Replikationist notwendig bei der Reparatur von fehlgepaarten Basen durch das Mismatch Reparatur Systems (MMR) (3) Regulation der Aktivität von Promotoren >>Methylierung von Cytosinen im Promoter verhindert die Bindung von Transkriptionsfaktoren.• In ~70% aller Säuger-Promotoren finden sich stark gehäuft CpG Sequenzen - sog. "CpG-islands"
  • 2.4.)DNA Methylierung – Beispiele 1. X-Chromosom Inaktivierung:Alle Organismen mit einem XX/XY- oder XX/X0-Geschlechtschromosomen System für die Sex-Determination benötigen einen Mechanismus zur Dosiskompensation der Aktivität von X-gekoppelten Genen Bei Säugern wird auf einem der beiden X-Chromosomen der „X inactive-specific transcript“ Locus XIST im „X inactivation center“ XIC exprimiert.  Das XIST-Transkript ist eine 17 kb lange nicht-codierende RNA (lncRNA), die im Zellkern verbleibt und nur an das X-Chromosom bindet von dem sie transkribiert wird! Dieses X-Chromosom wird kompaktiert und zum „Barr- Körperchen Während der XInaktivierung wird die XChromosomen DNA nahezu vollständig Cmethyliert (5mC) In der Zygote sind beide Xromosomen aktiv und unmethyliert.In der frühen Embryogenese wird zufällig eines der beiden X-Chromosomen inaktiviert.-->Weibliche Individuen sin somatische Mosaike(Mosaizismus) >> Vorteil 2. Imprinting Imprinting („Prägung“): der epigenetisch in Form von DNA-Methylierung determinierte Aktivitätszustand eines Gens unterscheidet sich in den maternalen und paternalen Gameten und wird an die Zygote vererbt >>Imprinting tritt in Säugern und höheren Pflanzen auf.>>In Säugern werden etwa 1% aller Gene mit einem Imprinting-Muster vererbt.
  • 2.5.)DNA-Methylierung im Bienenstaat DNA-Methylierung im BienenstaatWas unterscheidet die Königen und Arbeiterinen?>Gene Gleich>Königen wird mit Gelee Royale gefüttert, das führ t zu epigenetischen VeränderungenDaraus folgt:>Ernährung kann epigenetische Muster beeinflussen
  • 3.)Histon Modifikationen Der Nucleosomen-Kern besteht aus Histonproteinen (Heterooctamer).  Die N-Termini der Histone ragen aus Nucleosomen heraus.  Chemische Modifikationen der Histon N-Termini beeinflussen die transkriptionelle Aktivität der assoziierten Gene. Histon Modifikationen regeln den Aktivitäts zustand von Chromatin
  • 3.1.)Die „Histon Code“ Hypothese Die Art und Kombination der Histonmodifikationen an bestimmten Aminosäureresten der Histon N-Termini determinieren den Aktivitätszustand von Chromatin. Der Histon-Code wird von anderen Proteinen „ausgelesen“ und in zelluläre Vorgänge übersetzt.
  • 3.2.)Histon Modifikations-Dynamik am Arabidopsis FLC Locus Der Arabidopsis >>Flowering Locus C ( FLC ) ist ein negativer Regulator der Blütenentwicklung. >>Aktivierung und Silencing des FLC Gens wird durch Chromatin-Modifikationen reguliert.
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  • 4.)RNA-vermittelte Genregulation 1.siRNA 2. miRNA 3. lncRNA (Bsp. XIST s.o.)
  • 4.2)RNA-vermittelte Genregulation Was sind “small RNAs”? • Small RNAs sind 21 bis 25 nt kurze RNAs heterogenen Ursprungs die ein Ausschalten von Genen bewirken (‘gene silencing’) • Small RNAs tragen zum ‘posttranscriptional gene silencing’ (PTGS) bei indem sie die mRNA Stabilität oder die Translation beeinträchtigen. • Small RNAs tragen zum ‘transcriptional gene silencing’ bei indem sie epigenetische DNA- und Chromatinmodifikationen auslösen.
  • 5.) Dicer (The molecular architecture of human Dicer) schneidet und kürzt doppelsträngige DNA
  • 7.)siRNA (short interfering RNA): siRNA (short interfering RNA):• 21-22(-30) nt dsRNA• werden durch "Dicer" aus längeren doppelsträngigen RNAs verschiedenen Ursprungs prozessiert• ein Strang dieser kurzen dsRNA wird vom RISC Multiproteinkomplex rekrutiert• siRNA-RISC löst die Degradierung perfekt komplementärer mRNAs aus
  • 8.) miRNA (microRNA): miRNA (microRNA):• 19-25 nt ssRNA• wird von den MIR Genen exprimiert, die in den Genomen der meisten Vielzeller vorkommen (>200 MIR Gene im Genom des Menschen)• wird durch "Drosha“, "Dicer" und „Argonaut“ Proteinen aus den partiell doppelsträngigen MIR Transkripten prozessiert (Pri- und Pre-miRNAs) • ein Strang wird vom RISC Multiproteinkomplex rekrutiert• miRNA-RISC blockiert überwiegend die Translation der zellulären Zielgene -->Viele miRNAs sind hoch konserviert und wichtige Genregulatoren 2/3 aller miRNA Zielgene in Arabidopsis sind selbst regulatorische Gene( transkrioption,Proteinabbau, Gensilencing)

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