Plan wykładu:
1. Charakterystyka heterochromatyny
2. Wyciszanie transpozonów
3. Przebudowa chromatyny – rola białek Polycomb
4. Funkcje białek PcG w rozwoju zwierząt i roślin
5. Struktura oraz mechanizm działania kompleksów Polycomb (PcG)
6. Antagonizm PcG-Trx
2
Euchrochromatin Heterochromatin
The chromatin Yin / Yang
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 3
Where on the chromosomes are condensed and
open chromatin located?
Condensed chromatin Open chromatin
Constitutive
Heterochromatin
Telomeres
Centromeres
Condensed
chromatin is also
found at several
silent genes
located in the
chromosomal
arms
Typical of the
active gene loci
along the
chromosomal
arms
Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of
chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 4
Guillaume J. Filion , Joke G. van Bemmel , Ulrich Braunschweig , Wendy Talhout , Jop Kind , Lucas D. Ward , Wim B...//
Cell Volume 143, Issue 2 2010 212 - 224
Podstawowe Typy Chromatyny
5
Wyciszanie transpozonów
• Modyfikacje epigenetyczne prawdopodobnie powstały aby wyciszać obce elementy genetyczne
• Mutacje uszkadzające mechanizmy wyciszania epigenetycznego powodują uwolnienie transpozonów
Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencin keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.
7 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Przykład efektu epigenetycznego u roślin
8
http://www.hummingbirdhigh.com/2013/10/the-pumpkin-patch-at-sauvie-island.html
Transpozony są aktywnie wyciszane
Maintaining transposon silencing is
an active, dynamic process that
requires ongoing siRNA production
and epigenetic vigilance.
9 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Powstawanie heterochromatyny u Arabidopsis
Stephane E. Castel and Robert A. Martienssen. Nature Rev Genet
10
Aktywacja transpozonów powoduje mutacje
Wild-type
After one
generation
After three
generations
After five
generations
Kakutani, T., Jeddeloh, J.A., Flowers, S.K., Munakata, K., and Richards, E.J. (1996) Developmental abnormalities and epimutations
associated with DNA hypomethylation mutations. PNAS 93: 12406-12411. Copyright (1996) National Academy of Sciences, U.S.A.
11 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Where on the chromosomes are condensed and
open chromatin located?
Condensed chromatin Open chromatin
Constitutive
Heterochromatin
Telomeres
Centromeres
Condensed
chromatin is also
found at several
silent genes
located in the
chromosomal
arms
Typical of the
active gene loci
along the
chromosomal
arms
Polycomb group and trithorax group genes are important regulators of
chromatin along the chromosomal arms Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 13
1. modyfikacje DNA – metylacja DNA
2. modyfikacje potranslacyjne histonów – np. acetylacja
3. wyspecjalizowane warianty histonów
4. ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny
5. Przebudowa chromatyny zależna od białek Polycomb – wyciszanie epigenetyczne genów
W jaki sposób zmiany struktur chromatyny są uzyskiwane?
14
Odkrycie białek Polycomb - historia
Pierwsza praca: 1949r – P. Lewis
1978 Ed Lewis's founding Polycomb paper identifying a role for the Pc gene in the
regulation of homeotic genes
1988 Antagonism between Polycomb and trithorax genes
1997 Analysis of PcG proteins in plants PcG proteins and epigenetic regulation of gene
expression by "cosuppression"
1999 Purification of the PRC1 complex Role of PcG in cell proliferation
2002 Characterization of the E(z)-Esc / PRC2 complex - Histone methyltransferase
activity trxG proteins and histone methylation
2010 Various links between PcG proteins and noncoding RNAs, in particular, SUZ12 was shown
to be an RNA-binding protein.
15
Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w
trakcie rozwoju – antagonizm PcG-Trx
17
PcG, trxG, and maintenance of gene expression
Early development Establishment of patterns
Maternal, Gap, Pair-rule, Segment polarity ON OFF
Ubx
Polycomb-Group trithorax-Group Maintenance phase Transmission of
pattern after
disappearance of early
factors ON OFF
ON OFF
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 18
PSC Ph
Pc RING
PRC1
E(z)
Su(z)12
Esc
PRC2
Kompleksy Polycomb - Drosophila
Nurf55
ESC SU(Z)12 E(Z) NURF55
Extra sex comb (ESC)
Drosophila
PRC2 has a
conserved core
of four proteins
Enhancer of zeste (E(Z))
Suppressor of zeste 12 (SU(Z)12)
NURF55 20
The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Zróżnicowanie kompleksów PcG - ssaki
PRC2 PRC1
22
Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011
E(Z) (methylase)
SU(Z)12 ESC NURF55
Drosophila PRC2
Arabidopsis PRC2
CURLY LEAF (CLF) MEDEA (MEA) SWINGER (SWN)
FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED 2 (FIS2) EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2) VERNALIZATION 2 (VRN2)
FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE)
MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1 (MSI1,2,3,4,5)
Zróżnicowanie kompleksów PcG - rośliny
23 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Plants make multiple PRC2 complexes with different targets
MEA + FIS2 complex
CLF/SWN + VRN2 complex
CLF/SWN + EMF2 complex
Seed development
Transition to flowering
Floral organogenesis
24 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
PSC Ph
Pc RING
PRC1
E(z)
Su(z)12
Esc
PRC2
E(z) – zawiera domenę SET i ma aktywność metylotransferazy HKMT – specyficznie metyluje K27 histonu H3 Pc posiada chromodomenę, dzięki temu wiąże się do metylowanego histonu H3 w lizynie 27
Kompleksy Polycomb – mechanizm działania
Nurf55
25
Structure of HP1 Chromodomain Bound to a Lysine 9-Methylated Histone H3 Tail Steven A. Jacobs and Sepideh Khorasanizadeh Science 295: 2080-2083
Chromodomena – umożliwia wiązanie białek
do metylowanej lizyny
26
In animals, H3K27me3 silencing is maintained by PRC1
H3K27me3
Active genes Silenced genes Stably silenced genes
Polycomb Repressive Complex 2
Polycomb Repressive Complex 1 H3K27me3
27 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
In plants, PRC1-like functions similarly
H3K27me3 H3K27me3
Active genes Silenced genes Stably silenced genes
Polycomb Repressive Complex 2
PRC1-like
LHP1
LHP1 binds
specifically to
H3K27me3
28 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Sonicate and purify
chromatin
(average size = 1 kb)
Add antibody and purify antibody-
chromatin complexes on Protein A
Sepharose, purify DNA and amplify by
Linker-mediated PCR
Cross-link cells or embryos with
formaldehyde to induce protein-DNA
crosslinks
Use amplified DNA as probe to
hybridize DNA chips containing the
genome. Extract the distribution
profile of the proteins of interest ChIP on chip
Miejsca wiązania PcG w genomie - Drosophila
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 29
Profile genomowe PRC2 i H3K27me3 pokrywają się
PH
PC
H3K27me3
Giacomo CAVALLI. Montpellier, December 2006 30
Kompleksy Polycomb – mechanizm działania
Luciano Di Croce & Kristian Helin
Nature Structural & Molecular Biology 20, 1147–1155 (2013)
32
Rekrutacja kompleksów PcG do docelowych
miejsc w genomie
Jurg Muller and Peter Verrijzer, Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158
Raphaël Margueron & Danny Reinberg. Nature Vol 469, 2011
Dodatkowy kompleks rekrutujący - PhoRC
33
Syuzo Kaneko , Roberto Bonasio , Ricardo Saldaña-Meyer , Takahaki Yoshida , Jinsook Son , Koichiro Nishino , Akihi...
Interactions between JARID2 and Noncoding RNAs Regulate PRC2 Recruitment to Chromatin
http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2013.11.012
Rekrutacja kompleksów PcG – rola ncRNA
36
Działanie PcG u roślin: kontrola czasu kwitnienia
Some plants require a prolonged cold
period (vernalization) - as experienced
during winter, before they will flower.
Vegetative
Development
Reproductive
Development
Prolonged cold
treatment
Winter Spring Autumn
37 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Epigenetyczna regulacja genu FLC
H2A.Z incorporation
H3K4me, H3K36me
H3K9Ac, H3K14Ac
H3K9me2, H3K27me2
FLC gene transcribed FLC gene silenced
cold
Winter Spring Autumn
38 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Działanie PcG - Arabidopsis
P V U
NV = no vernalization VT0 = 40 days at 4° VT7 = 40 days at 4° followed by 7 days at 22°
- - +
Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated
by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164.
Działanie PcG - Arabidopsis
39 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Epigenetyczna regulacja genu FLC
PRC2
(including
VIN3) FLC gene transcribed FLC gene silenced
VIN3
Winter Spring Autumn
40 The Plant Cell, Teaching Tools in Plant Biology
Działanie PcG - Arabidopsis
Epigenetyczna regulacja genu FLC
Dwie podstawowe klasy białek TrxG
Trx
Ash1
Metylotransferazy histonowe Zawierają domenę SET Specyficznie metylują K4 histonu H3
Brm
Osa
Mor
Czynniki współtworzące kompleksy remodelujące chromatynę Odpowiedniki drożdżowego kompleksu SWI/SNF Brm katalityczna podjednostka kopleksu, ortolog SNF
Obie klasy białek Trx pełnią rolę w utrzymaniu aktywności genów, ale także znana jest ich funkcja w aktywacji transkrypcyjnej.
43
Antagonistyczne funkcje białek Polycomb i Thritorax
Represja
Aktywacja
44 Current Opinion in Genetics & Development 2009, 19:150–158
Nature Reviews Cancer. 9, 773-784
Rola PcG w procesach nowotworzenia
Nieprawidlowe działanie PcG może prowadzić do powstania komórek
nowotworowych
45
Pytania i nowe odkrycia
Na czym dokładnie polega działanie kompleksu
PRC1?
Jak przebiega rekrutacja kompleksów PcG?
Czy skład kompleksów PcG warunkuje zmiany
rozwojowe czy jest ich efektem?
W jaki sposób dochodzi do zmian równowagi
pomiędzy działaniem Trx i PcG ? Czy zawsze jest
to antagonizm?
46