Von Königinnen und dicken Mäusen Beispiele zur Epigenetik. Wolfgang Nellen, Abt. Genetik, Univ. Kassel

Transkript

1 Von Königinnen und dicken Mäusen Beispiele zur Epigenetik

2 Carl Correns

3 Erbsen sind nicht alles..... und nachdem Gregor Mendel Abt geworden war, hatte er auch keine Zeit (und Lust?) mehr zum Erbsenzählen...

4 Gekoppelte Merkmale werden nicht unabhängig vererbt. (Das sind die schrecklichen Rechenoperationen, mit denen man die Abstände von Genen in Centimorgan bestimmen kann) X-chromosomal codierte Merkmale wie Hämophilie kommen in Männern zur Ausprägung, Frauen sind (gesunde) Überträgerinnen.

5 Rot-Grün-Blindheit Ist die Mutter rot-grün-blind, sind alle Söhne rot-grün-blind. Ist der Vater rot-grün-blind, ist keines der Kinder betroffen.

6 Diese Abweichungen von Mendels Regeln sind heute weitgehend verstanden. Sie widersprechen nicht dem Grundprinzip seiner Entdeckung. Es gibt jedoch Seltsamkeiten, die gar nicht in die Regeln passen. Man bezeichnet sie als epigenetische Regulation Mutation vom Vater: Prader-Willi Syndrom Mutation von der Mutter: Angelman Syndrom Medical Genetics, 2nd ed., Jorde LB, et al, 2000 Solche Orte auf der DNA werden als geprägt (imprinted) bezeichnet.

7 Frauen (bei Katzen, Menschen und anderen Säugern) sind Mosaike: in manchen Zellen ist das eine, in manchen das andere X- Chromosom aktiv. Wie passiert das?

8 Manchmal werden Gene einfach abgeschaltet sie sind da, aber nicht aktiv. DFR Gen eingefügt DFR Gen abgeschaltet! Wie passiert das?

9 Fliegenauge Petunie Manchmal werden Gene in einem Organismus zufällig ein- oder ausgeschaltet. Warum sind einige Zellen weiß und andere rot? Alle haben die selben Gene! Wie passiert das?

10 Manchmal hat die Ernährung Auswirkung auf die Funktion von Genen. R. Jirtle, Gelbe dicke Mäuse sind genetisch identisch mit den dünnen braunen Mäusen. Nur die Mütter wurden anders gefüttert! Wie passiert das?

11 Königin Arbeiterin Bienen: die große, fruchtbare Königin unterscheidet sich von den kleinen, unfruchtbaren Arbeiterinnen nicht genetisch, sondern nur durch die Ernährung. Wie passiert das?

12 Was haben alle diese Seltsamkeiten der Vererbung und der Modifikation der Erbinformationen gemeinsam?

13 Die genetische Information unterscheidet sich nicht, es muss folglich eine Regulation über der DNA Sequenz geben, die sagt, ob ein Gen aktiv ist oder nicht.

14 Ein genauerer Blick auf die Chromosomen zeigt dann, dass tatsächlich nicht alles gleich ist: DNA Euchromatin Heterochromatin Im Chromatin, der verpackten DNA, kann man mit verschiedenen Färbungen unterschiedliche Bereiche erkennen. z.b. ist das inaktive X-Chromosom kompakt und mit anderen Proteinen beladen, als das aktive X-Chromosom. Auch Centromere sind heterochromatisch.

15 N-terminale Schwänze der Histone Wie sieht die Verpackung genauer aus? DNA Structure Histone Histone und DNA bilden das Nukleosom

16 Durch Anheften eines Acetylrests an die Histonenden inaktiv O H 3 C C wird das Chromatin aufgelockert und aktiv... H H C H eine Methylierung führt dagegen (meist) zu Kompaktierung und Inaktivierung von Genen. aktiv

17 Der Histon-Code verändert die Expression von Genen. Ein normales, gesundes Gen kann durch nachträgliche Veränderungen an den Histonen abgeschaltet (oder wieder eingeschaltet) werden. Allerdings wird es noch etwas komplizierter...

18 ... denn außerdem passiert direkt an der DNA auch noch etwas... NH 2 H 3 C NH 2 N N N O Methylierung durch DNA- Methyltransferasen (Dnmt s) N O Ribose Ribose Cytidin 5-methyl-Cytidin 5-methyl-Cytidin wird auch als die 5. Base der DNA bezeichnet.

19 An die methylierte DNA binden Proteine, die einen ganzen Maschinenpark heranholen, der das Chromatin modifizieren kann.... und damit ist ein Cromosomenabschnitt verpackt und inaktiv. Epigenetische Änderungen an DNA und Chromatin können Gene regulieren.

20 Heterochromatin, d.h. die Modifikation von DNA und Histonen hat noch eine Eigenschaft: es breitet sich aus, wenn keine Grenzen vorgegeben sind. Heterochromatin Gen für rote Augen So erklärt sich das gesprenkelte Fliegenauge: das Gen für die rote Augenfarbe ist da, aber es ist in die Nähe von Heterochromatin geraten. Dadurch wird es mehr oder weniger stark infiziert und durch Heterochromatinbildung abgeschaltet. Die Augenzellen werden weiß.

21 Warum wurde die lachsrote Petunie wieder weiß? Das Gen für den roten Farbstoff war von außen als Transgen eingeführt worden. Je nachdem wo es im Genom sitzt und wie stark es transkribiert wird, aktiviert es Dnmts, methyliert seine DNA und schaltet sich selbst ab. Das kann auch passieren, wenn ein normales Gen durch Mutation falsch reguliert ist: es schaltet sich selbst ab. Wenn Viren sich in das Genom einer Zelle setzen, können sie auf die selbe Art abgeschaltet werden. Ein sehr nützlicher Schutzmechanismus!

22 Die Kinder mit Prader-Willi und Angelman Syndrom sind auch epigenetisch zu erklären. Die Genome von Vater und Mutter werden von den Kindern nicht gleich genutzt. Bei etwa 150 Genen wird nur die Kopie vom Vater oder die von der Mutter verwendet (PEGs oder MEGs). Die Gene erinnern sich, von welchem Elternteil sie stammen, weil sie in der Eizelle oder im Spermium geprägt Methyliert wurden. Ist ein geprägtes Gen mutiert, so hat das ganz verschiedene Effekte, je nachdem ob es ein MEG oder ein PEG ist.

23 Was unterscheidet die Königin von der Arbeiterbiene? Die genaue Zusammensetzung und Wirkung des Gelee Royal, der die Königin ausmacht, ist auch heute noch nicht bekannt. Man weiß aber, dass der Unterschied epigenetisch ist. Arbeiterinnen inaktivieren Gene, die sie zur Königin machen könnten durch Methylierung der DNA. Wird die DNA Methylierung verhindert, werden sie zu Königinnen, auch wenn sie kein Gelee Royal bekommen. Vermutlich unterdrückt die königliche Nahrung die Aktivität der Dnmt und erlaubt damit, dass königliche Gene abgelesen werden.

24 Auch bei den Mäusen spielte die Ernährung eine Rolle. Die Agouti-Genmutante macht Mäuse dick, gelb und anfällig für Krebs und Diabetes. In der Nähe von Agouti sitzt ein heterochromatischer Bereich, der sich ausbreiten kann, Agouti aber kaum erreicht. R. Jirtle, Heterochromatin Agouti-Gen (macht dick, hell und Krebs) viel Folsäure viel DNA Methylierung Ausbreitung von Heterochromatin Stilllegung von Agouti Erhalten die Mäusemütter viel Folsäure und Vitamin B12, so wird mehr DNA methyliert. Das Heterochromatin breitet sich weiter aus. Das Agouti Gen wird zunehmend still gelegt. Die Nachkommen sind eher dunkel, schlank und krebsfrei.

25 Das ist ein künstliches Forschungssystem! Das Agouti-Gen wurde gezielt neben Heterochromatin gesetzt! Viel Folat für eine Menschenmutter bedeutet nicht, dass sie schlanke, dunkelhaarige Kinder bekommt!

26 Tumorzellen werden epigenetisch umprogrammiert. Wenn eine Zelle zur Krebszelle mutiert, ändert sie mit der Zeit auch ihre epigenetische Programmierung. Wachstumsgene werden aus dem epigenetischen Schlaf geweckt, Tumorsuppressoren und Differenzierungsgene werden epigenetisch eingeschläfert. differenzierte Zelle keine Teilung Tumorzelle dedifferenziert schnelle Teilung

27 Josef Dvořák nicht zuletzt... Konstitutives Heterochromatin mutiert und evolviert schnell und meist ohne negative Konsequenzen, weil es stillgelegt ist. In der Meiose müssen homologe Chromosomen aber paaren. Populationen, die sich im Heterochromatin stark unterscheiden, können sich nicht mehr durchmischen. Chironomus piger und thummi unterscheiden sich um einen Faktor 10 in ihrem DNA Gehalt. Sie sehen sehr ähnlich aus sind aber nicht kreuzbar. Epigenetisch still gelegtes Heterochromatin kann so eine genetische Barriere bilden und zur Artbildung beitragen.

28 Epigenetische Regulation ist schneller als die Veränderung der DNA. Sie wird vererbt, ist aber meist weniger stabil als die genetische Information. (die dünnen, braunen Mäuse haben wieder dicke, gelbe Kinder) Epigenetik hat Einfluss auf die Gene. Die Gene haben aber auch Einfluss auf die Epigenetik.

29 Zur Epigenetik gibt es mehr Fragen als Antworten: Ein Organismus hat ein Genom, seine Zellen aber unterschiedliche Epigenome wie sehen die aus? Wie finden die epigenetischen Modifikationsmaschinen ihre Ziele? (z.b. bei geprägten Genen in der männlichen und weiblichen Keimbahn) Was führt zur Umprogrammierung bei Umwelteinflüssen (z.b. Nahrung) oder in Tumorzellen? Wie wird eine Prägung wieder gelöscht? Welche Proteine sind noch an der Epigenetik beteiligt und koppeln sie an Entwicklung, Differenzierung, Umwelt und Ernährung?

30 Die Antworten sind wichtig für das allgemeine Verständnis der Natur, für die Lösung medizinischer Probleme, für die Anwendung der Gentechnik für Verständnis von Biodiversität und Artenbildung und vieles andere. Diese Antworten kann nur die Forschung liefern.

31 Die Begeisterung für Wissenschaft beginnt in der Schule. Wir unterstützen Sie dabei, den Unterricht interessant zu gestalten. e.v. bietet Ihnen Schulexperimente und ein Informationsforum unter ( und vieles mehr.

32 Methodenexkurs: Was tut man in der Epigenetikforschung?

33 Knock-outs In den meisten Modellorganismen kann man durch homologe Rekombination Gene unterbrechen. Wenn die Mutanten lebensfähig sind, wird der Phänotyp untersucht. Wenn bestimmte Funktionen gestört sind, kann man sie direkt oder indirekt dem zerstörten Gen zuordnen. M. Freichel, Uni Saarland

34 In manchen Fällen bereitet man Mutanten mit spezifischen Reportergenen vor und untersucht daran den Effekt weiterer Mutationen. So werden beispielsweise PEV Mutanten benutzt, um Gene zu finden, die einen Einfluss auf die Ausbreitung von Heterochromatin haben. Sass & Henikoff, Genetics, 148, , 1998

35 Immunfluoreszenz Mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern können Modifikationen in den Histonen sichtbar gemacht werden.

36 GFP markierte Proteine Man kann GFP-markierte Chromatinproteine-Gene in Zellen einbringen und die Proteine in lebenden Zellen sichtbar machen. Verwendet man zusätzlich Antikörper, kann die relative Position von mehreren Proteinen oder Proteinmodifikationen bestimmt werden.

37 ChIP-seq Bei der Chromatin-Immunpräzipitation werden alle DNA Stücke, die mit einem bestimmten Protein oder einer Proteinmodifikation bedeckt sind, isoliert. DNA Sequenzierung

38 Aus einem Deep Sequencing Experiment erhält man 5 bis 20 Mio Reads, das sind die Sequenzen von DNA Stücken von ca. 20 bis 100 Basenpaaren. Mit bioinformatischen Methoden findet man diese Sequenzen im Genom und kann dann sagen, dass diese Sequenz mit einem bestimmten Protein bedeckt war.

39 DNA Methylierung Durch die Bisulfit Behandlung werden alle Cytosine in Uracile convertiert. Nur methylierte Cytosine bleiben als solche erhalten.

40 Unterrichts-Kits von und 1. Gerätekit Pipette (2 Mikroliterpipetten mit Zubehör, 166,50 bis 139,50 ) 2. Gerätekit Elektrophorese (2 Elektrophoresekammern mit Stromversorgung und Zubehör ca. 199, in Vorbereitung) 3. Experimentierkit Proteinbestimmung und Laktaseassay (alle Reagenzien und Verbrauchsmaterialien für 24 Schüler 45 bis 49 ) 4. Experimentierkit Restriktionsverdau (alle Reagenzien und Verbrauchsmaterialien für 24 Schüler ca. 100, in Vorbereitung) mit Unterstützung des Hessischen Kultusministeriums

41 Gerätekit Pipette 2 Mikroliterpipetten 2 Pipettenständer 2 Eppendorfständer 2 Spitzenkästen 1 Tüte Eppendorfgefäße 4 Schutzbrillen 2 Filzstifte für 2 Gruppen = 4 Schüler 166,50 /159,50 * bei Abnahme von 6 Kits (24 Schüler): 146,50 /139,50 * * für Science Bridge Mitglieder Pipetten sind für die meisten molekularbiologischen und biochemischen Experimente erforderlich. Für die Science Bridge Experimentier- Kits werden Mikroliterpipetten benötigt.

42 Gerätekit Elektrophorese 2 Elektrophoresekammern 2 Stromversorgungskabel (mit Trafo) 1 Tüte Eppendorfgefäße 1 Tüte gelbe Spitzen 5g Agarose Elektrophoresepuffer DNA Proben Marker Färbelösung für 2 Gruppen = 4 Schüler ca 199,50 /189,50 * (in Vorbereitung) * für Science Bridge Mitglieder Agarosegelelektrophorese gehört zu den wesentlichen Methoden der Molekularbiologie. Sie ist Voraussetzung für das Experiment Restriktionsverdau und kann auch zur Überprüfung selbst isolierter DNA z.b. aus Tomate verwendet werden.

43 Experimentierkit Proteinbestimmung und Laktaseassay Laktase Peptone Milchpulver Glukoseteststreifen Whatman-Streifen Coomassie Färbelösung 1 Tüte Eppendorfgefäße 1 Tüte gelbe Spitzen Einmalhandschuhe Eppendorfständer Falconständer ausführliches Skript für 24 Schüler 49 /45 * * für Science Bridge Mitglieder Im Experiment werden 5 Lösungen auf Proteingehalt und Laktaseaktivität untersucht. Versuchsauswertung und Interpretation der Ergebnisse werden geübt. Das Experiment kann in einer Doppelstunde durchgeführt werden. Mögliche Themen: rekombinante Proteine, Laktoseintoleranz, Enzymaktivität, Krankheiten du Mutationen.

44 Experimentierkit Restriktionsverdau Plasmid-DNA Restriktionsenzyme Restriktionspuffer DNA Marker Agarose 1 Tüte Eppendorfgefäße 1 Tüte gelbe Spitzen Einmalhandschuhe ausführliches Skript für 24 Schüler ca. 85 /80 * (in Vorbereitung) * für Science Bridge Mitglieder Das Schneiden von DNA mit Restriktionsenzymen gehört zu den Grundtechniken der Molekularbiologie. Das Kit bietet nicht nur das experimentelle Verfahren sondern auch die Auswertung der Ergebnisse im Kontext einer Restriktionskarte. Für das Experiment sollten zwei Doppelstunden angesetzt werden.

45 e.v. in Zusammenarbeit mit dem Entwicklung der Kits mit Unterstützung des Hessischen Kultusministeriums