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12: Regulation der Transkription und epigenetischer Vererbung - Biologie

12: Regulation der Transkription und epigenetischer Vererbung - Biologie


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  • 12.1: Einführung
    Zellen regulieren ihren Stoffwechsel auf verschiedene Weise. Wir wissen bereits, dass allosterisch regulierte Enzyme die zellulären Metabolitenspiegel überwachen. Denken Sie daran, dass glykolytische Zwischenprodukte in Zellen basierend auf dem zellulären Energiebedarf steigen und fallen, indem sie an allosterische Stellen binden oder von diesen dissoziieren
  • 12.2: Genregulation bei Prokaryoten
    Viele prokaryontische Gene sind in Operons organisiert, verknüpfte Gene, die in eine einzelne mRNA transkribiert werden, die für zwei oder mehr Proteine ​​kodiert. Operons kodieren normalerweise Proteine ​​mit verwandten Funktionen. Die Regulierung der Aktivität eines Operons (anstelle mehrerer einzelner Gene, die einzelne Proteine ​​kodieren) ermöglicht eine bessere Koordination der Synthese mehrerer Proteine ​​gleichzeitig. In E. coli kodiert das regulierte lac-Operon drei Enzyme, die am Stoffwechsel von Laktose (einem alternativen Nährstoff zu Glukose) beteiligt sind.
  • 12.3: Das Problem mit unregulierten (Haushalts-)Genen in allen Zellen
    Bevor wir uns der Regulation der Genexpression in Eukaryoten zuwenden, betrachten wir für einen Moment die Expression konstitutiver Gene, die immer aktiv sind. Die Anforderung, dass einige Gene immer „an“ sind, wirft Fragen über die zellulären Prioritäten der Genexpression auf. Konstitutive Genprodukte sind Sätze vieler Polypeptide, die große makromolekulare Komplexe in Zellen bilden, oder Enzymsätze, die an lebenswichtigen biochemischen Stoffwechselwegen beteiligt sind.
  • 12.4: Genregulation bei Eukaryoten
    Die Ergebnisse dieses Experiments lieferten den Beweis, dass sogar sehr unterschiedliche Zellen eines Organismus die gleichen Gene enthalten. Tatsächlich enthält in jedem mehrzelligen eukaryotischen Organismus jede Zelle die gleiche DNA (Gene). Daher unterscheiden sich die verschiedenen Zelltypen in einem Organismus nicht darin, welche Gene sie enthalten, sondern welche Gensätze sie exprimieren! Anders betrachtet differenzieren sich Zellen, wenn sie neue Gene aktivieren und alte ausschalten.
  • 12.5: Epigenetik
    Aristoteles dachte, dass ein Embryo aus einer amorphen Masse hervorgeht, einem „weniger vollständig zusammengebrauten Samen mit einer nahrhaften Seele und allen Körperteilen“. Die viel spätere Entwicklung des Mikroskops führte zu detaillierteren (wenn auch ungenauen) Beschreibungen der Embryonalentwicklung. Im Jahr 1677 glaubte kein Geringerer als Anton von Leeuwenhoek, als er mit seinem Mikroskop ein menschliches Sperma betrachtete, einen Miniaturmenschen darin zu sehen! Der winzige Mensch oder Homunkulus wurde zum Inbegriff der Präformationstheorie.
  • 12.6: Schlüsselwörter und Begriffe

Epigenetik

Genomic Imprinting ist ein epigenetisches Phänomen, das dazu führt, dass Gene in einer Weise exprimiert werden, die für ihre Herkunftsfamilie spezifisch ist.

Erläuterung:

Die genomische Prägung ist eine Erbschaft aus mendelschen Grenzen. Viele Erbkrankheiten und die menschliche Entwicklung verstoßen gegen die Mendelschen Vererbungsgesetze. Diese Art der Vererbung wird in der Epigenetik untersucht. Die Epigenetik zeigt, dass die Genexpression komplexeren Veränderungen unterliegt als Modifikationen in der DNA-Sequenz. Es umfasst den Umwelteinfluss auf die Gameten vor der Empfängnis.

Die genetische Prägung ist ein Prozess, bei dem Gene durch DNA-Methylierung zum Schweigen gebracht werden. Das reprimierte Allel ist methyliert, während das aktive Allel unmethyliert bleibt. Genomic Imprinting tritt auf, wenn zwei Allele an einem Locus funktionell nicht äquivalent sind und wird als das primäre epigenetische Phänomen angesehen, das zur Manifestation des Parent-of-Origin-Effekts führen kann. Epigenetische Veränderungen können zu verschiedenen Zeiten im Leben durch Umweltfaktoren induziert werden.
Treten epigenetische Veränderungen in Spermien oder Eizellen auf, die zur Befruchtung führen, werden epigenetische Veränderungen an die Nachkommen vererbt.

Die Prägung ist ein dynamischer Prozess. Es muss möglich sein, Prägungen über jede Generation hinweg zu löschen und wiederherzustellen, damit Gene, die in einen Erwachsenen geprägt wurden, noch in den Nachkommen dieses Erwachsenen exprimiert werden können. Die Art der Prägung muss daher eher epigenetisch als von der DNA-Sequenz abhängig sein. Die genomische Prägung verwendet die normale epigenetische Maschinerie der Zelle, um die spezifische Expression der Eltern zu regulieren.

Es ist heute bekannt, dass es bei Mensch und Maus mindestens 80 geprägte Gene gibt, von denen viele am embryonalen und plazentaren Wachstum und der Entwicklung beteiligt sind. Formen der genetischen Prägung wurden in Pilzen, Pflanzen und Tieren nachgewiesen.

Antworten:

Epigenetik bezieht sich auf vererbbare Veränderungen unserer Genexpression, die unsere DNA nicht verändern.

Erläuterung:

Dies bedeutet, dass unser Phänotyp, was ausgedrückt wird, in irgendeiner Weise verändert wird, ohne unsere DNA aufgrund externer oder umweltbedingter Variablen zu verändern. Gene können unterschiedlich exprimiert oder stummgeschaltet oder gelesen werden, aber der zugrunde liegende DNA-Code bleibt gleich.

Diese epigenetischen Veränderungen können aufgrund von DNA-Methylierung, Histonmodifikation und RNA-assoziierter Stummschaltung auftreten.

DNA-Methylierung fügt der DNA eine Methylgruppe hinzu, die die Transkription verändert. Die Histonmodifikation funktioniert durch Hinzufügen einer Acetyl- oder Methylgruppe zu Lysin, das sich im Histon befindet. Nicht-kodierende RNAs, Antisense-RNA und RNA-Interferenz können auch die Expression verändern, indem sie eine Histonmodifikation, Methylierung und die Bildung von Heterochromatin verursachen. Alle diese im vorherigen Satz erwähnten Beispiele bringen Gene zum Schweigen.

Hier ist eine gute Seite der University of Utah und Nature hat auch eine ausgezeichnete Webseite zu diesem Thema.


O-GlcNAc und die epigenetische Regulation der Genexpression

O-GlcNAcylierung ist eine reichlich vorhandene nährstoffgetriebene Modifikation, die mit der zellulären Signalübertragung und der Regulation der Genexpression verbunden ist. Unter Verwendung von Vorläufern, die aus metabolischem Fluss stammen, fungiert O-GlcNAc als homöostatischer Regulator. Die Enzyme des O-GlcNAc-Cycling, OGT und O-GlcNAcase, wirken in Mitochondrien, im Zytoplasma und im Zellkern in Verbindung mit epigenetischen „Schreibern“ und „Radiergummis“ des Histon-Codes. Sowohl O-GlcNAc als auch O-Phosphat modifizieren Wiederholungen innerhalb der C-terminalen Domäne (CTD) der RNA-Polymerase II. Durch die Kommunikation mit den Histon- und CTD-Codes stellt der O-GlcNAc-Zyklus eine Verbindung zwischen dem zellulären Stoffwechselstatus und der epigenetischen Maschinerie her. Somit ist die O-GlcNAcylierung in der Lage, die transgenerationale epigenetische Vererbung zu beeinflussen.

Schlüsselwörter: Epigenetik Glykobiologie Histone O-GlcNAc O-GlcNAcylierung Polycomb RNA Polymerase II Signaltranskription.

© 2014 von The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.


Epigenetische Regulation der Adipogenese bei der Entwicklung des metabolischen Syndroms

Fettleibigkeit ist eines der größten Probleme der öffentlichen Gesundheit, das durch eine Zunahme der Fettgewebemasse als Folge von Adipozytenhypertrophie und -hyperplasie identifiziert wird. Angesichts der Bedeutung des Fettgewebes für verschiedene biologische Prozesse führt jede Änderung seiner Funktion zu einer Beeinträchtigung der Stoffwechselgesundheit. In diesem Review diskutieren wir, wie Fettgewebe durch die Sekretion verschiedener Adipokine und Entzündungsmediatoren die metabolische Gesundheit erhält und wie seine Dysfunktion zur Entwicklung schwerer Stoffwechselstörungen führt und das Fortschreiten von Krebs beeinflusst. Die Beeinträchtigung der Adipozytenfunktion tritt aufgrund der Genetik und/oder Umweltfaktoren des Individuums auf, die das epigenetische Profil stark beeinflussen, was zu einer veränderten Genexpression und dem Auftreten von Fettleibigkeit bei Erwachsenen führt. Darüber hinaus werden mehrere entscheidende Aspekte der Fettbiologie, einschließlich der Regulation verschiedener Transkriptionsfaktoren, durch epigenetische Ereignisse gesteuert. Daher ist das Verständnis der Feinheiten der Adipogenese von entscheidender Bedeutung, um ihre Bedeutung bei den zugrunde liegenden Krankheitszuständen zu erkennen und die therapeutischen Interventionen bei Fettleibigkeit und metabolischem Syndrom zu identifizieren.

Schlüsselwörter: Adipogenese Insulinresistenz metabolisches Syndrom Fettleibigkeit transgenerationale Vererbung.

Copyright © 2021 Hose, Firmal, Shah, Alam und Chattopadhyay.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.


Mitgliedschaften

Abteilung für Genomik und Epigenetik, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, New South Wales, Australien

Ksenia Skvortsova & Ozren Bogdanović

Abteilung für Chromatinregulation, Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik, Freiburg, Deutschland

St. Vincent’s Clinical School, University of New South Wales–Sydney, Sydney, New South Wales, Australien

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Beiträge

Alle Autoren trugen zur Recherche der Daten für den Artikel, zur inhaltlichen Diskussion und zum Schreiben und Redigieren des Manuskripts bei.

Korrespondierende Autoren


Epigenetische Mechanismen in normalen Zellen

Chromatin besteht aus sich wiederholenden Einheiten von Nukleosomen, die aus � DNA-Basenpaaren bestehen, die um ein Oktamer von vier Histon-Kernproteinen (H3, H4, H2A und H2B) gewickelt sind (9). Epigenetische Mechanismen, die die Chromatinstruktur verändern, können in vier Hauptkategorien eingeteilt werden: DNA-Methylierung, kovalente Histon-Modifikationen, nicht-kovalente Mechanismen wie Einbau von Histon-Varianten und Nukleosom-Remodeling und nicht-kodierende RNAs einschließlich microRNAs (miRNAs). Diese Modifikationen wirken zusammen, um die Funktion des Genoms zu regulieren, indem sie die lokale Strukturdynamik des Chromatins verändern und hauptsächlich seine Zugänglichkeit und Kompaktheit regulieren. Das Zusammenspiel dieser Modifikationen schafft eine 𠆎pigenetische Landschaft’, die reguliert, wie sich das Genom von Säugetieren in verschiedenen Zelltypen, Entwicklungsstadien und Krankheitszuständen, einschließlich Krebs, manifestiert (4,10�). Die unterschiedlichen Muster dieser Modifikationen, die in verschiedenen Zellzuständen vorhanden sind, dienen als Wächter der Zellidentität (Tabelle I). Hier werden wir die wichtigen Aspekte der epigenetischen Schlüsselmechanismen diskutieren, die in normalen Zellen vorhanden sind.

Tabelle I.

Epigenetische Mechanismen, die an der Regulierung der Genexpression und der Chromatinstruktur in normalen Säugerzellen beteiligt sind

DNA-Methylierung
    Alle Zelltypen
    ȃ   Stabile erbliche Modifikation
    ȃȃȃ Gene Silencing
  ȃ ȃ ȃ𠀼hromatin-Organisation
    ȃȃȃ Imprinting, X-Chromosom-Inaktivierung, Silencing repetitiver Elemente
    ȃ   Von DNMTs vermittelt
    ES-Zellen
ȃ ȃ ȃ ȃ𠀻imodales Verteilungsmuster
ȃ ȃ ȃ   ȃȃ ȃGlobale CpG-Methylierung
"
ȃ ȃ ȃ ȃ Pluripotenzgen-Promotoren unmethyliert
    Somatische Zellen
    ȃ   Gewebespezifische Methylierung einiger CpG-Inseln und der meisten Nicht-CpG-Insel-Promotoren
ȃ ȃ ȃȃȃ Pluripotenzgen-Promotoren methyliert
Kovalente Histonmodifikationen
    Alle Zelltypen
    ȃ ȃ Labile erbliche Modifikation
        Sowohl Gen-Silencing (H3K9me, H3K27me etc.) als auch Genaktivierung (H3K4me, Acetylierung etc.)
    ȃ   Spezifische Verteilungsmuster von Histonmarkierungen tragen zur Chromatinorganisation bei
    ȃ   Vermittelt von HMTs, HDMs, HATs und HDACs etc.
    ES-Zellen
    ȃ  𠀻ivalente Domänen—Koexistenz von aktiven und repressiven Markierungen (H3K4me und H3K27me) an Promotoren entwicklungsrelevanter Gene
    ȃ   Plastisches Epigenom
    Somatische Zellen
    ȃ ȃ Verlust der Bivalenz und eingeschränktes Epigenom
    ȃȃ 𠀾tablierung gewebespezifischer monovalenter H3K27me- und H3K4me-Domänen
ȃ ȃ ȃ ȃ Vorhandensein großer organisierter Chromatin-K9-Modifikationen
Nukleosomenpositionierung und Histonvarianten
    Alle Zelltypen
  ȃ ȃȃ  Labile epigenetische Regulationsmechanismen
  ȃ ȃ ȃ Sowohl Gen-Silencing als auch Gen-Aktivierung durch Modulation der Chromatin-Zugänglichkeit
ȃ   ȃ   Vermittelt durch ATP-abhängige Chromatin-Remodeling-Komplexe
"
    ȃ    H2A.Z und H3.3 sind vorzugsweise an Genpromotoren lokalisiert, die aktiv sind oder zur Aktivierung bereit sind
    ȃ  �tyliertes H2A.Z assoziiert mit Euchromatin und ubiquityliertes H2A.Z mit fakultativem Heterochromatin
miRNAs
    Alle Zelltypen
  ȃ ȃȃ  Labile epigenetische Regulationsmechanismen
    ȃȃȃ Gene Silencing
  ȃ ȃ ȃ Gewebespezifischer Ausdruck
    ȃ   Kann epigenetisch reguliert werden

Epigenetische Mechanismen wie DNA-Methylierung, kovalente Histon-Modifikationen, Nukleososmen-Positionierung und miRNAs sind für die normale Entwicklung von Säugetieren und die Regulation der Genexpression essentiell. Diese epigenetischen Modifikationen weisen einzigartige Eigenschaften und Verteilungsmuster in verschiedenen Säugerzellen auf. Die unterschiedlichen kombinatorischen Muster dieser Modifikationen, die zusammen als Epigenom bezeichnet werden, sind entscheidende Determinanten des Zellschicksals und der Genaktivität. ES-Zellen behalten ein plastischeres Epigenom bei, das für Entwicklungsprozesse erforderlich ist. Im Gegensatz dazu weist das Epigenom von differenziertem Gewebe eine relativ eingeschränkte Struktur auf, die durch mehrere Zellteilungen stabil erhalten bleibt.

DNA-Methylierung

DNA-Methylierung ist vielleicht die am umfassendsten untersuchte epigenetische Modifikation bei Säugetieren. Es bietet einen stabilen Gen-Silencing-Mechanismus, der in Verbindung mit Histon-Modifikationen und anderen Chromatin-assoziierten Proteinen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression und der Chromatin-Architektur spielt. Bei Säugetieren erfolgt die DNA-Methylierung hauptsächlich durch die kovalente Modifikation von Cytosinresten in CpG-Dinukleotiden. CpG-Dinukleotide sind nicht gleichmäßig über das menschliche Genom verteilt, sondern konzentrieren sich stattdessen auf kurze CpG-reiche DNA-Abschnitte, die als 𠆌pG-Inseln’ bezeichnet werden, und Regionen mit großen repetitiven Sequenzen (z. B. zentromerische Wiederholungen, Retrotransposon-Elemente, rDNA usw.) (15,16 ). CpG-Inseln befinden sich vorzugsweise am 5′-Ende von Genen und besetzen �% der menschlichen Genpromotoren (17). Während die meisten CpG-Stellen im Genom methyliert sind, bleiben die meisten CpG-Inseln während der Entwicklung und in differenzierten Geweben normalerweise unmethyliert (11). Einige CpG-Inselpromotoren werden jedoch während der Entwicklung methyliert, was zu einer langfristigen transkriptionellen Stilllegung führt. Die Inaktivierung des X-Chromosoms und geprägte Gene sind klassische Beispiele für eine solche natürlich vorkommende Methylierung von CpG-Inseln während der Entwicklung (15). Es wurde auch berichtet, dass eine gewisse gewebespezifische CpG-Inselmethylierung in einer Vielzahl von somatischen Geweben auftritt, hauptsächlich an entwicklungsrelevanten Genen (18, 19). Im Gegensatz dazu sind die repetitiven genomischen Sequenzen, die über das gesamte menschliche Genom verstreut sind, stark methyliert, was eine chromosomale Instabilität verhindert, indem nicht-kodierende DNA und transponierbare DNA-Elemente zum Schweigen gebracht werden (11). DNA-Methylierung kann zu Gen-Silencing führen, indem sie die Rekrutierung regulatorischer Proteine ​​in die DNA entweder verhindert oder fördert. Zum Beispiel kann es die Transkriptionsaktivierung hemmen, indem es Transkriptionsfaktoren daran hindert, auf Zielbindungsstellen zuzugreifen, z. c-myc und MLTF (20, 21). Alternativ kann es Bindungsstellen für Proteine ​​der Methyl-Bindungsdomäne bereitstellen, die eine Genrepression durch Interaktionen mit Histon-Deacetylasen (HDACs) vermitteln können (22, 23). Somit verwendet die DNA-Methylierung eine Vielzahl von Mechanismen, um Gene und nicht-kodierende genomische Regionen erblich stillzulegen.

Die präzisen DNA-Methylierungsmuster, die im Säugetiergenom gefunden werden, werden durch die kooperative Aktivität der de novo Methyltransferasen𠅍NMT3A und DNMT3B, die unabhängig von der Replikation wirken und die gleiche Präferenz sowohl für unmethylierte als auch für hemimethylierte DNA zeigen, und die Erhaltungs-DNA-Methyltransferase𠅍NMT1, die während der Replikation bevorzugt methylierende hemimethylierte DNA methyliert (24,25).

Während die Rolle der Methylierung des CpG-Inselpromotors beim Gen-Silencing gut bekannt ist, ist viel weniger über die Rolle der Methylierung von Nicht-CpG-Inselpromotoren bekannt. Neuere Studien haben gezeigt, dass die DNA-Methylierung auch für die Regulation von Nicht-CpG-Inselpromotoren wichtig ist. Beispielsweise wird die gewebespezifische Expression von MASPIN, das keine CpG-Insel in seinem Promotor enthält, durch DNA-Methylierung reguliert (26). In ähnlicher Weise beeinflusst die Methylierung des Nicht-CpG-Insel-Oct-4-Promotors stark sein Expressionsniveau (27). Da CpG-Inseln nur �% der menschlichen Genpromotoren einnehmen, ist es wichtig, die Rolle der Nicht-CpG-Inselmethylierung aufzuklären, um die globale Rolle der DNA-Methylierung in normalem Gewebe vollständig zu verstehen (17).

Kovalente Histonmodifikationen

Histonproteine, die den Nukleosomkern umfassen, enthalten eine globuläre C-terminale Domäne und einen unstrukturierten N-terminalen Schwanz (9). Die N-terminalen Schwänze von Histone können eine Vielzahl posttranslationaler kovalenter Modifikationen erfahren, einschließlich Methylierung, Acetylierung, Ubiquitylierung, Sumoylierung und Phosphorylierung an spezifischen Resten (12). Diese Modifikationen regulieren wichtige zelluläre Prozesse wie Transkription, Replikation und Reparatur (12). Die Ergänzung der Modifikationen wird vorgeschlagen, um das epigenetische Gedächtnis innerhalb einer Zelle in Form eines ‘Histoncodes’ zu speichern, der die Struktur und Aktivität verschiedener Chromatinregionen bestimmt (28). Histon-Modifikationen funktionieren, indem sie entweder die Zugänglichkeit von Chromatin ändern oder indem sie Nicht-Histon-Effektorproteine ​​rekrutieren und/oder okkludieren, die die durch die Modifikationsmuster kodierte Botschaft entschlüsseln. Der Vererbungsmechanismus dieses Histon-Codes ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Im Gegensatz zur DNA-Methylierung können Histonmodifikationen entweder zu einer Aktivierung oder Repression führen, je nachdem, welche Reste modifiziert sind und welche Art von Modifikationen vorhanden sind. Beispielsweise korreliert die Lysinacetylierung mit der transkriptionellen Aktivierung (12, 29), während die Lysinmethylierung zu einer transkriptionalen Aktivierung oder Repression führt, abhängig davon, welcher Rest modifiziert ist und vom Methylierungsgrad. Beispielsweise ist die Trimethylierung von Lysin 4 an Histon H3 (H3K4me3) an transkriptionell aktiven Genpromotoren (30) angereichert, während die Trimethylierung von H3K9 (H3K9me3) und H3K27 (H3K27me3) an transkriptionell reprimierten Genpromotoren vorliegt (12). Die beiden letztgenannten Modifikationen bilden zusammen die beiden Haupt-Silencing-Mechanismen in Säugerzellen, H3K9me3 arbeitet zusammen mit DNA-Methylierung und H3K27me3 arbeitet weitgehend ohne DNA-Methylierung ( 1 ). Es wurde eine Vielzahl aktiver und repressiver Histonmodifikationen identifiziert, die ein komplexes Genregulationsnetzwerk bilden, das für die physiologischen Aktivitäten von Zellen essentiell ist (10,12). Genomweite Studien, die unterschiedliche Lokalisationen und kombinatorische Muster dieser Histonmarkierungen im Genom zeigen, haben unser Verständnis dafür, wie diese verschiedenen Modifikationen kooperativ wirken, um globale Genexpressionsmuster zu regulieren, erheblich verbessert (31,32).

Epigenetische Gene-Silencing-Mechanismen bei Säugetieren. (EIN) Ein aktives Gen zeigt eine offene Chromatinstruktur bestehend aus einer unmethylierten Promotorregion (kleine weiße Kreise auf DNA-Strängen), ohne Nukleosom stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle (dicker schwarzer Pfeil), einer Anreicherung aktiver Histonmarkierungen wie Acetylierung (grün Dreieck, Ac) und H3K4-Methylierung (grüne Kreise, 4) und hohe Konzentrationen von H2A.Z auf Nukleosomen (orange), die die Transkriptionsstartstelle umgeben. Die offene Chromatinstruktur ist für die Bindung von Transkriptionsfaktoren und RNA Pol-II zulässig, die die aktive Transkription an solchen Promotoren vermittelt. Die Unterdrückung solcher aktiver Gene (durch rote Pfeile gekennzeichnet) kann in normalen Zellen durch zwei Hauptmechanismen erreicht werden: (B) Die Genrepression durch die Wirkung von PRC1 und PRC2, die die repressive H3K27-Methylierung vermitteln (rote Kreise, 27), wird begleitet von der Entfernung der Acetylierung durch HDACs, dem Verlust der H3K4-Methylierung, der Chromatinverdichtung, der Nukleosomenbesetzung im NFR und der Ubiquitylierung von H2A. Z (C) Langzeit-Silencing durch DNA-Methylierung wird von DNA-Methyltransferasen durchgeführt. DNA-Methylierung (kleine rote Kreise an DNA-Strängen) wird oft von der repressiven H3K9-Methylierung (rote Kreise, 9) an Promotoren begleitet, die durch Rekrutierung von HP1 zu einer Chromatinverdichtung führt. DNA Methylierte-stummgeschaltete Promotoren zeigen eine Verarmung von H2A.Z, Verlust der H3K4-Methylierung und Histon-Deacetylierung. Ac, Acetylierung EZH2, Enhancer von Zeste Homolog 2 HP1, Heterochromatin Protein 1 K4-HMT, Histon H3 Lysin 4 Histon Methyltransferase K9-HMT, Histon H3 Lysin 9 Histon Methyltransferase Pol-II, RNA Polymerase II PRC1 und PRC2, Polycomb Repressive Complex 1 und 2 Ub, Ubiquitinierung.

Spezifische Muster von Histonmodifikationen sind innerhalb verschiedener Zelltypen vorhanden und sollen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der zellulären Identität spielen (33, 34). Beispielsweise besitzen embryonale Stammzellen (ES) 𠆋ivalente Domänen’, die koexistierende aktive (H3K4me3) und repressive (H3K27me3) Markierungen an Promotoren entwicklungsrelevanter Gene enthalten (35,36). Solche bivalenten Domänen werden durch die Aktivität zweier kritischer Regulatoren der Entwicklung bei Säugetieren etabliert: der Polycomb-Gruppe, die die repressive H3K27-Trimethylierungsmarkierung katalysiert und für die Aufrechterhaltung der ES-Zell-Pluripotenz durch das Abschalten zellschicksalspezifischer Gene und möglicherweise der Trithorax-Gruppe, die die Aktivierung der H3K4-Trimethylierungsmarkierung und wird für die Aufrechterhaltung aktiver Chromatinzustände während der Entwicklung benötigt (34). Es wird angenommen, dass diese Bivalenz zur phänotypischen Plastizität beiträgt und ES-Zellen ermöglicht, die Genexpression während verschiedener Entwicklungsprozesse streng zu regulieren. Differenzierte Zellen verlieren diese Bivalenz und erhalten eine starrere Chromatinstruktur, die für die Aufrechterhaltung des Zellschicksals während der Zellexpansion wichtig sein kann (33). Diese Hypothese wird durch die kürzliche Entdeckung großer kondensierter Chromatinregionen mit der repressiven H3K9me2-Markierung, die als ‘LOCKs’ (große organisierte Chromatin-K9-Modifikationen) bezeichnet wird, in differenzierten ES-Zellen unterstützt, die die Stilllegung großer Genomregionen in differenzierten Geweben aufrechterhalten können (37 ).

Histonmodifikationsmuster werden dynamisch durch Enzyme reguliert, die kovalente Modifikationen an Histonproteinen hinzufügen und entfernen. Histonacetyltransferasen (HATs) und Histonmethyltransferasen (HMTs) fügen Acetyl- bzw. Methylgruppen hinzu, während HDACs und Histondemethylasen (HDMs) Acetyl- bzw. Methylgruppen entfernen (38,39). In den letzten zehn Jahren wurden eine Reihe histonmodifizierender Enzyme identifiziert, darunter verschiedene HATs, HMTs, HDACs und HDMs (12). Diese histonmodifizierenden Enzyme interagieren miteinander sowie mit anderen DNA-Regulierungsmechanismen, um Chromatinzustand und Transkription eng zu verknüpfen.

Zusammenspiel von DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen

Zusätzlich zur Erfüllung ihrer individuellen Aufgaben interagieren Histonmodifikationen und DNA-Methylierung auf mehreren Ebenen miteinander, um den Genexpressionsstatus, die Chromatinorganisation und die zelluläre Identität zu bestimmen (40). Mehrere HMTs, darunter G9a, SUV39H1 und PRMT5, können die DNA-Methylierung zu spezifischen genomischen Zielen lenken, indem sie DNA-Methyltransferasen (DNMTs) direkt rekrutieren, um Gene stabil zum Schweigen zu bringen (41�). Neben der direkten Rekrutierung von DNMTs beeinflussen HMTs und Demethylasen auch den DNA-Methylierungsspiegel, indem sie die Stabilität von DNMT-Proteinen regulieren (44,45). DNMTs können wiederum HDACs und methylbindende Proteine ​​rekrutieren, um Gen-Silencing und Chromatin-Kondensation zu erreichen (22,23). Die DNA-Methylierung kann auch die H3K9-Methylierung durch Effektorproteine ​​wie MeCP2 steuern, wodurch ein repressiver Chromatinzustand entsteht (46). Die Interaktionen zwischen DNA-Methylierungsmaschinerie und histonmodifizierenden Enzymen erhöhen die Komplexität der epigenetischen Regulation der Genexpression weiter, die die zelluläre Identität und Funktion bestimmt und aufrechterhält.

Nukleosompositionierung und Histonvarianten

Nicht-kovalente Mechanismen, wie das Nukleosom-Remodeling und der Ersatz kanonischer Histon-Proteine ​​durch spezialisierte Histon-Varianten, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genaktivität durch die Chromatinstruktur. Nukleosomen dienen nicht nur als Grundmodule für die DNA-Verpackung innerhalb einer Zelle, sondern regulieren auch die Genexpression, indem sie die Zugänglichkeit regulatorischer DNA-Sequenzen für Transkriptionsfaktoren verändern (14). Genomweite Nukleosomenkartierungsdaten für verschiedene eukaryontische Organismen zeigen ein gemeinsames Organisationsthema mit einer präzisen Positionierung von Nukleosomen um Genpromotoren herum, verglichen mit dem relativ zufälligen Muster, das in Genkörpern gefunden wird (47). Nukleosomenfreie Regionen (NFRs), die an den 5′ und 3′ Enden von Genen vorhanden sind, sollen die Stellen für den Auf- und Abbau der Transkriptionsmaschinerie bereitstellen (48). Der Verlust eines Nukleosoms direkt stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle ist eng mit der Genaktivierung korreliert (49, 50). Darüber hinaus korreliert das Vorhandensein eines NFR an Genpromotoren mit basalem Transkriptionsniveau mit ihrer Fähigkeit zur schnellen Aktivierung bei Stimulation (51). Im Gegensatz dazu ist die Okklusion der Transkriptionsstartstelle innerhalb des NFR durch ein Nukleosom mit einer Genrepression assoziiert (52). Die Modulation der NFRs wird durch ATP-abhängige Chromatin-Remodeling-Komplexe orchestriert, die die Zugänglichkeit von DNA-Regulationsstellen durch Verschieben und Ausstoßen von Nukleosomen verändern (53). Die Wechselwirkung der Nukleosomen-Remodeling-Maschinerie mit DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen spielt eine zentrale Rolle bei der Etablierung globaler Genexpressionsmuster und der Chromatinarchitektur ( Abbildungen 1 und ​ und 2) 2 ) (54, 55).

Veränderungen der DNA-Methylierung bei Krebs. In normalen Zellen sind CpG-Inselpromotoren im Allgemeinen unmethyliert und werden, wenn sie aktiv sind, wie im Fall von Tumorsuppressorgenen, von aktiven Histonmarkierungen wie Acetylierung und H3K4-Methylierung (grüne Kreise, 4) begleitet, die eine transkriptionell aktive offene Chromatinstruktur ermöglichen. Repetitive Regionen, Transposons, CpG-arme intergenische Regionen und geprägte Genpromotoren sind jedoch stark methyliert und werden von repressiven Histonmarkierungen wie der H3K9-Methylierung (rote Kreise, 9) begleitet, die zusammen einen stillen Chromatinzustand bilden. Während der Tumorentstehung werden Tumorsuppressorgen-Promotoren mit CpG-Inseln methyliert, was zur Bildung einer stillen Chromatinstruktur und einer abweichenden Stummschaltung (durch den roten Pfeil angezeigt) führt. Im Gegensatz dazu werden die repetitiven Sequenzen, Transposons und geprägten Genpromotoren hypomethyliert, was zu ihrer abweichenden Aktivierung führt (angezeigt durch den grünen Pfeil).

Neben physikalischen Veränderungen der nukleosomalen Positionierung durch Nukleosomen-Remodeler ist der Einbau von Histonvarianten, z.B. H3.3 und H2A.Z, in Nukleosomen, beeinflusst auch die Nukleosomenbelegung und damit die Genaktivität (56, 57). Im Gegensatz zu den wichtigsten Histon-Subtypen, deren Synthese und Einbau an die DNA-Replikation in der S-Phase gekoppelt ist, werden diese Varianten während des gesamten Zellzyklus synthetisiert und in Chromatin eingebaut (56). H3.3 und H2A.Z sind vorzugsweise an Promotoren von aktiven Genen oder Genen, die zur Aktivierung bereit sind, angereichert und können die Genaktivierung vermitteln, indem sie die Stabilität der Nukleosomen verändern (58). Der Einbau von H2A.Z kann auch zur Genaktivierung beitragen, indem er Gene vor DNA-Methylierung schützt (59). In ES-Zellen kolokalisiert H2A.Z mit bivalenten Domänen, wo es dazu beitragen kann, wichtige Entwicklungsgene in einem ausgeglichenen Zustand zu halten (60). Wie kanonische Histone durchlaufen auch Histonvarianten verschiedene posttranslationale Modifikationen, die ihre Kernlokalisation und Funktion bestimmen. Beispielsweise assoziiert acetyliertes H2A.Z hauptsächlich mit aktiven Genen in Euchromatin, während ubiquityliertes H2A.Z mit fakultativem Heterochromatin assoziiert (61, 62). Zusammenfassend bietet der Einschluss von Histonvarianten in Nukleosomen einen zusätzlichen epigenetischen Mechanismus, der von Zellen genutzt wird, um die Chromatinstruktur entsprechend den Bedürfnissen verschiedener zellulärer Prozesse zu modifizieren.

MiRNAs

miRNAs sind kleine, nicht kodierende RNAs, die die Genexpression durch posttranskriptionelles Silencing von Zielgenen regulieren. Die sequenzspezifische Basenpaarung von miRNAs mit 3′ untranslatierten Regionen der Ziel-Messenger-RNA innerhalb des RNA-induzierten Silencing-Komplexes führt zu einem Abbau der Ziel-Messenger-RNA oder einer Hemmung der Translation (63). miRNAs werden gewebespezifisch exprimiert und steuern ein breites Spektrum biologischer Prozesse wie Zellproliferation, Apoptose und Differenzierung. Die Liste der im menschlichen Genom identifizierten miRNAs und ihrer potenziellen Zielgene wächst schnell und zeigt ihre umfassende Rolle bei der Aufrechterhaltung globaler Genexpressionsmuster (13). Wie bei normalen Genen kann die Expression von miRNAs durch epigenetische Mechanismen reguliert werden (64). Darüber hinaus können miRNAs auch epigenetische Regulationsmechanismen innerhalb einer Zelle modulieren, indem sie auf Enzyme abzielen, die für die DNA-Methylierung (DNMT3A und DNMT3B) und Histonmodifikationen (EZH2) verantwortlich sind (65, 66). Eine solche Interaktion zwischen den verschiedenen Komponenten der epigenetischen Maschinerie unterstreicht erneut die integrierte Natur epigenetischer Mechanismen, die an der Aufrechterhaltung globaler Genexpressionsmuster beteiligt sind.


Die Rolle des repetitiven Genoms

Transponierbare Elemente sind intime Bestandteile von Genomen mit einem Genregulationspotential, das zu phänotypischer Diversität führen kann. Tatsächlich machen transponierbare Elemente und ihre Relikte einen Großteil der meisten eukaryotischen Genome aus. McClintock schlug vor, dass Transposons durch Umweltveränderungen oder während der Entwicklung ein- oder ausgeschaltet werden und als „Kontrollelemente“ fungieren. Wir wissen jetzt, dass Transposons die Genaktivität auf vielfältige Weise beeinflussen können, indem sie als regulatorische Elemente fungieren oder die Transkription stören 68 . Genome haben speziesspezifische Mechanismen entwickelt, um die Transposon-Aktivität zu begrenzen, beispielsweise indem sie auf repressive Heterochromatin-Maschinerie zielen, entweder durch spezifische RNAs oder DNA-Bindungsfaktoren. In Drosophila, heterochromatin-dependent mechanisms allow the expression of specific clusters of transposon relics in order to produce PIWI-interacting RNAs (piRNAs) that, in turn, inhibit transposition. piRNAs are maternally heritable and can be amplified via a ping-pong system, effectively allowing the organism to resist new invasions and adapt their genome to them 69 . Caenorhabditis elegans uses heterochromatin components to prevent illegitimate repetitive DNA transcription and genome instability 70 . Plants produce small RNAs derived from double-stranded precursors, which are synthesized by dedicated polymerases and target DNA methylation and the H3K9 methylation machinery 71 . Finally, numerous strategies are deployed in mammals, the most recently characterized being the repression of endogenous retroviruses (ERVs) by the KAP1 protein (also known as TRIM28), which co-recruits heterochromatin proteins such as SETDB1 by interacting with Krüppel-associated box (KRAB) domain-containing zinc-finger proteins (KZFPs). This strategy also enables the rapid evolution of gene regulation strategies via binding of KZFP to ERVs near genes 72 , thus influencing gene expression dynamics and levels.


Epigenetic Mechanisms

How does epigenetic inheritance occur concretely? Although several epigenetic processes have been considered to answer this question, given the wide range of this work, we will focus on two of the more extensively studied mechanisms: methylation and ncRNA.

First-Generation Epigenetic Mechanisms

First-generation epigenetic mechanisms are centered on modifications to chromatin density—i.e., a “tuning” of transcriptional probability. These mechanisms depend on several enzymatic activities that effect acetylation, methylation and phosphorylation of histone tails (primarily lysine, arginine and serine) and their removal (deacetylation, demethylation and dephosphorylation) ATP-dependent chromatin remodeling (proteins that actively and transiently modify nucleosomal structure) and cytosine methylation (Portela and Esteller, 2010 Cooper and Hausman, 2013). Although these processes might mediate epigenetic inheritance, methylation is the most well-understood mechanism regarding this matter (Babenko et al., 2015).

Methylation and Demethylation

DNA methylation is an enzymatic process by which a methyl group (CH3) is covalently bound to the fifth position of a cytosine residue (5-methylcytosine, 5mC) to alter gene expression. In mammalian DNA, this regulatory activity acts on CpG palindromes (i.e., diagonally symmetric couples of guanine-cytosine pairs), whereas asymmetric methylation is rare (Chen and Li, 2004). When methylation affects the promoter region, it is associated with gene silencing—the most well-known function of this mechanism however, when it involves the transcribed region, it increases transcriptional activity (Jones, 2012). DNA methylation is involved in many processes, particularly those that are important for early development, such as genomic imprinting, X-chromosome inactivation, and transposon silencing (Smith and Meissner, 2013).

The addition of CH3 groups to CpG islands is catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs). DNMT1 primarily maintains DNA methylation patterns during replication, whereas DNMT3A, DNMT3B and DNMT3L (a noncatalytic isoform of DNMT3, termed DNMT3-like) are principally involved in establishing new DNA methylation patterns𠅊 mechanism that is called de novo methylation—that characterize embryo development, in particular (Chen and Li, 2004).

The maintenance of methylation is crucial for ensuring the continuity of the structural and functional identities of somatic cells throughout cell division. During the S phase of the cell cycle, DNMT1 reaches hemimethylated CpGs with the aid of ubiquitin-like with PHD and RING finger domains 1 (UHRF1) proteins such that each newly synthesized DNA strand can be methylated per its complementary strand. Thus, after each replication, the symmetry of the methylation pattern is restored (Zhang et al., 2011 Wu and Zhang, 2014).

Although methylation patterns are stable, they can be erased by two mechanisms: active and passive demethylation. Passive demethylation represents a failure in maintenance (so-called replication-dependent dilution) and occurs primarily in the absence of functional DNMT1/UHRF1: if the symmetry of methylation is not reestablished, methylation is lost through replications (Smith and Meissner, 2013 Wu and Zhang, 2014).

Active methylation is mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins, which exist as three isoforms: TET1, TET2 and TET3. This subfamily of dioxygenases catalyzes the oxidation of 5mC to hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and finally 5-carboxylcytosine (5caC). This conversion is the first step toward complete demethylation through two pathways. In the first mechanism, DNMT1 is less effective toward 5hmC, 5fC and 5acC methylation thus, the oxidative activity of TET can foster passive dilution. In the second route, 5fC and 5acC can be excised from DNA by thymine DNA glycosylase, and the resulting lesion is promptly repaired through the base excision repair (BER) pathway, generating an unmodified cytosine. Thymine DNA glycosylase and BER are also recruited when 5mC is deaminated to thymine by activation-induced deaminase, particularly in promoter regions during somatic cell reprogramming (Seisenberger et al., 2013 Zhao and Chen, 2013). An overview of methylation and demethylation mechanisms is provided in Figure ​ Figure3 3 .

Methylation and demethylation. Methylation is a regulatory process of gene expression, catalyzed by DNA methyltransferase enzymes, owing to the addition of a methyl group to the fifth position of a cytosine. DNA methyltransferases 1 (DNM1) is mainly involved in maintenance methylation that restores symmetric DNA methylation patterns after DNA replication. DNM3A, DNMTB and DNMTL, instead, are involved in the catalytic process that produces de novo methylation by adding methyl groups to unmethylated DNA strands. Methylation processes can be reverted by two mechanisms: passive demethylation due to loss of methylation across consecutive DNA replications active demethylation mediated by ten-eleven translocation (TET) proteins.

Methylation and Epigenetic Inheritance

Maintenance and de novo methylation and active and passive demethylation are crucial for embryonic development and epigenetic inheritance. Gametes are completely demethylated and are remethylated after fertilization to erase all epigenetic marks that an individual accumulates over his lifespan. However, this resetting process is impeded during early development, perhaps accounting for transgenerational transmission of these epigenetic footprints (van Otterdijk and Michels, 2016).

Elimination and restoration of methylation markers occurs in two steps (Figure ​ (Figure4). 4 ). Immediately after fertilization, global demethylation is observed that erases methylation marks of the parental gametes through two sex-dependent mechanisms. First, the DNA in paternal pronuclei undergoes rapid, active demethylation that is mediated by TET3 proteins, which spare only imprinting control regions (ICRs) and certain retrotransposons, such as intracisternal A particles. This process takes place at approximately the time of DNA replication and ends before the first cell division is completed. Then, the maternal genome is progressively demethylated through passive demethylation across subsequent cleavage steps (Seisenberger et al., 2013). Consequently, the totipotency of the zygote is established and maintained across the first several cell divisions.

Biomarker reset. The elimination and restoration of methylation markers happen in two steps. A first, active demethylation takes place in parental gametes, right after fertilization. This process is mostly active𠅊nd therefore faster: it is completed by the first cell division𠅏or paternally inherited genome, while maternal pronucleus is slowly demethylated by passive diffusion across replications. This first global erasure of methylation marks spares only imprinted loci and some retrotransposons, and it is deemed to establish cellular totipotency. After the implantation of the developing blastocyst, a first de novo methylation wave begins, driving the crucial process of cellular differentiation. At the beginning of gametogenesis, when primordial germ cells start to migrate, a second demethylation takes place: gametes’ chromatin is globally demethylated, also including imprinted loci. After sex-determination, gametogonia are remethylated by a second wave of de novo methylation, which is higher (90%) and faster (it is mostly complete before birth) for male gametes and slower (40%) and lower (it does not end until puberty) for female gametes. Imprinting patterns are usually reestablished during this phase. The established patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and right after birth. These processes depend on the activity of several epigenetic enzymes, among which DNA methyltransferases (DNMTs) and TETs are prominent. The regulation of these processes by non-coding RNA (ncRNA), has also been established.

The maternal factor Stella has been suggested to protect the maternal genome and paternal ICRs and intracisternal A particles from active demethylation. These regions undergo H3K9 (a Stella binding site) demethylation. Moreover, inside of the oocyte and zygote, the DNMT1o isoform predominates and is more concentrated in their cytoplasm. In contrast, DNMT1 is the chief isoform in somatic cell nuclei but is scarce in the zygote. These differences in nuclear and cytoplasmic concentrations of DNMT1 isoforms account for global passive demethylation and might explain the maintenance of maternal ICRs (Cardoso and Leonhardt, 1999 Seisenberger et al., 2013). Nevertheless, recent studies suggest that active and passive processes govern the demethylation of the maternal and paternal genomes (van Otterdijk and Michels, 2016). After the implantation of the developing blastocyst, the inner mass cells (IMCs) undergo a wave of de novo methylation, which drives their differentiation. This process is mediated by DNMT3 (Chen and Li, 2004 Seisenberger et al., 2013).

A second wave of demethylation is initiated at the outset of gametogenesis: primordial germ cells experience demethylation that starts during their migration and spreads to ICRs (Zhao and Chen, 2013 Wu and Zhang, 2014). After sex determination, gametogonia DNA is remethylated through a second de novo methylation step. Notably, male gametes reach methylation levels of 90% before birth, whereas oocytes increase their levels progressively, long after birth and until sex maturation when they decline to approximately 40% in this phase, imprinted loci are usually restored (Smith and Meissner, 2013 Zhao and Chen, 2013). As argued above, the transmitted patterns can be altered by direct or indirect experiences, particularly during gestation and immediately after birth.

It appears that epigenetic transmission might be possible when the second demethylation step is prevented, as in the case of genomic imprinting, which constitutes the strongest evidence for transgenerational epigenetic inheritance in mammals (van Otterdijk and Michels, 2016). Correct repression of transcription of certain genes is crucial for a good developmental outcome. A glitch during genomic imprinting, for example, can cause severe pathologies, such as Prader–Willi and Angelman syndromes, which are derived from the loss of nonimprinted paternal and maternal genes, respectively (Cassidy et al., 2000).

New-Generation Epigenetic Mechanisms

New-generation epigenetic mechanisms also incorporate factors that modify the genetic expression at the translational level, such as alternative splicing, RNA editing, and regulation by ncRNAs (Cooper and Hausman, 2013). Recently, ncRNAs have been implicated in disease development and manifestation and in their epigenetic transmission (Peschansky and Wahlestedt, 2014). ncRNAs are not translated into proteins. Only 2% of RNA is mRNA and becomes a functional and structural component of the cell. The remaining 98%, however, is far from “junk,” as once believed. Many genes are translated into ncRNA (Liu et al., 2013). What do these molecules do? As we will discuss below, many groups (e.g., Amaral et al., 2013 Peschansky and Wahlestedt, 2014) have exhaustively reviewed the functional properties of these newly implicated species in epigenetic regulation and inheritance, highlighting their direct and indirect functions.

Non Coding RNA and Epigenetic Regulation

ncRNAs that are less than 200 nucleotides are labeled “short” or “small,” whereas those that exceed this length are defined as “long” (lncRNAs). These two groups can be subdivided, depending on their genomic origin and biogenic activity.

lncRNAs are divided into five subgroups:

natural antisense transcript (NAT), a complementary sequence to a coding RNA at the same locus (cis-NAT) or a distal genomic locus (trans-NAT).

long intergenic ncRNA (lincRNA), which is encoded from the introns of intergenic regions (macroRNA or vlincRNA).

sense overlapping, which is transcribed from the same DNA strand as another transcript.

sense intronic, originating from the introns of coding genes.

processed transcript, an RNA transcript that is spliced or polyadenylated.

Whereas NATs primarily regulate the expression of the sense partner transcript, the activities of the other four classes remain unknown, but they are likely to include transcriptional regulation, RNA stability, and the recruitment of protein complexes and other subcellular elements. lncRNAs are usually transcribed and processed similarly to coding mRNAs (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

Small RNAs are grouped into five clusters: PIWI-interacting RNAs (piRNAs), endogenous short interfering RNAs (endo-siRNAs), miRNAs (or miRs), transfer-derived RNAs (tDRs or tsRNAs) and small nucleolar RNAs (snoRNAs). PiRNAs are usually composed of 26� nucleotides and can silence the transcription of target RNAs, promoting the trimethylation of histone 3 lysine 9 (H3K9me3), a marker of inactive chromatin, by a histone methyltransferase (Luteijn and Ketting, 2013).

The function of endo-siRNAs is not well understood, but it appears to require extensive sequence complementarity to repress genes (Okamura et al., 2008). miRNAs are 20�-nucleotide segments that usually target mRNAs by complementarity to a 6-nucleotide seed region in the 3′-UTR or 5′-UTR (Vidigal and Ventura, 2012). tsRNAs are derived from the rigid processing of mature precursor tRNAs at the 5’ or 3’ end and have a similar function as miRNA, regulating RNA-silencing activities (Haussecker et al., 2010). snoRNAs are involved in modifications to ribosomal RNAs but snoRNA is also a miRNA precursor and has a similar function to miRNAs (Ender et al., 2008).

Our understanding of the processes that generate mature small ncRNAs is patchy. Only the biogenesis of miRNAs has been determined. The formation of miRNAs begins in the nucleus with the transcription of a primary miRNA (pri-miRNA) by RNA polymerase II (RNA Pol II). Pri-miRNAs are attacked by the microprocessor complex, composed of RNase III (Drosha) and DGCR8 (Pasha). Drosha cleaves pri-miRNA into a shorter transcript, whereas Pasha stabilizes the interaction between Drosha and pri-mRNA. This catalytic event produces a stem-loop structure, the precursor miRNA (pre-miRNA). The pre-miRNA is then exported to the cytoplasm by Ran-GTP, which energizes the transport system, and exportin-5 (EXP5), which interacts directly with the stem-loop structure. Here, the pre-miRNA associates with Dicer (another RNase III), which cleaves it into two molecules of approximately 22 nucleotides: guide strand (or mature miRNA) and passenger strand (or miRNA*). These two species are then loaded into argonaute (Ago) proteins, which select the mature miRNA (while miRNA* is degraded) and deliver it to the RNA-induced silencing complex, through which it arrives at its targets, destabilizing mRNA and inhibiting transcription (Blahna and Hata, 2012).

In general, lncRNAs and small RNAs intervene in several regulatory processes in nuclear architecture, chromatin regulation, transcriptional regulation and RNA processing (Amaral et al., 2013 Quinn and Chang, 2016). lncRNAs regulate epigenetics by remodeling chromatin structure, whereas the function of miRNAs in epigenetic processes is linked to their direct or indirect regulation of DNMT expression during embryonic development and in somatic cells (Peschansky and Wahlestedt, 2014).

ncRNAs can be epigenetic targets and epigenetic effectors. Their genetic loci can be subject to epigenetic regulation, like protein-coding genes, becoming susceptible of environmental influences further, they govern gene expression (Peschansky and Wahlestedt, 2014 Szyf, 2015). This dual nature of ncRNAs implicates them as 𠇌hange amplifiers.” In this sense, ncRNAs are similar to transcription factors.

Small RNAs and Epigenetic Inheritance

Among all classes of small RNAs, miRNAs are the most frequently cited with regard to epigenetic inheritance. Recently, the miRNA expression patterns in placental (Gu et al., 2013 Maccani et al., 2013) and germ cells (Soni et al., 2013 Rodgers et al., 2015) have been implicated in fetal programming, and increasing evidence is considering the function of miRNAs in mediating transgenerational epigenetic inheritance of stress responsivity (Babenko et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

As discussed, fetal programming alone does not account for epigenetic transmission, unless we include the effect of previous environmental factors (i.e., AIE) in its definition. As pointed out by Bohacek and Mansuy (2015), germ cell reprogramming could be a key mechanism of transgenerational epigenetic inheritance. Notably, miRNAs control de novo DNA methylation by regulating transcriptional repressors (Sinkkonen et al., 2008). Epigenetic changes in germ cells arise and are maintained throughout methylation and acetylation, but miRNAs, particularly those in sperm, appear to have important functions (e.g., Bohacek and Mansuy, 2015 Rodgers et al., 2015 Fraser and Lin, 2016 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018).

Conversely, global suppression of miRNA (paired with the functional predominance of endo-siRNAs) has been observed in mature oocytes and during early embryonic development (Ma et al., 2010 Suh et al., 2010). Consistent with these data, oocytes lack DGCR8 (Pasha), which is necessary for miRNA but not endo-siRNA pathways (Ma et al., 2010). miRNAs could be important mediators of placental development through their regulation of genetic expression (Babenko et al., 2015). Their function in the latter phases of zygote development remains unknown, but as we will discuss, there is evidence of the role of miRNAs in the regulation of oocyte function (Tang et al., 2007 Soni et al., 2013). piRNAs are another class of small RNAs that are important in epigenetic inheritance and are highly expressed in sperm and oocytes tsRNAs, which are enriched in mature mouse sperm, are critical in epigenetic inheritance (Peng et al., 2012 Roovers et al., 2015 Chen Q. et al., 2016 Sharma et al., 2016). However, much work is needed to determine their functions.

Mechanisms of Epigenetic Inheritance: An Overview

Epigenetic inheritance has been suggested to be governed by the crosstalk between canonical epigenetic mechanisms (primarily methylation) and the regulation of gene expression by ncRNAs at the translational and transcriptional levels, as proposed by several groups (e.g., van Otterdijk and Michels, 2016 Houri-Zeevi and Rechavi, 2017 Pang et al., 2017 Yeshurun and Hannan, 2018). Although there is no direct evidence of the exact mechanisms that are involved, some hypotheses can be introduced.

NcRNAs might mediate the establishment of new patterns of gene expression by regulating DNMT1 and TET in adult somatic cells (DE). Following fertilization, synchronous alterations to the intrauterine environment could define new expression patterns (WIE), particularly through the activities of small ncRNAs on DNMT1, DNMT3A/B/L and TET, interfering with the maintenance of preexisting epigenetic hallmarks. Depending on when an environmental change occurs, the influence on the offspring might depend on the offspring’s sex and materialize using a sex-specific cluster of enzymes (see Figure ​ Figure4 4 ).

The most notable𠅊lbeit more obscure and less extensively studied𠅏unction of ncRNAs could be to establish the intrauterine environment and gametes before conception, producing new, stable epigenetic marks, such as methylation, that are stably maintained at least across one generation (AIE). Further, the direct transmission of ncRNAs through paternal sperm or fluids and maternal germ cells could intervene in setting epigenetic patterns. Conversely, the presence or absence of molecular tags (such as UHRF1) could influence the expression of crucial ncRNAs during the first or second stage of demethylation, also sex-dependently (Figure ​ (Figure4). 4 ). These models are only some of the hypotheses that our current understanding allows, and surely overlooks other less well-understood processes, such as histone modification and retention, DNA hydroxymethylation, and chromatin remodeling. These mechanisms are suggested to be relevant to epigenetic inheritance and subject to some form of regulation by ncRNAs, necessitating further evidence of their implication (Babenko et al., 2015 Bohacek and Mansuy, 2015 van Otterdijk and Michels, 2016).


DNA sequence-dependent epigenetic inheritance of gene silencing and histone H3K9 methylation

Epigenetic inheritance mechanisms play fundamental roles in maintaining cellular memory of gene expression states. In fission yeast, histone H3 lysine 9 (H3K9) is methylated (H3K9me) at heterochromatic domains. These domains can be epigenetically inherited when epe1 + , encoding an enzyme that promotes H3K9 demethylation, is deleted. How native epigenetic states are stably maintained in epe1 + cells remains unknown. Here, we developed a system to examine the role of DNA sequence and genomic context in propagation of a cis-heritable H3K9me-dependent silenced state. We show that in epe1 + cells, in addition to sequence-independent mechanisms that propagate H3K9me, epigenetic inheritance of silencing requires binding sites for sequence-dependent activating transcription factor (ATF)-adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP) response element-binding protein (CREB) family transcription factors within their native chromosomal context. Thus, specific DNA sequences contribute to cis inheritance of H3K9me and silent epigenetic states.

Copyright © 2017, American Association for the Advancement of Science.

Figuren

Fig. 1. Construction of a modified mating-type…

Fig. 1. Construction of a modified mating-type (mat) locus that allows examination of the role…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus…

Fig. 2. Sequences within the mating-type locus and binding sites for the ATF-CREB transcription factors…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent…

Fig. 3. Contributions of chromatin versus sequence-dependent mechanisms to cis inheritance of silencing and H3K9me


Description of content: Regulation of gene expression and of chromatin function is pivotal for the understanding of (early) development programs, cellular homeostasis and many disease states. The transcription process is critically linked to the regulation of chromatin function. Epigenetic mechanisms such as histone modifications can transmit active/inactive states of a gene through cellular divisions, which are particularly relevant during early mammalian development. The study of transcription, chromatin regulation and early development received a great impetus through the availability of whole genome sequences, which sparked development of many novel high-throughput sequencing technologies. Integration of biochemistry, molecular biology, genomics, proteomics and cell biology now provides unprecedented insight into transcription and chromatin regulation in health and disease.
This course will teach the crucial concepts of regulation of gene expression, with a focus on the process of transcription at the molecular level, and also including concepts derived from cellular, developmental and disease states. Epigenetics, chromatin and genome organization will be taught, as well as state-of-the-art strategies and techniques in the field of gene regulation and genome research, all with a reference to human disease and development.
The covered topics are: genome/gene organization, pol II transcription initiation/elongation, chromatin remodeling, chromatin modifications, epigenetic inheritance, nuclear organization, early vertebrate embryonic development, signals and pathways, cell lineage specification, pluripotency, germ cells and genomic imprinting. Many techniques will be explained, including classical assays used to investigate transcription, as well as high-throughput genomic approaches and systems biology analyses. If you are only superficially interested in the mechanisms of gene expression, epigenetics and development, this course is not suitable for you.

Course outline: The course consists of a combination of lectures, exercises, literature and discussions and closes with a written exam. A large part is taught by leading scientists (9-10 different instructors in total) working in gene expression, chromatin control and early development. The course is intense and challenging and requires full attention throughout its entire duration. Although many basic molecular principles will be reintroduced, the course is only suited for students with a basic molecular understanding of gene expression and chromatin through Biomolecular Sciences bachelor programs taught from textbooks like Molecular Biology of the Cell (“Alberts”) or Genes (“Lewin”).

Instructors:
Genevieve Almouzni (Institut Curie, Paris)
Sebastian Arnold (Dept. of Pharmacology, Freiburg)
Susan Gasser (FMI, Basel)
Nicola Iovino (MPI, Freiburg)
Ana Pombo (MDC, Berlin)
Wolf Reik (Babraham Institute, Cambridge)
Marc Timmers (Dept. of Urology/DKTK, Freiburg)
Maria-Elena Torres-Padilla (LMU, Munich)
Peter Verrijzer (EMC, Rotterdam)

Zeitlicher Ablauf: The course is full-time (9-17 h). A detailed schedule will be sent two weeks prior to the course. Following the entire course throughout is compulsory without exceptions.

Requirements: The course is aimed at Ph.D. researchers of the SGBM and Master students from Freiburg in their last year of study. The course is also open to Ph.D. and Master students from other programs (i.e. IMPRS graduate school, Molecular Medicine) and from similar programs outside of Freiburg. Participants should already have a basic understanding of cellular and molecular biology.

Anmeldung: Please download the application form Hier, fill it out and send it back to This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it until latest May 31, 2021.
SGBM fellows have priority in registration until 6 weeks before the course. The participation fee of € 100 is requested for external students. Maximum participation (Master + PhD fellows) is 25, so please register well ahead of the deadline. Successful applicants will be notified 4 weeks in advance.


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