Informacija

12: Transkripcijos ir epigenetinio paveldėjimo reguliavimas - biologija


  • 12.1: Įvadas
    Ląstelės savo metabolizmą reguliuoja keliais būdais. Jau žinome, kad alosteriškai reguliuojami fermentai stebi metabolitų kiekį ląstelėse. Prisiminkite, kad glikolitiniai tarpiniai produktai kyla ir krinta ląstelėse, atsižvelgiant į ląstelių energijos poreikius, prisijungdami prie alosterinių vietų arba atsiribodami nuo jų
  • 12.2: Genų reguliavimas prokariotuose
    Daugelis prokariotų genų yra suskirstyti į operonus, susietus genus, perrašytus į vieną mRNR, koduojančią du ar daugiau baltymų. Operonai paprastai koduoja baltymus, turinčius susijusių funkcijų. Reguliuojant operono (o ne kelių atskirų genų, koduojančių pavienius baltymus) aktyvumą, galima geriau koordinuoti kelių baltymų sintezę vienu metu. E. coli atveju reguliuojamas lac operonas koduoja tris fermentus, dalyvaujančius laktozės (alternatyvios gliukozės maistinės medžiagos) metabolizme.
  • 12.3: Nereguliuojamų (namų tvarkymo) genų problema visose ląstelėse
    Prieš kreipdami dėmesį į genų ekspresijos eukariotuose reguliavimą, kurį laiką apsvarstykite konstitucinių, arba namų tvarkymo, genų, kurie visada yra aktyvūs, išraišką. Reikalavimas, kad kai kurie genai visada būtų „įjungti“, kelia klausimų apie ląstelių genų ekspresijos prioritetus. Sudėtiniai genų produktai yra daugelio polipeptidų rinkiniai, kurie ląstelėse sudaro didelius makromolekulinius kompleksus, arba fermentų rinkiniai, dalyvaujantys gyvybiškai svarbiuose biocheminiuose keliuose.
  • 12.4: Genų reguliavimas eukariotuose
    Šio eksperimento rezultatai įrodė, kad net labai skirtingose ​​organizmo ląstelėse yra tie patys genai. Tiesą sakant, bet kuriame daugialąsčiame eukariotiniame organizme kiekvienoje ląstelėje yra ta pati DNR (genai). Todėl skirtingi ląstelių tipai organizme skiriasi ne tuo, kokius genus jie turi, bet kokius genų rinkinius jie išreiškia! Žvelgiant kitaip, ląstelės diferencijuojasi, kai įjungia naujus genus ir išjungia senus.
  • 12.5: Epigenetika
    Aristotelis manė, kad iš amorfinės masės atsirado embrionas, „mažiau pilnai sudaryta sėkla su maistinga siela ir visomis kūno dalimis“. Gerokai vėlesnis mikroskopo kūrimas leido išsamiau (jei netiksliai) apibūdinti embriono vystymąsi. 1677 m. Ne mažesnis šviesuolis nei Antonas von Leeuwenhoekas, žiūrėdamas į žmogaus spermą mikroskopu, pamanė, kad viduje mato miniatiūrinį žmogų! Mažas žmogus arba homunculus tapo pasirengimo teorijos įkūnijimu.
  • 12.6: Pagrindiniai žodžiai ir terminai

Epigenetika

Genominis atspaudas yra epigenetinis reiškinys, dėl kurio genai išreiškiami būdingai jų kilmės tėvams.

Paaiškinimas:

Genominis atspaudas yra paveldėjimas už Mendelio sienų. Daugelis paveldimų ligų ir žmogaus vystymosi pažeidžia Mendelio paveldėjimo įstatymus. Šis paveldėjimo būdas tiriamas epigenetikoje. Epigenetika rodo, kad genų ekspresija keičiasi sudėtingiau nei DNR sekos modifikacijos. Tai apima aplinkos poveikį lytinėms ląstelėms prieš pastojimą.

Genetinis atspaudas yra genų nutildymo procesas DNR metilinimo būdu. Represuotas alelis yra metilintas, o aktyvus alelis lieka nemetilintas. Genominis atspaudas atsiranda, kai du aleliai lokuse nėra funkciškai lygiaverčiai ir yra laikomi pagrindiniu epigenetiniu reiškiniu, dėl kurio gali pasireikšti kilmės kilmės efektas. Epigenetinius pokyčius gali sukelti aplinkos veiksniai skirtingu gyvenimo laikotarpiu.
Kai spermoje ar kiaušialąstėse atsiranda epigenetinių pokyčių, dėl kurių atsiranda apvaisinimas, palikuonys paveldi epigenetinius pokyčius.

Spausdinimas yra dinamiškas procesas. Turi būti įmanoma ištrinti ir atkurti atspaudus per kiekvieną kartą, kad genai būtų įspausti suaugusiam žmogui, vis tiek gali būti išreikšti to suaugusiojo palikuoniuose. Todėl įspaudų pobūdis turi būti labiau priklausomas nuo epigenetinės, o ne nuo DNR sekos. Genominis atspaudas naudoja įprastą ląstelės epigenetinę mašiną, kad reguliuotų tėvų specifinę išraišką.

Dabar žinoma, kad žmonėms ir pelėms yra bent 80 įspaustų genų, iš kurių daugelis yra susiję su embriono ir placentos augimu ir vystymusi. Genetinio įspaudo formos buvo įrodytos grybeliuose, augaluose ir gyvūnuose.

Atsakymas:

Epigenetika reiškia paveldimus mūsų genų ekspresijos pokyčius, kurie nekeičia mūsų DNR.

Paaiškinimas:

Tai reiškia, kad mūsų fenotipas, kuris yra išreikštas, tam tikru būdu keičiamas nekeičiant mūsų DNR dėl išorinių ar aplinkos kintamųjų. Genai gali būti išreikšti, nutildyti arba skaityti skirtingai, tačiau pagrindinis DNR kodas išlieka tas pats.

Šie epigenetiniai pokyčiai gali įvykti dėl DNR metilinimo, histono modifikacijos ir su RNR susijusio nutildymo.

DNR metilinimas prideda metilo grupę prie DNR, kuri keičia transkripciją. Histono modifikacija veikia pridedant acetilo arba metilo grupę prie lizino, esančio histone. Nekoduojančios RNR, antisense RNR ir RNR trukdžiai taip pat gali pakeisti ekspresiją, sukeldami histono modifikaciją, metilinimą ir heterochromatino susidarymą. Visi šie pavyzdžiai, paminėti ankstesniame sakinyje, nutildo genus.

Čia yra gera Jutos ir gamtos universiteto svetainė, taip pat turi puikų tinklalapį šia tema.


O-GlcNAc ir epigenetinis genų ekspresijos reguliavimas

O-GlcNAcylation yra gausus maistinių medžiagų modifikavimas, susijęs su ląstelių signalizavimu ir genų ekspresijos reguliavimu. Naudojant pirmtakus, gautus iš metabolinio srauto, O-GlcNAc veikia kaip homeostatinis reguliatorius. O-GlcNAc ciklo fermentai, OGT ir O-GlcNAcase, veikia mitochondrijose, citoplazmoje ir branduolyje kartu su epigenetiniais „rašytojais“ ir „trintukais“. Tiek O-GlcNAc, tiek O-fosfatas modifikuoja pakartojimus RNR polimerazės II C galinio domeno (CTD) viduje. Bendraudamas su histono ir CTD kodais, O-GlcNAc ciklas suteikia ryšį tarp ląstelių metabolinės būklės ir epigenetinės mašinos. Taigi, O-GlcNAcilinimas gali turėti įtakos kartų kartos epigenetiniam paveldėjimui.

Raktažodžiai: Epigenetika Glikobiologija Histonai O-GlcNAc O-GlcNAcylation Polycomb RNR polimerazės II signalų transkripcija.

© 2014 Amerikos Amerikos biochemijos ir molekulinės biologijos draugija, Inc.


Epigenetinis adipogenezės reguliavimas vystantis metaboliniam sindromui

Nutukimas yra viena iš didžiausių visuomenės sveikatos problemų, kurią nustato padidėjęs riebalinio audinio masė dėl adipocitų hipertrofijos ir hiperplazijos. Atsižvelgiant į riebalinio audinio svarbą įvairiuose biologiniuose procesuose, bet koks jo funkcijos pasikeitimas sutrikdo medžiagų apykaitą. Šioje apžvalgoje aptariame, kaip riebalinis audinys palaiko medžiagų apykaitą, išskirdamas įvairius adipokinus ir uždegiminius tarpininkus, ir kaip jo disfunkcija lemia sunkių medžiagų apykaitos sutrikimų vystymąsi ir daro įtaką vėžio progresavimui. Adipocitų funkcijos sutrikimas atsiranda dėl individų genetinių ir (arba) aplinkos veiksnių, kurie daro didelę įtaką epigenetiniam profiliui, dėl kurio pasikeičia genų ekspresija ir prasideda nutukimas suaugusiesiems. Be to, epigenetiniai įvykiai kontroliuoja keletą esminių riebalų biologijos aspektų, įskaitant skirtingų transkripcijos faktorių reguliavimą. Todėl suprasti adipogenezės subtilybes yra labai svarbu, norint pripažinti jo aktualumą esant pagrindinėms ligos sąlygoms ir nustatyti terapines intervencijas nutukimui ir metaboliniam sindromui.

Raktažodžiai: adipogenezė atsparumas insulinui metabolinis sindromas nutukimas transgeneracinis paveldėjimas.

Autorių teisės © 2021 Pant, Firmal, Shah, Alam ir Chattopadhyay.

Interesų konflikto pareiškimas

Autoriai pareiškia, kad tyrimas buvo atliktas nesant jokių komercinių ar finansinių santykių, kurie galėtų būti interpretuojami kaip galimas interesų konfliktas.


Priklausomybės

Genomikos ir epigenetikos skyrius, Garvano medicinos tyrimų institutas, Sidnėjus, Naujasis Pietų Velsas, Australija

Ksenia Skvortsova ir Ozrenas Bogdanovičius

Chromatino reguliavimo departamentas, Maxo Plancko imunobiologijos ir epigenetikos institutas, Freiburgas, Vokietija

Sent Vincento klinikinė mokykla, Naujojo Pietų Velso universitetas - Sidnėjus, Sidnėjus, Naujasis Pietų Velsas, Australija

Šio autoriaus taip pat galite ieškoti „PubMed Google Scholar“

Šio autoriaus taip pat galite ieškoti „PubMed Google Scholar“

Šio autoriaus taip pat galite ieškoti „PubMed Google Scholar“

Įnašai

Visi autoriai prisidėjo prie straipsnio duomenų tyrimo, turinio aptarimo ir rankraščio rašymo bei redagavimo.

Atitinkantys autoriai


Epigenetiniai mechanizmai normaliose ląstelėse

Chromatinas sudarytas iš pasikartojančių nukleosomų vienetų, kuriuos sudaro � bazinės DNR poros, apvyniotos aplink keturių pagrindinių histono baltymų (H3, H4, H2A ir H2B) oktamerį (9). Epigenetinius mechanizmus, modifikuojančius chromatino struktūrą, galima suskirstyti į keturias pagrindines kategorijas: DNR metilinimas, kovalentinės histono modifikacijos, nekovalentiniai mechanizmai, tokie kaip histono variantų įtraukimas ir nukleozomų pertvarkymas bei nekoduojančios RNR, įskaitant mikroRNR (miRNR). Šios modifikacijos veikia kartu, kad reguliuotų genomo veikimą, pakeisdamos vietinę chromatino struktūrinę dinamiką, visų pirma reguliuojant jo prieinamumą ir kompaktiškumą. Šių modifikacijų sąveika sukuria 𠆎pigenetinį kraštovaizdį ’, kuris reguliuoja žinduolių genomo pasireiškimo būdą įvairiuose ląstelių tipuose, vystymosi stadijose ir ligų būsenose, įskaitant vėžį (4,10 �). Skirtingi šių modifikacijų modeliai, esantys skirtingose ​​ląstelių būsenose, tarnauja kaip ląstelių tapatybės sergėtojai (I lentelė). Čia aptarsime svarbius pagrindinių epigenetinių mechanizmų, esančių normaliose ląstelėse, aspektus.

I lentelė.

Epigenetiniai mechanizmai, susiję su genų ekspresijos ir chromatino struktūros reguliavimu normaliose žinduolių ląstelėse

DNR metilinimas
       Visų tipų ląstelės
               Stabilus paveldimas pakeitimas
               Genų slopinimas
               
               Spausdinimas, X chromosomų inaktyvavimas, pasikartojančių elementų slopinimas
               
       ES ląstelės
              𠀻imodalinis pasiskirstymo modelis
                       
                        CPG salos nemetilintos
               Pluripotencijos genų skatintojai nemetilinti
       Somatinės ląstelės
               Specifinis audinių metilinimas kai kuriose CpG salose ir daugumoje kitų nei CpG
               Pluripotencijos genų promotoriai metilinti
Kovalentinės histono modifikacijos
       Visų tipų ląstelės
               Labile paveldima modifikacija
Ir genų slopinimas (H3K9me, H3K27me ir kt.), ir genų aktyvinimas (H3K4me, acetilinimas ir kt.)
     ##x02003        
                Tarpininkauja HMT, HDM, skrybėlės ir HDAC ir kt.
       ES ląstelės
              𠀻ivalentiškos sferos
               Plastinis epigenomas
       Somatinės ląstelės
                Dvišališkumo praradimas ir ribotas epigenomas
                Audiniams būdingų monovalentinių H3K27me ir H3K4me domenų sukūrimas
                Didelių organizuotų chromatino K9 modifikacijų buvimas
Nukleosomų padėties nustatymas ir histono variantai
       Visų tipų ląstelės
               Labile epigenetinis reguliavimo mechanizmas
Ir genų nutildymas, ir genų aktyvavimas moduliuojant chromatino prieinamumą
                Tarpininkauja nuo ATP priklausomi chromatino pertvarkymo kompleksai
     
               H2A.Z ir H3.3 pirmiausia lokalizuoti aktyviems arba pasirengusiems aktyvuoti genų promotoriams
               
miRNR
       Visų tipų ląstelės
               Labile epigenetinis reguliavimo mechanizmas
               Genų slopinimas
               Su audiniu susijusi išraiška
                Gali būti epigenetiškai reguliuojamas

Epigenetiniai mechanizmai, įskaitant DNR metilinimą, kovalentines histono modifikacijas, nukleozosmos padėties nustatymą ir miRNR, yra būtini normaliam žinduolių vystymuisi ir genų ekspresijos reguliavimui. Šios epigenetinės modifikacijos rodo unikalias savybes ir pasiskirstymo modelius skirtingose ​​žinduolių ląstelėse. Skirtingi šių modifikacijų kombinaciniai modeliai, bendrai vadinami epigenomu, yra pagrindiniai ląstelių likimą ir genų aktyvumą lemiantys veiksniai. ES ląstelės palaiko plastiškesnį epigenomą, reikalingą vystymosi procesams. Priešingai, diferencijuoto audinio epigenomas turi gana ribotą struktūrą, kuri yra stabiliai palaikoma per kelis ląstelių dalijimus.

DNR metilinimas

DNR metilinimas yra bene plačiausiai ištirtas žinduolių epigenetinis modifikavimas. Jis suteikia stabilų genų slopinimo mechanizmą, kuris vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant genų ekspresiją ir chromatino architektūrą, kartu su histono modifikacijomis ir kitais su chromatinu susijusiais baltymais. Žinduoliams DNR metilinimas pirmiausia vyksta kovalentiniu būdu modifikuojant citozino liekanas CpG dinukleotiduose. CpG dinukleotidai nėra tolygiai pasiskirstę žmogaus genome, bet yra sutelkti į trumpus CpG turtingus DNR ruožus, vadinamus 𠆌pG salomis ’ ir didelių pasikartojančių sekų regionus (pvz., Centromerinius pakartojimus, retrotranspozono elementus, rDNR ir kt.) (15,16 ). CpG salos dažniausiai yra 5 ir#x02032 genų gale ir užima �% žmogaus genų promotorių (17). Nors dauguma genomo CpG vietų yra metilintos, dauguma CpG salų paprastai lieka nemetilintos vystymosi metu ir diferencijuotuose audiniuose (11). Tačiau kai kurie CpG salos promotoriai vystymosi metu tampa metilinami, o tai lemia ilgalaikį transkripcijos nutildymą. X-chromosomų inaktyvacija ir įspausti genai yra klasikiniai tokio natūraliai vykstančio CpG salos metilinimo pavyzdžiai vystymosi metu (15). Taip pat buvo pranešta apie tam tikrą audiniams būdingą CpG salos metilinimą įvairiuose somatiniuose audiniuose, visų pirma esant vystymuisi svarbiems genams (18, 19). Priešingai, pasikartojančios genominės sekos, išsibarsčiusios visame žmogaus genome, yra stipriai metilinamos, o tai neleidžia chromosomų nestabilumui nutildyti nekoduojančios DNR ir perkeltinų DNR elementų (11). DNR metilinimas gali sukelti genų nutildymą, užkertant kelią arba skatinant reguliavimo baltymų įdarbinimą į DNR. Pavyzdžiui, jis gali slopinti transkripcijos aktyvaciją, užblokuodamas transkripcijos faktorių prieigą prie tikslo surišimo vietų, pvz. c-myc ir MLTF (20,21). Arba jis gali suteikti metilą surišančio domeno baltymų surišimo vietas, kurios gali tarpininkauti genų represijoms sąveikaujant su histono dezacetilazėmis (HDAC) (22, 23). Taigi DNR metilinimas naudoja įvairius mechanizmus, kad paveldėtų genus ir nekoduojančius genomo regionus.

Žinduolių genome rasti tikslūs DNR metilinimo modeliai yra generuojami ir paveldimai palaikomi bendradarbiaujant de novo metiltransferazės 𠅍NMT3A ir DNMT3B, kurios veikia nepriklausomai nuo replikacijos ir vienodai teikia pirmenybę tiek nemetilintam, tiek hemimetilintam DNR ir palaikomosios DNR metiltransferazei ir#x02014DNMT1, kurios replikacijos metu pirmenybė teikiama metilinant hemimetilintą DNR (24,25).

Nors CpG salos promotoriaus metilinimo vaidmuo genų nutildyme yra gerai žinomas, daug mažiau žinoma apie ne CpG salų promotorių metilinimo vaidmenį. Naujausi tyrimai parodė, kad DNR metilinimas taip pat svarbus reguliuojant ne CpG salos promotorius. Pavyzdžiui, audiniams būdingą MASPIN išraišką, kurios promotoriuje nėra CpG salos, reguliuoja DNR metilinimas (26). Panašiai ne CpG salos Oct-4 promotoriaus metilinimas stipriai veikia jo ekspresijos lygį (27). Kadangi CpG salos užima tik �% žmogaus genų promotorių, būtina išsiaiškinti ne CpG salų metilinimo vaidmenį, kad būtų galima visiškai suprasti pasaulinį DNR metilinimo vaidmenį normaliame audinyje (17).

Kovalentinės histono modifikacijos

Histono baltymuose, kuriuos sudaro nukleozomų šerdis, yra rutulinis C-galinis domenas ir nestruktūruota N-galo uodega (9). Histonų N-galinės uodegos gali atlikti įvairius posttransliacinius kovalentinius pakeitimus, įskaitant metilinimą, acetilinimą, ubikviliaciją, sumoilinimą ir specifinių liekanų fosforilinimą (12). Šie pakeitimai reguliuoja pagrindinius ląstelių procesus, tokius kaip transkripcija, replikacija ir remontas (12). Siūlomas modifikacijų priedas, skirtas išsaugoti epigenetinę atmintį ląstelės viduje „‘histone code ’“ forma, kuri nustato skirtingų chromatino regionų struktūrą ir aktyvumą (28). Histonų modifikacijos veikia keičiant chromatino prieinamumą arba įdarbinant ir (arba) užkemšant ne histono efektorinius baltymus, kurie iššifruoja modifikacijos modelių užkoduotą pranešimą. Tačiau šio histono kodo paveldėjimo mechanizmas vis dar nėra visiškai suprantamas.

Skirtingai nuo DNR metilinimo, histono modifikacijos gali sukelti aktyvaciją arba represijas, priklausomai nuo to, kurios liekanos yra modifikuotos ir esančių modifikacijų. Pavyzdžiui, lizino acetilinimas koreliuoja su transkripcijos aktyvacija (12, 29), tuo tarpu lizino metilinimas sukelia transkripcijos aktyvaciją arba represijas, priklausomai nuo to, kuri liekana modifikuojama ir metilinimo laipsnis. Pavyzdžiui, lizino 4 trimetilinimas ant histono H3 (H3K4me3) yra praturtintas transkripciškai aktyviais genų promotoriais (30), tuo tarpu H3K9 (H3K9me3) ir H3K27 (H3K27me3) trimetilinimas yra genų promotoriuose, kurie yra transkripcijos būdu slopinami (12). Pastarosios dvi modifikacijos kartu sudaro du pagrindinius žinduolių ląstelių slopinimo mechanizmus: H3K9me3 veikia kartu su DNR metilinimu, o H3K27me3 iš esmės veikia be DNR metilinimo (1 pav.). Buvo nustatyta daugybė aktyvių ir represinių histono modifikacijų, kurios sudaro sudėtingą genų reguliavimo tinklą, būtiną ląstelių fiziologinei veiklai (10, 12). Viso genomo tyrimai, rodantys skirtingą šių histono ženklų lokalizaciją ir kombinatorinius modelius genome, žymiai padidino mūsų supratimą apie tai, kaip šios įvairios modifikacijos veikia bendradarbiaujant, kad būtų galima reguliuoti pasaulinius genų ekspresijos modelius (31, 32).

Epigenetiniai genų nutildymo mechanizmai žinduoliuose. (A) Aktyvus genas rodo atvirą chromatino struktūrą, susidedančią iš nemetilinto promotoriaus srities (nedideli balti apskritimai ant DNR grandinių), be nukleozomų prieš transkripcijos pradžios vietą (stora juoda rodyklė), aktyvių histono žymių, tokių kaip acetilinimas (žalia) trikampis, Ac) ir H3K4 metilinimas (žali apskritimai, 4) ir didelis H2A.Z kiekis nukleozomose (oranžinė), supančiose transkripcijos pradžios vietą. Atvira chromatino struktūra leidžiama surišti transkripcijos faktorius ir RNR Pol-II, kuri tarpininkauja tokiems promotoriams. Tokių aktyvių genų slopinimas (pažymėtas raudonomis rodyklėmis) normaliose ląstelėse gali būti pasiektas dviem pagrindiniais mechanizmais: (B) Genų slopinimas, veikiant PRC1 ir PRC2, tarpininkaujantis represiniam H3K27 metilinimui (raudoni apskritimai, 27), lydi acetilinimo pašalinimą HDAC, H3K4 metilinimo praradimą, chromatino sutankinimą, NFR nukleozomų užimtumą ir H2A ubikviliaciją. Z (C) Ilgalaikis tylėjimas per DNR metilinimą atliekamas DNR metiltransferazėmis. DNR metilinimas (nedideli raudoni apskritimai ant DNR grandinių) dažnai yra kartu su represyviu H3K9 metilinimu (raudoni apskritimai, 9), o tai lemia chromatino sutankinimą įdarbinant HP1. DNR Metilinti nutildyti promotoriai rodo H2A.Z išeikvojimą, H3K4 metilinimo praradimą ir histono decetilinimą. Ac, acetilinimas EZH2, zeste homologo 2 HP1 stipriklis, heterochromatino baltymas 1 K4-HMT, histonas H3 lizinas 4 histono metiltransferazė K9-HMT, histonas H3 lizinas 9 histono metiltransferazė Pol-II, RNR polimerazė II PRC1 ir PRC2, polikombino kompleksas ir 2 Ub, ubikvitinacija.

Skirtinguose ląstelių tipuose yra specifinių histono modifikacijų modelių ir siūloma atlikti pagrindinį vaidmenį nustatant ląstelių tapatybę (33, 34). Pavyzdžiui, embrioninės kamieninės (ES) ląstelės turi ‘ dvivalenčius domenus ’, kuriuose yra kartu esančių aktyvių (H3K4me3) ir represinių (H3K27me3) ženklų vystymuisi svarbių genų promotoriuose (35,36). Tokius dvivalenčius domenus nustato dviejų svarbių žinduolių vystymosi reguliatorių veikla: polikombinė grupė, katalizuojanti represinį H3K27 trimetilinimo ženklą ir esminė ES ląstelių pliuripotencijai palaikyti, nutildant ląstelių likimui būdingus genus ir galbūt trithorax grupė, katalizuojanti suaktyvinantis H3K4 trimetilinimo ženklą ir reikalingas palaikant aktyvias chromatino būsenas vystymosi metu (34). Manoma, kad šis dvilypumas padidina fenotipinį plastiškumą, leidžiantį ES ląstelėms griežtai reguliuoti genų ekspresiją skirtingų vystymosi procesų metu. Diferencijuotos ląstelės praranda šį dvilypumą ir įgyja standesnę chromatino struktūrą, kuri gali būti svarbi palaikant ląstelių likimą ląstelių išsiplėtimo metu (33). Šią hipotezę patvirtina neseniai atrastos didelės kondensuotos chromatino sritys, turinčios represinį H3K9me2 ženklą, vadinamą ‘LOCKs ’ (didelės organizuotos chromatino K9 modifikacijos), diferencijuotose ES ląstelėse, kurios gali išlaikyti didelių genominių regionų nutildymą diferencijuotuose audiniuose (37 ).

Histono modifikacijos modelius dinamiškai reguliuoja fermentai, kurie prideda ir pašalina kovalentines histono baltymų modifikacijas. Histono acetiltransferazės (HAT) ir histono metiltransferazės (HMT) prideda atitinkamai acetilo ir metilo grupes, tuo tarpu HDAC ir histono demetilazės (HDM) pašalina atitinkamai acetilo ir metilo grupes (38, 39). Per pastarąjį dešimtmetį buvo nustatyta nemažai histoną modifikuojančių fermentų, įskaitant įvairias HAT, HMT, HDAC ir HDM (12). Šie histoną modifikuojantys fermentai sąveikauja tarpusavyje, taip pat su kitais DNR reguliavimo mechanizmais, kad glaudžiai susietų chromatino būseną ir transkripciją.

DNR metilinimo ir histono modifikacijų sąveika

Be individualių vaidmenų atlikimo, histono modifikacijos ir DNR metilinimas sąveikauja tarpusavyje keliais lygiais, kad nustatytų genų ekspresijos būseną, chromatino organizaciją ir ląstelių tapatumą (40). Keletas HMT, įskaitant G9a, SUV39H1 ir PRMT5, gali nukreipti DNR metilinimą į konkrečius genominius taikinius, tiesiogiai įdarbindami DNR metiltransferazes (DNMT), kad stabiliai nutildytų genus (41 �). Be tiesioginio DNMT įdarbinimo, HMT ir demetilazės taip pat turi įtakos DNR metilinimo lygiui, reguliuodami DNMT baltymų stabilumą (44, 45). DNMT savo ruožtu gali įdarbinti HDAC ir metilą rišančius baltymus, kad pasiektų genų nutildymą ir chromatino kondensaciją (22, 23). DNR metilinimas taip pat gali nukreipti H3K9 metilinimą per efektorinius baltymus, tokius kaip MeCP2, taip sukurdamas represinę chromatino būseną (46). Sąveika tarp DNR metilinimo mašinų ir histoną modifikuojančių fermentų dar labiau padidina genų ekspresijos epigenetinio reguliavimo sudėtingumą, kuris nustato ir palaiko ląstelių tapatybę ir funkciją.

Nukleosomų padėties nustatymas ir histono variantai

Nekovalentiniai mechanizmai, tokie kaip nukleozomų pertvarkymas ir kanoninių histono baltymų pakeitimas specialiais histono variantais, taip pat vaidina svarbų vaidmenį nustatant, kaip chromatino struktūra reguliuoja genų aktyvumą. Be to, kad yra pagrindiniai DNR pakavimo ląstelėje moduliai, nukleosomos reguliuoja genų ekspresiją, pakeisdamos reguliuojamų DNR sekų prieinamumą transkripcijos faktoriams (14). Genomo masto nukleozomų kartografavimo duomenys apie įvairius eukariotinius organizmus atskleidžia bendrą organizacinę temą su tiksliu nukleosomų padėties nustatymu aplink genų promotorius, palyginti su santykinai atsitiktiniu modeliu, kuris randamas genų kūnuose (47). Manoma, kad regionai be nukleozomų (NFR), esantys 5 ir#x02032 ir 3 ir#x02032 galuose, yra transkripcijos mašinų surinkimo ir išmontavimo vietos (48). Nukleozomos praradimas tiesiai prieš transkripcijos pradžios vietą yra glaudžiai susijęs su genų aktyvacija (49, 50). Be to, NFR buvimas genų promotoriuose su baziniu transkripcijos lygiu koreliuoja su jų gebėjimu greitai suaktyvinti stimuliuojant (51). Priešingai, transkripcijos pradžios vietos užsikimšimas NFR nukleozomoje yra susijęs su genų represijomis (52). NFR moduliavimą organizuoja nuo ATP priklausomi chromatino pertvarkymo kompleksai, kurie keičia DNR reguliavimo vietų prieinamumą tiek slenkant, tiek išstumiant nukleozomas (53). Nukleozomų pertvarkymo mašinų sąveika su DNR metilinimu ir histono modifikacijomis vaidina lemiamą vaidmenį nustatant pasaulinius genų ekspresijos modelius ir chromatino architektūrą (1 ir ​ ir2 paveikslai 2) (54, 55).

DNR metilinimo pokyčiai vėžiu. Normaliose ląstelėse CpG salos promotoriai paprastai yra nemetilinti, o kai jie yra aktyvūs, kaip ir naviko slopinimo genų atveju, juos lydi aktyvūs histono ženklai, tokie kaip acetilinimas ir H3K4 metilinimas (žali apskritimai, 4), leidžiantys sukurti transkripciškai aktyvią atvirą chromatino struktūrą. Tačiau pasikartojantys regionai, transposonai, prasti CpG tarpgeniniai regionai ir įspausti genų promotoriai yra stipriai metilinami ir kartu su represiniais histono ženklais, tokiais kaip H3K9 metilinimas (raudoni apskritimai, 9), kurie kartu sudaro tylią chromatino būseną. Naviko genezės metu naviko slopinimo genų promotoriai su CpG salomis tampa metilinami, todėl susidaro tyli chromatino struktūra ir nenormalus nutildymas (pažymėta raudona rodykle). Priešingai, pasikartojančios sekos, transposonai ir įspausti genų promotoriai tampa hipometilinami, todėl jie aktyviai suaktyvėja (pažymėta žalia rodykle).

Be fizinių nukleosominės padėties pokyčių per nukleozomų remodeleratorius, įtraukiant histono variantus, pvz. H3.3 ir H2A.Z, į nukleosomas taip pat turi įtakos nukleozomų užimtumui ir taip genų aktyvumui (56,57). Skirtingai nuo pagrindinių histono potipių, kurių sintezė ir įtraukimas yra susijęs su DNR replikacija S fazėje, šie variantai yra sintezuojami ir įtraukiami į chromatiną per visą ląstelių ciklą (56). H3.3 ir H2A.Z yra praturtinti aktyvių genų promotoriais arba genais, pasirengusiais aktyvuoti, ir gali tarpininkauti genų aktyvacijai, pakeisdami nukleozomų stabilumą (58). H2A.Z įtraukimas taip pat gali prisidėti prie genų aktyvacijos, apsaugant genus nuo DNR metilinimo (59). ES ląstelėse H2A.Z kolokalizuojasi su dvivalenčiais domenais, kur gali padėti išlaikyti svarbiausius vystymosi genus palankioje būsenoje (60). Kaip ir kanoniniai histonai, histono variantai patiria įvairius posttransliacinius pakeitimus, kurie lemia jų branduolinę lokalizaciją ir funkciją. Pavyzdžiui, acetilintas H2A.Z pirmiausia asocijuojasi su aktyviais euchromatino genais, o visur esantis H2A.Z asocijuojasi su fakultatyviu heterochromatinu (61,62). Apskritai, histono variantų įtraukimas į nukleosomas suteikia papildomą epigenetinį mechanizmą, kurį ląstelės naudoja chromatino struktūrai modifikuoti pagal įvairių ląstelių procesų poreikius.

MiRNR

miRNR yra mažos ir nekoduojančios RNR, kurios reguliuoja genų ekspresiją, slopindamos tikslinius genus po transkripcijos. Sekos specifinis miRNR bazinis suporavimas su 3 ′ neišverstomis tikslinės pasiuntinio RNR sritimis RNR sukeltame slopinimo komplekse lemia tikslinio pasiuntinio RNR degradaciją arba transliacijos slopinimą (63). miRNR yra išreikštos audiniams būdingu būdu ir kontroliuoja daugybę biologinių procesų, įskaitant ląstelių proliferaciją, apoptozę ir diferenciaciją. Žmogaus genome identifikuotų miRNR ir jų galimų tikslinių genų sąrašas sparčiai auga, parodydamas jų didelį vaidmenį išlaikant pasaulinius genų ekspresijos modelius (13). Kaip ir normalūs genai, miRNR raišką galima reguliuoti epigenetiniais mechanizmais (64). Be to, miRNR taip pat gali moduliuoti epigenetinius reguliavimo mechanizmus ląstelės viduje, nukreipdami fermentus, atsakingus už DNR metilinimą (DNMT3A ir DNMT3B) ir histono modifikacijas (EZH2) (65, 66). Tokia sąveika tarp įvairių epigenetinės mašinos komponentų dar kartą pabrėžia integruotą epigenetinių mechanizmų, susijusių su pasaulinių genų ekspresijos modelių palaikymu, pobūdį.


Pasikartojančio genomo vaidmuo

Perkeliami elementai yra intymūs genomų komponentai, turintys genų reguliavimo potencialą, dėl kurio gali atsirasti fenotipinė įvairovė. Iš tiesų, perkeltini elementai ir jų relikvijos sudaro didžiąją daugumos eukariotų genomų dalį. McClintockas pasiūlė, kad transpozonai būtų įjungti arba išjungti dėl aplinkos pokyčių arba kūrimo metu, veikdami kaip „kontrolės elementai“. Dabar žinome, kad transposonai gali daryti įtaką genų aktyvumui įvairiais būdais, veikdami kaip reguliavimo elementai arba trukdydami transkripcijai 68. Genomai sukūrė specifinius rūšims būdingus mechanizmus, kaip apriboti transposono aktyvumą, pavyzdžiui, nukreipdami į represines heterochromatino mašinas per specifines RNR arba DNR surišimo faktorius. In Drosophila, heterochromatin-dependent mechanisms allow the expression of specific clusters of transposon relics in order to produce PIWI-interacting RNAs (piRNAs) that, in turn, inhibit transposition. piRNAs are maternally heritable and can be amplified via a ping-pong system, effectively allowing the organism to resist new invasions and adapt their genome to them 69 . Caenorhabditis elegans uses heterochromatin components to prevent illegitimate repetitive DNA transcription and genome instability 70 . Plants produce small RNAs derived from double-stranded precursors, which are synthesized by dedicated polymerases and target DNA methylation and the H3K9 methylation machinery 71 . Finally, numerous strategies are deployed in mammals, the most recently characterized being the repression of endogenous retroviruses (ERVs) by the KAP1 protein (also known as TRIM28), which co-recruits heterochromatin proteins such as SETDB1 by interacting with Krüppel-associated box (KRAB) domain-containing zinc-finger proteins (KZFPs). This strategy also enables the rapid evolution of gene regulation strategies via binding of KZFP to ERVs near genes 72 , thus influencing gene expression dynamics and levels.


Epigenetic Mechanisms

How does epigenetic inheritance occur concretely? Although several epigenetic processes have been considered to answer this question, given the wide range of this work, we will focus on two of the more extensively studied mechanisms: methylation and ncRNA.

First-Generation Epigenetic Mechanisms

First-generation epigenetic mechanisms are centered on modifications to chromatin density—i.e., a “tuning” of transcriptional probability. These mechanisms depend on several enzymatic activities that effect acetylation, methylation and phosphorylation of histone tails (primarily lysine, arginine and serine) and their removal (deacetylation, demethylation and dephosphorylation) ATP-dependent chromatin remodeling (proteins that actively and transiently modify nucleosomal structure) and cytosine methylation (Portela and Esteller, 2010 Cooper and Hausman, 2013). Although these processes might mediate epigenetic inheritance, methylation is the most well-understood mechanism regarding this matter (Babenko et al., 2015).

Methylation and Demethylation

DNA methylation is an enzymatic process by which a methyl group (CH3) is covalently bound to the fifth position of a cytosine residue (5-methylcytosine, 5mC) to alter gene expression. In mammalian DNA, this regulatory activity acts on CpG palindromes (i.e., diagonally symmetric couples of guanine-cytosine pairs), whereas asymmetric methylation is rare (Chen and Li, 2004). When methylation affects the promoter region, it is associated with gene silencing—the most well-known function of this mechanism however, when it involves the transcribed region, it increases transcriptional activity (Jones, 2012). DNA methylation is involved in many processes, particularly those that are important for early development, such as genomic imprinting, X-chromosome inactivation, and transposon silencing (Smith and Meissner, 2013).

The addition of CH3 groups to CpG islands is catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs). DNMT1 primarily maintains DNA methylation patterns during replication, whereas DNMT3A, DNMT3B and DNMT3L (a noncatalytic isoform of DNMT3, termed DNMT3-like) are principally involved in establishing new DNA methylation patterns𠅊 mechanism that is called de novo methylation—that characterize embryo development, in particular (Chen and Li, 2004).

The maintenance of methylation is crucial for ensuring the continuity of the structural and functional identities of somatic cells throughout cell division. During the S phase of the cell cycle, DNMT1 reaches hemimethylated CpGs with the aid of ubiquitin-like with PHD and RING finger domains 1 (UHRF1) proteins such that each newly synthesized DNA strand can be methylated per its complementary strand. Thus, after each replication, the symmetry of the methylation pattern is restored (Zhang et al., 2011 Wu and Zhang, 2014).

Although methylation patterns are stable, they can be erased by two mechanisms: active and passive demethylation. Passive demethylation represents a failure in maintenance (so-called replication-dependent dilution) and occurs primarily in the absence of functional DNMT1/UHRF1: if the symmetry of methylation is not reestablished, methylation is lost through replications (Smith and Meissner, 2013 Wu and Zhang, 2014).

Active methylation is mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins, which exist as three isoforms: TET1, TET2 and TET3. This subfamily of dioxygenases catalyzes the oxidation of 5mC to hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and finally 5-carboxylcytosine (5caC). This conversion is the first step toward complete demethylation through two pathways. In the first mechanism, DNMT1 is less effective toward 5hmC, 5fC and 5acC methylation thus, the oxidative activity of TET can foster passive dilution. In the second route, 5fC and 5acC can be excised from DNA by thymine DNA glycosylase, and the resulting lesion is promptly repaired through the base excision repair (BER) pathway, generating an unmodified cytosine. Thymine DNA glycosylase and BER are also recruited when 5mC is deaminated to thymine by activation-induced deaminase, particularly in promoter regions during somatic cell reprogramming (Seisenberger et al., 2013 Zhao and Chen, 2013). An overview of methylation and demethylation mechanisms is provided in Figure ​ Figure3 3 .

Methylation and demethylation. Methylation is a regulatory process of gene expression, catalyzed by DNA methyltransferase enzymes, owing to the addition of a methyl group to the fifth position of a cytosine. DNA methyltransferases 1 (DNM1) is mainly involved in maintenance methylation that restores symmetric DNA methylation patterns after DNA replication. DNM3A, DNMTB and DNMTL, instead, are involved in the catalytic process that produces de novo methylation by adding methyl groups to unmethylated DNA strands. Methylation processes can be reverted by two mechanisms: passive demethylation due to loss of methylation across consecutive DNA replications active demethylation mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins.

Methylation and Epigenetic Inheritance

Maintenance and de novo methylation and active and passive demethylation are crucial for embryonic development and epigenetic inheritance. Gametes are completely demethylated and are remethylated after fertilization to erase all epigenetic marks that an individual accumulates over his lifespan. However, this resetting process is impeded during early development, perhaps accounting for transgenerational transmission of these epigenetic footprints (van Otterdijk and Michels, 2016).

Elimination and restoration of methylation markers occurs in two steps (Figure ​ (Figure4). 4 ). Immediately after fertilization, global demethylation is observed that erases methylation marks of the parental gametes through two sex-dependent mechanisms. First, the DNA in paternal pronuclei undergoes rapid, active demethylation that is mediated by TET3 proteins, which spare only imprinting control regions (ICRs) and certain retrotransposons, such as intracisternal A particles. This process takes place at approximately the time of DNA replication and ends before the first cell division is completed. Then, the maternal genome is progressively demethylated through passive demethylation across subsequent cleavage steps (Seisenberger et al., 2013). Consequently, the totipotency of the zygote is established and maintained across the first several cell divisions.

Biomarker reset. The elimination and restoration of methylation markers happen in two steps. A first, active demethylation takes place in parental gametes, right after fertilization. This process is mostly active𠅊nd therefore faster: it is completed by the first cell division𠅏or paternally inherited genome, while maternal pronucleus is slowly demethylated by passive diffusion across replications. This first global erasure of methylation marks spares only imprinted loci and some retrotransposons, and it is deemed to establish cellular totipotency. After the implantation of the developing blastocyst, a first de novo methylation wave begins, driving the crucial process of cellular differentiation. At the beginning of gametogenesis, when primordial germ cells start to migrate, a second demethylation takes place: gametes’ chromatin is globally demethylated, also including imprinted loci. After sex-determination, gametogonia are remethylated by a second wave of de novo methylation, which is higher (90%) and faster (it is mostly complete before birth) for male gametes and slower (40%) and lower (it does not end until puberty) for female gametes. Imprinting patterns are usually reestablished during this phase. The established patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and right after birth. These processes depend on the activity of several epigenetic enzymes, among which DNA methyltransferases (DNMTs) and TETs are prominent. The regulation of these processes by non-coding RNA (ncRNA), has also been established.

The maternal factor Stella has been suggested to protect the maternal genome and paternal ICRs and intracisternal A particles from active demethylation. These regions undergo H3K9 (a Stella binding site) demethylation. Moreover, inside of the oocyte and zygote, the DNMT1o isoform predominates and is more concentrated in their cytoplasm. In contrast, DNMT1 is the chief isoform in somatic cell nuclei but is scarce in the zygote. These differences in nuclear and cytoplasmic concentrations of DNMT1 isoforms account for global passive demethylation and might explain the maintenance of maternal ICRs (Cardoso and Leonhardt, 1999 Seisenberger et al., 2013). Nevertheless, recent studies suggest that active and passive processes govern the demethylation of the maternal and paternal genomes (van Otterdijk and Michels, 2016). After the implantation of the developing blastocyst, the inner mass cells (IMCs) undergo a wave of de novo methylation, which drives their differentiation. This process is mediated by DNMT3 (Chen and Li, 2004 Seisenberger et al., 2013).

A second wave of demethylation is initiated at the outset of gametogenesis: primordial germ cells experience demethylation that starts during their migration and spreads to ICRs (Zhao and Chen, 2013 Wu and Zhang, 2014). After sex determination, gametogonia DNA is remethylated through a second de novo methylation step. Notably, male gametes reach methylation levels of 90% before birth, whereas oocytes increase their levels progressively, long after birth and until sex maturation when they decline to approximately 40% in this phase, imprinted loci are usually restored (Smith and Meissner, 2013 Zhao and Chen, 2013). As argued above, the transmitted patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and immediately after birth.

It appears that epigenetic transmission might be possible when the second demethylation step is prevented, as in the case of genomic imprinting, which constitutes the strongest evidence for transgenerational epigenetic inheritance in mammals (van Otterdijk and Michels, 2016). Correct repression of transcription of certain genes is crucial for a good developmental outcome. A glitch during genomic imprinting, for example, can cause severe pathologies, such as Prader–Willi and Angelman syndromes, which are derived from the loss of nonimprinted paternal and maternal genes, respectively (Cassidy et al., 2000).

New-Generation Epigenetic Mechanisms

New-generation epigenetic mechanisms also incorporate factors that modify the genetic expression at the translational level, such as alternative splicing, RNA editing, and regulation by ncRNAs (Cooper and Hausman, 2013). Recently, ncRNAs have been implicated in disease development and manifestation and in their epigenetic transmission (Peschansky and Wahlestedt, 2014). ncRNAs are not translated into proteins. Only 2% of RNA is mRNA and becomes a functional and structural component of the cell. The remaining 98%, however, is far from “junk,” as once believed. Many genes are translated into ncRNA (Liu et al., 2013). What do these molecules do? As we will discuss below, many groups (e.g., Amaral et al., 2013 Peschansky and Wahlestedt, 2014) have exhaustively reviewed the functional properties of these newly implicated species in epigenetic regulation and inheritance, highlighting their direct and indirect functions.

Non Coding RNA and Epigenetic Regulation

ncRNAs that are less than 200 nucleotides are labeled “short” or “small,” whereas those that exceed this length are defined as “long” (lncRNAs). These two groups can be subdivided, depending on their genomic origin and biogenic activity.

lncRNAs are divided into five subgroups:

natural antisense transcript (NAT), a complementary sequence to a coding RNA at the same locus (cis-NAT) or a distal genomic locus (trans-NAT).

long intergenic ncRNA (lincRNA), which is encoded from the introns of intergenic regions (macroRNA or vlincRNA).

sense overlapping, which is transcribed from the same DNA strand as another transcript.

sense intronic, originating from the introns of coding genes.

processed transcript, an RNA transcript that is spliced or polyadenylated.

Whereas NATs primarily regulate the expression of the sense partner transcript, the activities of the other four classes remain unknown, but they are likely to include transcriptional regulation, RNA stability, and the recruitment of protein complexes and other subcellular elements. lncRNAs are usually transcribed and processed similarly to coding mRNAs (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

Small RNAs are grouped into five clusters: PIWI-interacting RNAs (piRNAs), endogenous short interfering RNAs (endo-siRNAs), miRNAs (or miRs), transfer-derived RNAs (tDRs or tsRNAs) and small nucleolar RNAs (snoRNAs). PiRNAs are usually composed of 26� nucleotides and can silence the transcription of target RNAs, promoting the trimethylation of histone 3 lysine 9 (H3K9me3), a marker of inactive chromatin, by a histone methyltransferase (Luteijn and Ketting, 2013).

The function of endo-siRNAs is not well understood, but it appears to require extensive sequence complementarity to repress genes (Okamura et al., 2008). miRNAs are 20�-nucleotide segments that usually target mRNAs by complementarity to a 6-nucleotide seed region in the 3′-UTR or 5′-UTR (Vidigal and Ventura, 2012). tsRNAs are derived from the rigid processing of mature precursor tRNAs at the 5’ or 3’ end and have a similar function as miRNA, regulating RNA-silencing activities (Haussecker et al., 2010). snoRNAs are involved in modifications to ribosomal RNAs but snoRNA is also a miRNA precursor and has a similar function to miRNAs (Ender et al., 2008).

Our understanding of the processes that generate mature small ncRNAs is patchy. Only the biogenesis of miRNAs has been determined. The formation of miRNAs begins in the nucleus with the transcription of a primary miRNA (pri-miRNA) by RNA polymerase II (RNA Pol II). Pri-miRNAs are attacked by the microprocessor complex, composed of RNase III (Drosha) and DGCR8 (Pasha). Drosha cleaves pri-miRNA into a shorter transcript, whereas Pasha stabilizes the interaction between Drosha and pri-mRNA. This catalytic event produces a stem-loop structure, the precursor miRNA (pre-miRNA). The pre-miRNA is then exported to the cytoplasm by Ran-GTP, which energizes the transport system, and exportin-5 (EXP5), which interacts directly with the stem-loop structure. Here, the pre-miRNA associates with Dicer (another RNase III), which cleaves it into two molecules of approximately 22 nucleotides: guide strand (or mature miRNA) and passenger strand (or miRNA*). These two species are then loaded into argonaute (Ago) proteins, which select the mature miRNA (while miRNA* is degraded) and deliver it to the RNA-induced silencing complex, through which it arrives at its targets, destabilizing mRNA and inhibiting transcription (Blahna and Hata, 2012).

In general, lncRNAs and small RNAs intervene in several regulatory processes in nuclear architecture, chromatin regulation, transcriptional regulation and RNA processing (Amaral et al., 2013 Quinn and Chang, 2016). lncRNAs regulate epigenetics by remodeling chromatin structure, whereas the function of miRNAs in epigenetic processes is linked to their direct or indirect regulation of DNMT expression during embryonic development and in somatic cells (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

ncRNAs can be epigenetic targets and epigenetic effectors. Their genetic loci can be subject to epigenetic regulation, like protein-coding genes, becoming susceptible of environmental influences further, they govern gene expression (Peschansky and Wahlestedt, 2014 Szyf, 2015). This dual nature of ncRNAs implicates them as 𠇌hange amplifiers.” In this sense, ncRNAs are similar to transcription factors.

Small RNAs and Epigenetic Inheritance

Among all classes of small RNAs, miRNAs are the most frequently cited with regard to epigenetic inheritance. Recently, the miRNA expression patterns in placental (Gu et al., 2013 Maccani et al., 2013) and germ cells (Soni et al., 2013 Rodgers et al., 2015) have been implicated in fetal programming, and increasing evidence is considering the function of miRNAs in mediating transgenerational epigenetic inheritance of stress responsivity (Babenko et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

As discussed, fetal programming alone does not account for epigenetic transmission, unless we include the effect of previous environmental factors (i.e., AIE) in its definition. As pointed out by Bohacek and Mansuy (2015), germ cell reprogramming could be a key mechanism of transgenerational epigenetic inheritance. Notably, miRNAs control de novo DNA methylation by regulating transcriptional repressors (Sinkkonen et al., 2008). Epigenetic changes in germ cells arise and are maintained throughout methylation and acetylation, but miRNAs, particularly those in sperm, appear to have important functions (e.g., Bohacek and Mansuy, 2015 Rodgers et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

Conversely, global suppression of miRNA (paired with the functional predominance of endo-siRNAs) has been observed in mature oocytes and during early embryonic development (Ma et al., 2010 Suh et al., 2010). Consistent with these data, oocytes lack DGCR8 (Pasha), which is necessary for miRNA but not endo-siRNA pathways (Ma et al., 2010). miRNAs could be important mediators of placental development through their regulation of genetic expression (Babenko et al., 2015). Their function in the latter phases of zygote development remains unknown, but as we will discuss, there is evidence of the role of miRNAs in the regulation of oocyte function (Tang et al., 2007 Soni et al., 2013). piRNAs are another class of small RNAs that are important in epigenetic inheritance and are highly expressed in sperm and oocytes tsRNAs, which are enriched in mature mouse sperm, are critical in epigenetic inheritance (Peng et al., 2012 Roovers et al., 2015 Chen Q. et al., 2016 Sharma et al., 2016). However, much work is needed to determine their functions.

Mechanisms of Epigenetic Inheritance: An Overview

Epigenetic inheritance has been suggested to be governed by the crosstalk between canonical epigenetic mechanisms (primarily methylation) and the regulation of gene expression by ncRNAs at the translational and transcriptional levels, as proposed by several groups (e.g., van Otterdijk and Michels, 2016 Houri-Zeevi and Rechavi, 2017 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018). Although there is no direct evidence of the exact mechanisms that are involved, some hypotheses can be introduced.

NcRNAs might mediate the establishment of new patterns of gene expression by regulating DNMT1 and TET in adult somatic cells (DE). Following fertilization, synchronous alterations to the intrauterine environment could define new expression patterns (WIE), particularly through the activities of small ncRNAs on DNMT1, DNMT3A/B/L and TET, interfering with the maintenance of preexisting epigenetic hallmarks. Depending on when an environmental change occurs, the influence on the offspring might depend on the offspring’s sex and materialize using a sex-specific cluster of enzymes (see Figure ​ Figure4 4 ).

The most notable𠅊lbeit more obscure and less extensively studied𠅏unction of ncRNAs could be to establish the intrauterine environment and gametes before conception, producing new, stable epigenetic marks, such as methylation, that are stably maintained at least across one generation (AIE). Further, the direct transmission of ncRNAs through paternal sperm or fluids and maternal germ cells could intervene in setting epigenetic patterns. Conversely, the presence or absence of molecular tags (such as UHRF1) could influence the expression of crucial ncRNAs during the first or second stage of demethylation, also sex-dependently (Figure ​ (Figure4). 4 ). These models are only some of the hypotheses that our current understanding allows, and surely overlooks other less well-understood processes, such as histone modification and retention, DNA hydroxymethylation, and chromatin remodeling. These mechanisms are suggested to be relevant to epigenetic inheritance and subject to some form of regulation by ncRNAs, necessitating further evidence of their implication (Babenko et al., 2015 Bohacek and Mansuy, 2015 van Otterdijk and Michels, 2016).


DNA sequence-dependent epigenetic inheritance of gene silencing and histone H3K9 methylation

Epigenetic inheritance mechanisms play fundamental roles in maintaining cellular memory of gene expression states. In fission yeast, histone H3 lysine 9 (H3K9) is methylated (H3K9me) at heterochromatic domains. These domains can be epigenetically inherited when epe1 + , encoding an enzyme that promotes H3K9 demethylation, is deleted. How native epigenetic states are stably maintained in epe1 + cells remains unknown. Here, we developed a system to examine the role of DNA sequence and genomic context in propagation of a cis-heritable H3K9me-dependent silenced state. We show that in epe1 + cells, in addition to sequence-independent mechanisms that propagate H3K9me, epigenetic inheritance of silencing requires binding sites for sequence-dependent activating transcription factor (ATF)-adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP) response element-binding protein (CREB) family transcription factors within their native chromosomal context. Thus, specific DNA sequences contribute to cis inheritance of H3K9me and silent epigenetic states.

Copyright © 2017, American Association for the Advancement of Science.

Skaičiai

Fig. 1. Construction of a modified mating-type…

Fig. 1. Construction of a modified mating-type (mat) locus that allows examination of the role…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus and binding sites for the ATF-CREB transcription factors…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent mechanisms to cis inheritance of silencing and H3K9me


Description of content: Regulation of gene expression and of chromatin function is pivotal for the understanding of (early) development programs, cellular homeostasis and many disease states. The transcription process is critically linked to the regulation of chromatin function. Epigenetic mechanisms such as histone modifications can transmit active/inactive states of a gene through cellular divisions, which are particularly relevant during early mammalian development. The study of transcription, chromatin regulation and early development received a great impetus through the availability of whole genome sequences, which sparked development of many novel high-throughput sequencing technologies. Integration of biochemistry, molecular biology, genomics, proteomics and cell biology now provides unprecedented insight into transcription and chromatin regulation in health and disease.
This course will teach the crucial concepts of regulation of gene expression, with a focus on the process of transcription at the molecular level, and also including concepts derived from cellular, developmental and disease states. Epigenetics, chromatin and genome organization will be taught, as well as state-of-the-art strategies and techniques in the field of gene regulation and genome research, all with a reference to human disease and development.
The covered topics are: genome/gene organization, pol II transcription initiation/elongation, chromatin remodeling, chromatin modifications, epigenetic inheritance, nuclear organization, early vertebrate embryonic development, signals and pathways, cell lineage specification, pluripotency, germ cells and genomic imprinting. Many techniques will be explained, including classical assays used to investigate transcription, as well as high-throughput genomic approaches and systems biology analyses. If you are only superficially interested in the mechanisms of gene expression, epigenetics and development, this course is not suitable for you.

Course outline: The course consists of a combination of lectures, exercises, literature and discussions and closes with a written exam. A large part is taught by leading scientists (9-10 different instructors in total) working in gene expression, chromatin control and early development. The course is intense and challenging and requires full attention throughout its entire duration. Although many basic molecular principles will be reintroduced, the course is only suited for students with a basic molecular understanding of gene expression and chromatin through Biomolecular Sciences bachelor programs taught from textbooks like Molecular Biology of the Cell (“Alberts”) or Genes (“Lewin”).

Instructors:
Genevieve Almouzni (Institut Curie, Paris)
Sebastian Arnold (Dept. of Pharmacology, Freiburg)
Susan Gasser (FMI, Basel)
Nicola Iovino (MPI, Freiburg)
Ana Pombo (MDC, Berlin)
Wolf Reik (Babraham Institute, Cambridge)
Marc Timmers (Dept. of Urology/DKTK, Freiburg)
Maria-Elena Torres-Padilla (LMU, Munich)
Peter Verrijzer (EMC, Rotterdam)

Schedule: The course is full-time (9-17 h). A detailed schedule will be sent two weeks prior to the course. Following the entire course throughout is compulsory without exceptions.

Reikalavimai: The course is aimed at Ph.D. researchers of the SGBM and Master students from Freiburg in their last year of study. The course is also open to Ph.D. and Master students from other programs (i.e. IMPRS graduate school, Molecular Medicine) and from similar programs outside of Freiburg. Participants should already have a basic understanding of cellular and molecular biology.

Registracija: Please download the application form čia, fill it out and send it back to This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it until latest May 31, 2021.
SGBM fellows have priority in registration until 6 weeks before the course. The participation fee of € 100 is requested for external students. Maximum participation (Master + PhD fellows) is 25, so please register well ahead of the deadline. Successful applicants will be notified 4 weeks in advance.


Žiūrėti video įrašą: Paskaita. Molekulinis paveldimumas II. Kodavimas ir transkripcija (Sausis 2022).