Epigenetik. Montag Willi Kohlhepp Bad Waldsee. Montag, 13. Mai 13
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- Liane Stieber
- vor 8 Jahren
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1 Epigenetik Montag Willi Kohlhepp Bad Waldsee
2 Epigenetik oder Der zweite genetische Code Der erste genetische Code, das ist die Informationssammlung in der DNA der zweite Code - das ist die Steuerung, welche bestimmt, was aus dieser Information auch abgelesen und für die Eiweißproduktion verwendet werden kann
3 Die Disziplin, die "Epigenetik", räumt mit alten Vorstellungen auf: Gene sind nicht starr, sondern ein Leben lang formbar in ihrer Aktivität. Wir selbst können sie durch den Lebensstil, etwa die Ernährung, an- oder ausschalten. Dies bedeutet eine neue Freiheit aber auch eine neue Verantwortung für unser Leben
4 Aufbau
5 Jede Zelle enthält zunächst die gleiche genetische Information es wird aber durch ein System festgelegt, welche Information blockiert ist und welche abgelesen werden kann diese Steuerung geschieht durch den Prozess, den wir Epigenetik nennen
6 Epigenetische Marker stecken nicht in den Buchstaben der DNS selbst, sondern auf ihr: Es sind z.b. Methylgruppen, die entlang des Doppel-Helix-Strangs oder auf dem "Verpackungsmaterial" der DNS verteilt sind. Sie wirken als Schalter, die Gene an- und ausknipsen.
7 das Epigenom ist für die Entwicklung eines gesunden Organismus ebenso wichtig ist wie die DNA selbst. das Epigenom kann durch äußere Einflüsse weit leichter und schneller als die Gene verändert werden. Überraschend war die Erkenntnis: Epigenetische Signale werden teilweise von den Eltern an die Kinder weitergegeben.
8 Organismen erhöhen ihre Komplexität durch Anpassung und Variation z.b der Transkriptionsfaktoren, Promotoren (Gedächtnis für Sekunden bis Tage) Epigenome - Langzeitgedächtnis der Zellen (Monate bis Jahre, vielleicht bis zu 3 Generationen) Mutationen - sehr lange konservativ behalten über viele Generationen (nur hierbei wird der genetische Code in der DNA wirklich verändert)
9 Es gibt mehrere Maßnahmen, um den epigenetischen Code zu erstellen d.h. Einfluss auf die Aktivität von Genen zu nehmen Methylierung der DNA Methylierung / Veränderung der Histone Histon Acetylierung / Ubiquitinylierung / Polyphosphorylierung u. mehr RNA Interferenzen - die RNA Welt
10 Die wichtigste epigenetische Veränderung ist die Methylierung von Cytidin-Basen der DNA. Dabei werden überhaupt nur solche Cytidine methyliert, die innerhalb von Cytosin-Guanosin- Dinukleotiden angetroffen werden. Andere Cytidine werden durch die bekannten menschlichen DNA- Methyltransferasen (DNA-MT) nicht verändert.
11 DNAMTs = DNA Methyltransferasen davon gibt es 4 verschiedene - sie schalten die Gene aus, sie entscheiden, welche Proteine eine Zelle produziert und welche nicht. Cytosin Methyliert wird die Base Cytosin
12 SAM : S-Adenosylmethionin ist ein Schlüsselprodukt im Stoffwechsel der Aminosäure Methionin.
13 Cytosin und Guanin bilden gemeinsam eine Sprosse des DNA Moleküls. Die Methylierung macht die DNA an dieser Stelle unlesbar. methyliert, so wird das Muster der DNA- H3C- In den Körperzellen sind mehr als zwei Drittel methyliert, vor allem da wo zwei Cytosin- Basen auf beiden Strängen der DNA schräg gegenüberliegen. Cluster sog CpG-Inseln. Dann ist die DNA an beiden Strängen Methylierung auch an beide Tochterzellen vererbt, wenn sie sich teilt. Cytosin Guanin
14 Die befruchtete Eizelle besitzt zunächst so gut wie keine Methylierungen. Aber schon nach ganz kurzer Zeit beginnt die epigenetische Programmierung das epigenetische Programm friert Genaktivitätsmuseter ein dies erklärt, dass Umwelteinflüsse auch das Erbgut prägen können
15 der Methylierungs-Prozess ist auch umkehrbar, es gibt die DNA-Demethylase das Methyl-abspaltende Enzym Damit ist die Methylierung von DNA keine Einbahnstraße, sondern der Methylierungszustand kann von der Zelle geregelt werden. daraus resultiert eine ganz erhebliche Plastizität.
16 DIE ORGANISATION DER DNA
17 Die Organisation der DNA das Nucleosom besteht aus 4 x 2 Eiweis Molekülen, den Histonen (Histon Oktamer) um diese Histone wird der DNA Strang gewunden Der Histonkern bildet einen Zylinder von 11 nm Durchmesser und 5 nm Höhe (blau).
18 Neben der direkten Methylierung der DNA gibt es einen weiteren steuernden Prozess die Methylierung der Histone die Acetylierung der Histone
19 Histon-Methyltransferasen (HMTs) und Histon-Acetyltransferasen (HATs) sind Enzyme, die bestimmten Aminosäuren der Histone H2a, H2b, H3 und H4 posttranslational modifizieren können; ihre Gegenspieler sind Histon-Deacetylasen (HDACs) und Histon-Demethylasen.
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23 Text Acetylierung Phosphorylierung Methylierung Protein Metyhltransferase (PRMT) Histone Lysine Methyltransferase (HKMT)
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25 Histonveränderungen Histon Code - Zusammenfassung Nicht nur die DNA kann methyliert werden, auch die Histon Schwänze können modifiziert werden dies verändert die Packungsdichte des Chromatins und somit die Ablesefähigkeit von der DNA wenn das Chromatin dicht gepackt ist kann kein Ablesevorgang eingeleitet werden, ist es aufgelockert, so gelingt der Ableseprozess
26 Die RNA Welt oder RNA Interferenz (Graig Mello, Andrew Fire, NobelP 2006) Die RNA-Interferenz (RNAi oder auch RNA-Silencing) ist ein Mechanismus, welcher der zielgerichteten Abschaltung von Genen dient. Sie ist ein Spezialfall der Gen-Stilllegung. Die RNA-Interferenz beruht auf einer Wechselwirkung kurzer Stücke von Ribonukleinsäure (RNA) mit der Erbinformation-übertragenden mrna unter Beteiligung mehrerer Enzymkomplexe. Als Folge wird die mrna in mehrere Bruchstücke gespalten und die zu übertragende Information wird zerstört oder eine Translation in ein Protein verhindert.
27 Die Arbeiten, die die erste Beschreibung des molekularen Prozesses lieferten, welcher der RNA Interferenz zugrunde liegt, wurden in den 1990er- Jahren mit C.elegans durchgeführt. In den Biowissenschaften hat sich RNA- Interferenz als eine experimentelle Möglichkeit zur Stilllegung von Genen ( Gen-Knockdown ) etabliert. Neue auf RNA-Interferenz basierende Therapien befinden sich in der klinischen Entwicklung.
28 Um den Rahmen nicht zu sprengen sollte es zu diesem Thema eine eigenen Vortrag geben Sprung zu Folie 24 - das Agouti Experiment
29 sirna Im ersten Schritt werden in der Zelle größere doppelsträngige RNA-Moleküle mit Hilfe von Ribonuklease-Enzymen, wie Dicer und Drosha, in kurze doppelsträngige RNA-Fragmente geschnitten. short interfering RNAs = sirnas
30 sirna Die sirna, eine etwa 19 bis 23 Basenpaare umfassende doppelsträngige kleine RNA wird durch eine Spaltung eines großen doppelsträngigen RNA-Moleküls gebildet. Diese Vorläufer-RNA kann mehrere Hunderte bis Tausende Basenpaare lang sein und fällt beispielsweise bei der Vervielfältigung viraler RNA an. dsrna kann nicht nur exogenen, sondern auch endogenen Ursprungs entstammen.
31 mirna - Mikro RNAs regulieren die Genomexpression, indem sie den Abbau spezifischer Ziel-mRNAs bewirken Bei vielen Oranismen hat man mehr als nur einen Typ von Dicer-Enzym idendifiziert. Drosophila besitzt zwei verwandte Dicer- Enzyme
32 mirna die mirna ist durch die genomische DNA kodiert. In einem mehrstufigen Prozess wird aus nichtproteinkodierenden Bereichen der DNA die mirna gebildet. Primär wird mit Hilfe der RNA-Polymerase II durch Transkription eine pri-mirna (primary mirna) gebildet. In tierischen Zellen wird die pri-mirna noch im Zellkern mit Hilfe eines Enzymkomplexes, dem Microprocessor complex unter Beteiligung der RNAse Drosha in die haarnadelförmige pre-mirna (precursor mirna) mit einer Länge von 65 bis 70 Nukleotiden gespalten.
33 Die gebildete pre-mirna wird schließlich im Zytosol mit Hilfe von Dicer in einen jeweils etwa 21 bis 25 Basenpaare umfassenden mirna-doppelstrang geschnitten. Das zentrale Glied der RNA-Interferenz ist ein als RNAinduced silencing complex (RISC) bezeichneter Enzymkomplex. Aufgabe der mirnas ist vor allem die Regulation der Genomexpression. Sie spielen eine Rolle bei verschiedenen Vorgängen wie Zelltod, Festlegung des Nervenzelltyps oder der Fettspeicherung. Genomanalysen haben gezeigt, dass die meisten Tiere mindestens 200 bis 400 mirnas generieren können.
34 Die RNA-Interferenz spielt unter Beteiligung der zelleigenen mirna bei vielen mehrzelligen Lebewesen bei der Regulation der Genexpression eine wichtige Rolle. Die im menschlichen Organismus auf etwa 1000 geschätzten verschiedenen mirnas kontrollieren die Aktivität von etwa 30 % der menschlichen Gene. RNA-induced silencing complex (RISC) RNAi aktiviert einen Prozess, der zum Abbau von spezifischer mrna führt
35 Das Experiment mit der Agouti Maus die Agouti Maus hat ein krankmachendens Agouti Gen auf einem Allel
36 Die Agouti Maus hat im Vergleich zur Normalmaus ein gelbes Fell, ein höheres Körpergewicht die Neigung zu Diabetes und eine erhöhte Krebsanfälligkeit
37 Es gibt eine Reihe von zur Fellfarbe bei Mäusen beitragenden Genen und eines davon heißt Agouti. Es gibt zahlreiche Versionen des Agouti-Gens, die zu verschiedenen Fellfarben führen, indem sie die Menge und Art der Pigmentmoleküle im Fell beeinflussen. Die interessanteste Agouti-Variante zumindest für Epigenetiker ist als 'agouti viable yellow', oder abgekürzt Avy bekannt.
38 Wenn Avy keine Methylierung aufweist, dann ist es in allen Zellen aktiv und die Maus ist gelblich. Es ist wahrscheinlicher für diese gelblichen Mäuse, unter Gesundheitsbeeinträchtigungen zu leiden, wie Fettleibigkeit, Diabetes und Krebs. Aber wenn Avy stark methyliert ist, schaltet es sich im gesamten Körper aus. Das bedeutet, dass die Maus eine rußig-braune Farbe und keine gesundheitlichen Probleme hat, obwohl sie über das exakt gleiche Agouti-Gen wie die gelbliche Maus verfügt.
39 Zwischen diesen beiden Extremen kann Avy zu unterschiedlichem Grad methyliert sein und dies steuert das Aktivitätsniveau des Gens. Das Ergebnis ist eine wunderschöne Bandbreite an gescheckten Mäusen, bei denen die Avy-Aktivität von Zelle zu Zelle variiert. Genetisch identische Mäuse eines Wurfs rangieren in der Fellfarbe von einem zum anderen Ende dieses Spektrums, abhängig von den in der Gebärmutter festgelegten epigenetischen Variationen.
40 Agouti gen wird methyliert - Folge: das agouti gen ist stillgelegt (gene silenced) Agouti gen nicht methyliert - Folge: das agouti gen ist aktiv (produziert mrna)
41 Jirtle und Waterman setzen in ihrer Studie Mäuseweibchen zwei Wochen vor der Paarung und während der Schwangerschaft auf Diät. Sie bekommen vor allem Vitamin B12, Folsäure und Cholin Betain einen Alkohol und ein Acetyl enthaltendes Nahrungsergänzungsmittel
42 Normalerweise sind auch die Nachkommen der Agouti-Mäuse aufgrund des Agouti-Gens dick und neigen zu Krankheiten. Doch bei der Mehrheit der Mäusekinder aus dem Experiment ist das anders. Sie sind klein, schlank und braun, und besitzen weder eine Veranlagung für Krebs noch für Diabetes. Fazit der Forscher: So erstaunlich es ist, offenbar hat die Ernährung der Mutter einen Einfluss auf das Erscheinungsbild der Nachkommen.
43 Agouti viable yellow - AVY Das veränderte krankmachende Agouti Gen kann während einer Schwangerschaft durch besondere Anregung des C1 Stoffwechsels übermäßig methyliert werden (und damit inaktiviert). Bei Mäusen bei denen ein Allel des Agoutigens krankmachend und das andere fast normal ist wird durch diese Methylierung dessen Aktivität blockiert und die Tochtermäuse sind wieder normal pigmentiert und haben weniger Diabetes und Krebs.
44 Damit konnte gezeigt werden, dass es gelingt, während der Schwangerschaft durch eine besondere Ernährung einen wesentlichen Einfluss auf die Nachkommen zu nehmen, also den genetischen Bauplan zu modifizieren.
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46 Praktische Auswirkungen Im grünen Tee ist eine Substanz die zu den Polyphenolen gehört Epigallocatechin-3-gallat macht die Methylierung rückgängig, stillgelegte Gene (silenced TSG) werden wieder reaktiviert ähnlich wirkt das Genistein aus der Sojabohne
47 Genistein aus Sojabohne Demethylierung Hinweise, dass Genistein, ebenso wie ein anderes Isoflavon (Daidzein), die Transkription des Enzyms Catechol-O-Methyltransferase (COMT) herunterfährt, die zb normalerweise Estradiol abbaut
48 Kurkuma - Curcumin Auch Kurkuma kann das Epigenom verändern. Das knallgelbe Gewürz wird aus der getrockneten Wurzel der indischen Pflanze gewonnen beeinfusst die Methylierung der Histone krebshemmende, antioxidative und entzündungshemmende Wirkungen
49 400 g Brokkoli pro Woche hat laut Studie (Norwich Research Park) am Prostatagewebe eine veränderte Genaktivität gezeigt die sich bremsend auf Tumore und Entzündungen auswirkt.
50 Pilotstudie mit Brokkolisprossen
51 Epigenetik: Rauchen verändert die Gene Als Tumorsupressorgene werden Gene bezeichnet, deren Produkte die unkontrollierte Teilung genomisch geschädigter Zellen unterdrücken, und dadurch die Entstehung von Tumoren verhindern können.
52 Epigenetik: Rauchen verändert die Gene Zigarettenrauch führt zu epigenetischen Veränderungen, welche die Entstehung von Krebs fördern Die epigenetischen Veränderungen finden sich am Tumorsuppressor-Gen p16
53 Epigenetik: Rauchen verändert die Gene Wie die Wissenschaftler feststellten, kam es bei den Teilnehmerinnen, die während einer Studie das Rauchen begonnen hatten, dreimal häufiger zu einer Methylierung von p16 als bei ihren nichtrauchenden. Mehrere Studien haben nachgewiesen, dass die Methylierung von p16 die Entwicklung verschiedener Krebsarten fördert.
54 Der CDK-Inhibitor 2A (Abkürzung von cyclin dependent kinase inhibitor 2A, auch p16) ist ein Protein in Säugetieren, das durch seine starke Bindung an die Enzyme CDK4 und CDK6 den Zellzyklus reguliert. Insbesondere die dann fehlende Hemmung der Proteinkinase CDK4 führt dazu, dass der Zellzyklus nicht mehr in der G1-Phase aufgehalten werden kann: die Zelle wird zum Tumor Rauchen führt zur DNA-Methylierung des CDKN2A-Gens
55 Zusammenfassung Epigenom und Genom bestimmen gemeinsam das Schicksal einer Zelle Die DNA enthält die Texte während die epigenetischen Strukturen die Bibliothekare, Ordner und Register sind, die die Information verwalten und sortieren
56 Zusammenfassung
57 Zusammenfassung Epigenetische Mechanismen regeln die lokale Zugänglichkeit von Abschnitten des Chromatins für eine transkriptionelle Regulation. Gestörte Epigenetik führt zu verschiedenen Erkrankungen inkl. Tumoren.
58 Zusammenfassung unsere Ernährung (oder auch das Rauchen) nimmt ganz erheblich Einfluss auf die Mechanismen der Epigenetik also auf die Methylierung der DNA die Acetylierung, Methylierung der Histone und hat auch Einfuss über die mikro RNAs die einen weiteren wesentlichen Steuerungsmechanismus darstellen
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60 Danke für Eure Aufmerksamkeit
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