Epigenetik. J. Breckow

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1 Felder der strahlenbiologischen Forschung : Klassische Strahlenbiologie : Dosis-Wirkungsbeziehungen für zelluläre Effekte (z.b. Überlebenskurven, Proliferationsfähigkeit, RBW, ) (Klassische) Molekulare Strahlenbiologie : enetische Effekte, DN-Schäden, Reparatursysteme, z.b.: DN-nalysen, Mutationsmuster,... Mikrokerne, Mikrosatelliten, SNP's (Single Nucleotide Polymorphism),... "Klassische" Methoden : PFE, PR, DN-Sonden, omet ssay,... SNP Mikrosatelliten z.b.: DN-nalysen, Mutationsmuster,... Mikrokerne, Mikrosatelliten, SNP's (Single Nucleotide Polymorphism),... "Klassische" Methoden : PFE, PR, DN-Sonden, omet ssay,... 1

2 z.b.: DN-nalysen, Mutationsmuster,... Mikrokerne, Mikrosatelliten, SNP's (Single Nucleotide Polymorphism),... "Klassische" Methoden : PFE, PR, DN-Sonden, omet ssay,... Doppelstrangbrüche (DSB) und Deletionen gelten als die für die Kanzerogenese relevantesten DN- Schäden. 2

3 P P γ-h2x Immun-Fluoreszenz- Mikroskopie (IFM) P Kontrolle Fluorochrom Phosphatgruppe am Histon Sekundärer ntikörper Primärer ntikörper Reparaturzeit DN- Doppelstrangbruch (DSB) mit freundlicher enehmigung von M. Löbrich, U Darmstadt Es besteht ein Zusammenhang zwischen γ-h2x-ifm und DN-Doppelstrangbrüchen (DSB) H2X PFE DSB gelten als die für die Kanzerogenese wichtigsten genetischen Schadensereignisse DSB können durch ionisierende Strahlung (siehe bb.) und durch UV--Strahlung induziert werden. aus: Rothkamm K, Löbrich M., PNS (2003) DSBs pro per Zelle cell ,1 0,01 0,001 0,01 0, Dosis Dose [y] (y) 3

4 Renaissance der hromosomen-nalytik Dizentrische ranslokationen Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung (FISH) und Spectral Karyotyping (SKY) Krebs als "chromosomale Krankheit" gesunde Zelle : Brustkrebszelle : Spektrum der Wissenschaft 10/07 4

5 Felder der strahlenbiologischen Forschung : Klassische Strahlenbiologie : Dosis-Wirkungsbeziehungen für zelluläre Effekte (z.b. Überlebenskurven, RBW, Proliferationsfähigkeit, ) (Klassische) Molekulare Strahlenbiologie : enetische Effekte, DN-Schäden, Reparatursysteme, Microbeam-Experimente, Mikro-/Nanodosimetrie : Räumliche und zeitliche Schadensmuster, Korrelation verschiedener Effekte : Regelung von ranskription, ranslation, en-expression durch nicht-genetische Mechanismen : beschäftigt sich mit den molekularbiologischen Informationen, die Zellen speichern und bei der Zellteilung an ihre ochterzellen weitergeben, die aber nicht im Erbgut enthalten sind und nicht an nachfolgende Individuen (Kinder) vererbt werden. Epigenetische Veränderungen, die sich im laufe des Lebens in den Zellen anhäufen, sind eine Ursache der lterskrankheiten, also auch von Krebs. Krebs ist eine epigenetische Krankheit Umwelteinflüsse können epigenetische Strukturen verändern 5

6 Epigenetische (extragenetische) Prozesse bei der umorgenese Einfluss auf ranslation durch nicht-kodierende RN (microrn, sirn) Phosphorylierung von Histonen (und anderer Proteine) Methylierung der DN (z.. reversibel) - Inaktivierung von umorsuppressor-enen - ktivierung von Onkogenen - enomische (epigenetische?) Instabilität hromatin-faltung und hromosomen-berrationen Kontrolle des eilungsverhaltens von Stammzellen und Krebsstammzellen Das Paradigma vom Krebs als monoklonaler Prozess wankt! Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung ktivierung einer andauernden ngiogenese Invasion und Metastasierung "bschaltung" der poptose Unabhängigkeit von Wachstumsstimulierenden Signalen Rezeptorexpression umorzelle Phänotyp nach: Hanahan u. Weinberg, 2000 Entkopplung von Wachtumsinhibierenden Signalen unbegrenztes replikatives Potenzial Proliferation Strahlung : z.b.doppelstrangbruch Proteom enotyp enaktivierung enexpression klassische enetik enom 6

7 Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung neuploidie, hromosomenbruchstücke veränderter hromatin- Faltungsmechanismus enomische Instabilität umorzelle Phänotyp Modifikation der Histon- Phosphorylierung Veränderung des DN- Methylierungsmusters nicht-kodierende RN Proteom DN-Methylierung hromatin-faltung enotyp enom enaktivierung enexpression Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung Die RN-Ebene microrn (ranslationsebene) : mrn umorzelle nicht-kodierende RN Die epigenetischen Ebenen der Regulation 7

8 Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung 3' 5' gesunde Zelle umorzelle S44 S44 minosäure hr Phe rg His Ser DN-bschnitt aus dem p53-en eines Kindes mit Schilddrüsenkarzinom aus Weißrussland. rotz Punktmutation keine Veränderung der Polypeptidstruktur! aber möglicherweise Veränderung des epigenetischen Musters Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung Die DN-Ebene (ranskription) : Die epigenetischen Ebenen der Regulation umorzelle Methylierungsmuster : O 2 N 3 3' 5' NH N H 5' Phosphor-Zucker-Strang 3' 4 5 Veränderung des DN- Methylierungsmusters Methyl Methyl Methyl- ruppe H 3 Methyl Methyl 5-Methyl- ytosin p- Dinukleotid 5' 3' 8

9 Strahleninduzierbare Schlüsselprozesse in der umorentwicklung veränderter hromatin- Faltungsmechanismus Modifikation der Histon- Phosphorylierung Die hromosomen- Ebene (ranskriptionsebene) umorzelle umorstammzelle Phosphorylierung Die epigenetischen Ebenen der Regulation "Offenes", "lockeres" hromatin : Zugänglichkeit für den ranskriptionsapparat Ein-/usschalten von enen 9