ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ (ГЕНЕТИЧЕСКАЯ) РЕГУЛЯЦИЯ

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ (ГЕНЕТИЧЕСКАЯ)
РЕГУЛЯЦИЯ, ОНКОЛОГИЧЕСКИЙ
КОНТЕКСТ И ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ
МЕХАНИЗМЫ ЭКСПРЕССИИ
ГЕНОВ/ГЕНОМА. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
ДЕЙЧМАН А.М
Лаборатория экспериментальной диагностики
и биотерапии опухолей НИИ ЭДИТО, РОНЦ
им. Н.Н. Блохина РАМН
П. и Д. Медавары: «Генетика
предполагает, а Эпигенетика
располагает»
ТЕЗИСНО:
1.ТЕРМИН «ЭПИГЕНЕЗ/ЭПИГЕНЕЗИС» - от Аристотеля (и
средневековых естествоиспытателей)
2.ТЕРМИН «ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ/НАСЛЕДОВАНИЕ» – в 40-х годах ввел британский ученый Конрад
Уоддингтон, ... Роб. Холлидей в 1990 г. ...
• БФВ: Эпигенетика: область знаний о совокупности
свойств организма, которые непосредственно не
закодированы в геноме, но могут и, по определению,
должны передаваться по наследству.
• Сходное: Эпигенетика изучает стойкие изменения,
влияющие на геном особи в течение развития и старения, но не обязательно передающиеся следующим
поколениям.
• Andrew Feinberg (Professor of Medicine and director of the
Center for Epigenetics in Common Human Disease at Johns
Hopkins): “Cells affected by epigenetic changes look normal
under a microscope at low levels of resolution, but if you
look carefully at the genome, you find there are subtle
changes (тонкие изменения)."; и: “( Отслеживая эти
изменения, врачи могли бы лечить людей, прежде чем
опухоли разовьются, – во многом так же, как
кардиологи назначают для снижения уровня
холестерина препараты, чтобы помочь предотвратить
сердечные заболевания.)”
Механизмы эпигенетического регулирования:
1. Метилирование ДНК (ядерной, реже
митохондриальной).
2. Ремоделирование упаковки хроматина
(«Гистоновый код»: модификация гистонов:
метилирование, ацетилирование, фосфорилирование,
убиквитинирование; другие белки). «Нуклеосомн.-код».
3. РНК-интерференция (с участием малых РНК,
направляющих метилирование, модулирующих
трансляцию, транскрипцию; siRNAs, rasiRNAs, piRNAs,
snoRNAs др.).
4.
Конформационная прионизация белков.
5. Инактивация одной из двух X-хромосом у самок
(женщин). Импритинг.
Парамутации, Эпимутации растений / животных (у
цветковых и млекопитающих; легко ревертируют к норме).
Считают: за этими явлениями стоит некий общий и довольно широко распространенный механизм, однако он, несмотря на большой интерес к проблеме, не расшифрован.
• Эухроматин (малая часть генома). Гетерохроматин
(~80% генома; факультативный и конститутивный).
Локальная гетерохроматизация Центромер, Теломер (у
человека / млекопитающих – это TTAGGG-повторы),
Alu/LINE/SINE-повторов.
•
•
Чадов Б.Ф.: 1. Генетическая система, считающаяся
нами управляющей, оказывается управляемой, а управляющей оказывается та, о которой как о системе нам
фактически ничего не известно… 2. «...благоприобретенный признак, даже эпигенетический, не может не
иметь генетической основы».
Механизмы запуска эпигенетических регуляторов до
сих пор не ясны полностью.
Метилирование ДНК ( репликативно- /
пострепликативно ). «Волны метиливания
/деметилирования». Видо- / ткане- /
/органо - специфичность. Возраст. Гормоны. Ядро (митохондрии). Отдельные участки генома. Контескст (нуклеотидный).
Контроль (репликации, транскрипции,
репарации ДНК, рекомбинации, транспозиции генов, включая онко -/ гены-супрессоры). С эмбриогенеза. Диагностика.
Замены G/C- на А/Т-пары.
Анализ показывает:
Изменения в профилях экспрессии белков,
малых РНК, метилирования (др. эпигенетических
меток, идут параллельно в процессе роста / развития / дифференцировки – в норме и при патологии). Некодирующая часть генома. Генетические сети.
«ГИСТОНОВЫЙ КОД»:
касается всех гистонов
(Н1,Н2А, Н2В,Н3,Н4). Регуляторная «игра»
идет по сочетанию:
1. способов модификации;
2. сайтов модификации;
3. числу меток у каждого сайта
• Лизин. Серин / Треонин. Аргинин.
Дрожжи. Мышь.
Онкологические аспекты (в отношении эпигенети-
ческих факторов):
Соображения (группы исследователей из США и
Швеции): Первые шаги к развитию рака проис-
ходят не на генетическом, а на эпигенетическом уровне.
Они выделяют три стадии:
1.) эпигенетические изменения и ненормальная регуляция
клеток. Опухоли нет, но условия складываются.
2.) в популяции измененных клеток происходит мутация,
начало развития рака.
3.) генетическая и эпигенетическая нестабильность,
рост/«эволюция» (ПРОГРЕССИЯ) опухоли.
Тотальное деметилирование (гипометилирование; множества одиночных CpG-сайтов) и локальное гиперметилирование (~20% сайтов, в CpG-островках) генома. Метилирование и транскрипция связаны обратной зависимостью (совершенно необходим трансактивирующий белковый фактор).
• Эпигенетический эквивалент генетической
мутации:
• Пример: Эпимутации (состояли в de novo гиперметилировании промоторной области MLH1гена у пациентов с HNPCC-раком, в различных
клетках)... Оказалось, что слабо наследуемые
эпимутации, вызывали такой же клинический
HNPCC-эффект (фенотип), как и сами мутации.... Группа повышенного риска (гиперметилирование + микросателлитная нестабильность). (Эпимутации ≈ Парамутации).
• Заметка: При лейкозах животных тотальное ДНК-мети-
лирование (в L-клетках (фибробл?)) понижено, а в некодирующих межгенных палиндромных областях
генома метилирование было повышенным.
ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЭКСПРЕССИИ
ГЕНОВ / ГЕНОМА. ТЕЗИСНО (почти все опубликовано, рисунки/схемы см. ниже):
1. Предложен новый гипотетический механизм
воспроизведения олигонуклеотидных последовательностей длиной в (15-30)n- нуклеоти дов. Как и малые РНК они используются в
соответствии клеточной программой (роста /
развития / дифференцировки; при патологии,
в частн. онкологии, все меняется).
2. Это механизм вариабельной Поэпитопной
Обратной Трансляции (вПОТ-механизм),
протекающий в митохондриях (растения: +
хлоропласты). Локализован на внутренних
мембранах органелл.
3. Другое название олигонуклеотидов –
Нуклеиновый Эквивалент (НЭ) эпитопа
(длиной в 5-10 аминокислот).
4. Для процесса необходимы тРНК (Аа-тРНК), эпитоп
и активности (полимеразные: RdRp, DdRp, RT;
экзо-/эндо-нуклеазные, лигазная, протеазная,
другие).
5. «Ретранслосома» – гипотетическая полифункцио нальная самоорганизующаяся частица (функция:
олигопептид→олигонуклеотид). Имеются наномолекулярные компоненты (тРНК, эпитоп). Взаи модействуют разные уровни организации клетки
(«живого вещества»).
6. «Рибо-(или ДНК)»-вариант олигонуклеотида (НЭ)
может встроиться: 1. в мтДНК; 2. в ретровирусоподобный вектор (импорт в ядро/геном); 3.
комплексироваться с белками (импорт в ядро /
цитоплазму).
7. Достижение целей (регуляторных, защитных и
эволюционных).
8. Размер олигонуклеотида, НЭ-та (единичные /
/ амплифицированные варианты)
соответствует таковому для:
а) коротких РНК (20-30 нуклеотидов). Комплементарное и конкурентное взаимодействие НЭ с
короткими РНК (контролирующими ...) и их
мРНК-мишенями; (см. рис.)
б) праймерных затравок при репликации
митохондриальной / хромосомной ДНК;
в) другое (ред-РНК-«кассеты», gRNAs, …). (ПЦР).
9. Тогда НЭ может вмешиваться в процессы репликации,
транскрипции, трансляции, процессинга / сплайсинга (и
другие: целостность некодирующей части генома, ...).
Daphne W Bell (Cancer Genetics Branch, National Human Genome
Research Institute): …“opened up the potential to resequence entire
tumour genomes to interrogate protein-encoding genes, non-coding
RNA genes, non-genic regions and the mitochondrial genome...
Рис 1. Схематическое изображение роли miRNAs в
регуляции инвазии и миграции опухолевых клеток
(В
целом, miRNAs также играют различные роли при канцерогенезе и включаются в
процессы миграции, инвазии, метастазирования, пролиферации и клеточного
цикла)
10. вПОТ-механизм напряженно работает в Мт / клетке
(чувствителен к факторам внутр/внешн сре-ды). Единичные
/ амплифицир - варианты НЭ. Подобие с повтор-послед-ми.
Рибоперекл-ли метаболизма (сах /железа, как у бакт.); РНКаптамерные структуры.
Отдельные / кластеры рибонукл-в в: 1. мтДНК животных
(особ. в отстающей нити); 2. ядДНК эукариот / прокариот.
Участие коротких РНК (ДНК) в репарации ядерной ДНК
(дрожжи).
Митохондрии: число, асинхронность, изменчивость, старение
(радикалы, АФК); связь с ядерной ДНК: энергетика /
биохимия /регуляция; + у в.растений в ядерной ДНК: есть
динамические сайты для мтДНК и хпДНК (> 3000 kb). мтДНК:
... анал-сайты для ядДНК.
11. Эпитопы избыточных/поврежденных собственных
(клеточ / внеклет) и чужеродных белков.
Протеасомы (лизосомы, фаголизосомы при имм. ответе).
12. Замкнутая обратная связь регуляции экспрессии генов /
генома с участием митохондрий, ядра, цитоплазмы (... по
собств / чуж белкам ... по нуклеотидным последовательностям). Сочетание регуляторной, эпигенетической и
генетической компонент.
13. (1) Регуляция экспрессии генов (стандартная): комплементарно-конкурентное взаимодействие НЭ
с малыми РНК и их мРНК / РНК - мишенями.
14. (2) Эпигенетическая регуляция: стойкое,
отчасти наследуемое: 1. переключение активности ферментов (метилирования, ацетилирования, фосфорилирования, убиквитинирования, де-/... и т.д.); 2. внедрение, временное / постоянное пребывание НЭ-содержащих векторов в некодирующей части генома [в повторах, что возможно ведет к: i). MIs; ii). созданию «порочных регуляторных циклов», др., - вблизи / дистантно от соответствую щих генов (включая онко -/гены-супрессоры); iii). активац
путей с участ: а) процессир / непроцессир псевдогенов
(напр., PTENP1, необх. для экспресс-PTEN-онкосупрессгена, с кот. вз-т множ-во микро-РНК и ...; и KRAS и др.), и
b) др. РНК (рРНК, мРНК, lincRNAs)]. Запуск эпиген-событий
не ясен, но это м вести, в частности, к Генетическим
Заболеваниям.
15. (3)
Генетическая компонента, в целом:
стабильность и изменчивость, поддерживается как самим НЭ
(поступающим в геном в составе векторов), так и перемещением НЭсодержащих векторов. (см. далее).
вПОТ (Мт) → НЭ → ВНП (ретро- / транспозон с НЭ): 1. яд-ДНК
(повторы +/→ интроны +/→ экзоны); 2. обратным сплайсингом в
РНК (интроны / экзоны: мРНК, рРНК, тРНК); и далее обратной
транскрипцией в ДНК-участки).
вПОТ (Мт) → НЭ → РНП (НЭ): цитоплазма (трансляция) + ядро
(структура хроматина: транскрипция, транскрипционный
сайленсинг, рекомбинация, др.).
Многое из этого касается и эпигенетической компоненты.
Интересно, что, подобно СН3-ДНК, увеличение активности спец-х
микро-РНК (miRs-103/107; при раке молочной железы) сопрово ждается общим падением глобальной экспрессии микро-РНК (за
счет ингибирования экспресс Dicer-нуклеазы) в эпителиальных
формах, с последующим усил-ем миграции и метастатич. - диссе минации мезенхимальными клеточными формами рака при EMT.
16. Почему «РАК может быть “очень долго”»).
Чураев Р.Н.: Феномен наследственности – проявление Закона Сохра нения Информации... «Возможны межклеточные взаимодействия
генных сетей разных клеток (сигналы из внутренней среды организма)... Современные данные можно увязать и с “пангенезисом”
Ч.Дарвина и с “зародышевой плазмой” А.Вейсмана».... Этот результат оправдывает поиски дополнительных (регуляторных, защитных,
эволюционных) механизмов». Эгоистические гены.
Корочкин Л.И. (перенос РНК регуляторных белков: трофоцит→ооцит).
Доступный трансгенез (SMGT-ДНК+RT-SMRGT-РНК): (экспер: захват
экзо-нукл-по-сл. спер-м, перенос в ооцит; не искл для эндо-ген-варв). Оценив-ся пока как широко распростран / неслучайн (в отнош
ретро-эл-в), но - непонятная возможность. (Интересно, что для переноса ДНК [в слабо-СН3-сайты-хроматина] треб-ся DBP / CD4комплекс, а нов-RT-стадия, при участ эндог -LINE-1, обязательна).
Множ-во стадий, на кажд – потеря ген-матер-ла, но принцип имеющ
место-б. Эписомальн-ДНК/РНК – как парамутац (с не-Мендел-наслед-м).
Оловников А.М.: Парагеном (принтомер -/хромомер- (соматич-кл) /
филомер (в обогащенн повторами: полов кл-х и В-хромос-х). Не
являются единственными «регуляторами регуляторов».
ГСК: Гематопоэтические стволовые клетки (нет точного понима ния мол.-механизмов их дифференц-ки и репрограммирования).
17. Процессы, к которым также могут быть «причастны» вПОТ/ВНП-передачи-механизмы (вкл. онкологич.):
1) EMT (в частн., при участии микро-РНК; следующий слайд).
2) Трансдифференцировка (кл-ки глиобластомы как-буд «прев-
ращ» в кл-ки эндотелия сосудов опухоли [по маркер и ген.- перестройкам]; то же для: лимфомы, миеломы, хронической
миелоидной лейкемии (CML), рака молочной железы, нейробластомы. Однако: мб недооценена роль (псевдо)-горизонтального
переноса (множества ВНП-пер.) между кл-ми (одной / разных
тканей).
3) Хромотрипис (сверхбыстрые дробление / соединение частей
хромосомы: десятки-сотни перестроек в одной/нескольких
хромосомах 2-3% всех раков, и > 25% раков кости; ; идет сближение и перетасовка ранее отдаленных генов и их частей в кажд
хромосоме. Несколько механизмов:
1. «изнашивание теломер»/слияние концов хромосом;
2. делеция генов – супрессоров;
3. амплификация онко -/генов;
4. взрывы соматических мутаций).
4) Эффекты при Онкологии (регуляторные/эпи-/генетические;
вПОТ/ВНП-передача-механизмы м: влиять на сами опух.-кл; кл-ки
окруж. их тканей; имитировать роль имм.-АПК).
Рис 2. Роль miRNAs в метастазировании.
(a) EMT регулируется miRNAs (рак простаты). miR-200, miR-205 усил-т мезенхим-ю
направл-ть при экспресс-транскрипц-факторов ZEB-1/2, а miR-101 – блокирует
экспрессию E-кадхерина (через таргетинг EZH2, Zeste Homolog 2). miR-155
усиливает: 1. активность Rho-фактора и 2. TGF-Smad-путь; все вместе это
предрасполагает к метастазированию.
(b) Усиление метастазирования (при раке молочной железы) с помощ.- miR-10b –
первой из идентифицированных; связана с Twist1, MMPs, активатором урокиназы
плазминогена (uPA), и различными интегринами. Запуск про-метастатических miR373 и miR-520c усил-л метастазирование (при модулировании CD44) в кости и
легких; а miR-21 при этом угнетает экспрессию TPM1, PDCD4. Другие miRs:
miR-335, miR-206 и miR-31 идентифицированы как антиметастатические и таргетируют RhoA-/Fzd3-/RDX-факторы и интегрины. Усиление экспрессии miR-146 и
miR-98/let-7 вело, соответственно, к таковой же для супрессирующих метастазирование факторов BRMS-1 и RKIP.
5) Возможная сопряженность с редактированием РНК
(необходимость в напр. - матрице при A→I у животных, и U-вставочноделеционном gRNAs-редактировании у трипаносом), др. (слайд 24)
6) Возможная совместная изменяемость геномов клетки и
вируса (в частности ретровирусов).
7) Генетическая компонента при Лекарственной Устойчивости.
8) АГ-специфические участки в АТ и рецепторах В-/Т-клеток (слайд
23).
9) Другое (феногенотипическое равновесие: преобразование соотношений
АТ↔GC-пар, пуринов↔пиримидинов; отбор более востребованных белк.версий (слайд 24), др.).
Отдельно:
10) Формирование генетического кода (разнообразия в его рамках;
слайд 23,26). Биосфера, единая генетически и экологически (ГЧОСсистема).
11) Динамическая синхронная консервативность – скрытый вид
вариабельности (слайды 23, 24).
12) Специфический иммунный ответ (слайд 23) → врожденный.
13) И т.д.