Epigenetica

1. Definitia epigeneticii- comparatie intre informatia genetica si informatia epigenetica. Ce rol au aceste doua informatii in cadrul informatiei ereditare

Epigenetica: studiul factorilor moleculari si a reactiilor biochimice care controleaza expresia genica prin remodelarea conformatiei cromatinei. Modificarile biochimice, covalente ale componentelor fibrei nucleoproteice (ADN si histone) determina un cod epigenetic pentru fiecare din aceste componente. Informatia epigenetica reprezinta un nivel informational aditional celui genetic. Orice informative genetica este insotita obligatoriu de o informatie referitoare la modul si locul expresiei genice, respectiv, informatia epigenetica. Informatia epigenetica se transmite ereditar, dar, spre deosebire de informatia genetica ea este reversibila: poate fi restabilita in structuri corecte daca se intervine la timp fie prin medicatie, fie prin conditii ambientale adecvate.

2. Descrierea codului epigenetic la nivelul ADN-patternul sau distributia siturilor de citozina metilata si nemetilata in ADN: reactie generala, enzimilogie, substrate, donorul de grupe metil si produsul sau; metastabilitatea intermediarilor reactiei si mutagenicitatea siturilor metilate la care participa insasi enzimele DNMT.

Componentii reactiei de metilare ADN

-substratul (rest de citidina aflat in secvente repetitive CpG)

-enzima (ADN metil transferaza)

-donorul de grupe metil (S-adenozilmetionina)

-produsul reactiei (5Me citidina-restul de citidina metilat)

-S-adenozilhomocisteina (SAH)

Procesul de metilare replicativa ADN

Tipuri de metilaze ADN: de intretinere (ADNMT1) si "de novo"

3 Descrierea codului epigenetic la nivelul histonelor: tipuri de modificari covalente ale histonelor (tipul histonei si aminoacidul afectat si grupa chimica atasata prin transformarea covalenta).

Modificarile covalente ale histonelor

Capetele N-terminale (cozile histonice) pot fi expuse actiunii enzimelor (efectorilor)

catalizatoare ale reactiilor biochimice prin care se ataseaza sau indeparteaza grupe chimice cu rol de marcare a anumitor regiuni de interactie specifice din cadrul cozilor histonice. In mod special, resturile de aminoacizi bazici (lizina si arginina) din cozile H3 si H4 sunt expuse unor astfel de modificari, mai cu seama prin acetilare si metilare. Studiile recente au fost si alte modificari aditionale: fosforilarea, ADP ribozilarea. Capetele C-terminale, internalizate in structura nucleozomala prezinta fragmente mult mai mici de expunere la modificari covalente, deci sensibile la digestia cu tripsina. S-a observat totusi o exceptie de la aceasta regula: histona H2A poate fi modificata in capatul sau C-terminal, respectiv in restul de lizina 119, prin atasarea unei peptide de dimensiuni mici, denumita ubiquitina.

Proiect: Fiziologia analizatorului vizual Proiect: Ereditatea - perechi identice, mostenirea unui singur factor, factorul X, gene imperfecte, incrucisarea genetica, penetranta, poligene

5. Factori epigenetici in cancerogeneza, aging, boli asociate imprintingului 

In sidroamele PW/A este afectata regiunea critica a cromozomului 15q11.q13.

Sindromul Prader Willi este o anomalie cromozomiala secundara deletiei unor gene de pe bratul scurt al cromozomului 15 de origine paterna sau disomiei materne a cromozomului 15 (ambii cromozomi 15 avand origine materna). Trasaturile caracteristice sindromului sunt: reducerea miscarilor fetale, obezitatea, hipotonia, retardul mintal, statura mica, hipogonadismul, strabismul, miinile si picioarele mici. Sindromul Prader Willi este o boala genetica rara, cu o frecventa de 1: 15 000, afecteaza ambele sexe si a fost identificata la toate rasele.

Sindromului Angelman Factorul declansator al sindromului Angelman este reprezentat de o anomalie care apare pe cromozomul 15 mostenit de la mama. De cele mai multe ori este vorba de o delitie pe gena functionala UBE3A. Cercetatorii nu au gasit insa nici un segment anormal pe cromozomul15 al mamei. Se pare ca mutatia apare abia in perioada de embriogeneza.  Pentru un procent mic din cazuri s-a constatat ca sindromul Angelman a aparut datorita faptului ca ambii cromozomi 15 au fost mosteniti de la tata si nici unul de la mama. Exista si cazuri cand nu s-a putut observa nici o modificare pe gena raspunzatoare, insa exista posibilitatea ca mutatia sa fie prea mica pentru nivelul actual al tehnicii medicale.

Boala Wilson este o afectiune ereditara, determinata de tulburarile survenite in metabolismul cuprului. Manifestarile clinice sunt foarte variate si constau pntr-o asociere de afectari hepatice si neuropsihiatrice. Testele umorale referitoare la metabolismul cuprului sunt modificate (cupremia; cupruria; ceruloplasmina).

4. Relatia dintre cele doua coduri in procesul transcrierii- concret: elemente epigenetice care contribuie la stabilirea unei conformatii represeive/active ale cromatinei.

Cele doua coduri epigenetice amintite nu actioneaza separat, ci sinergic in controlul proceselor de remodelare a cromatinei, in etapele de expresie genica. Eucariotele prezinta o informatie epigenetica inscrisa prin intermediul conformatiei biomoleculelor informationale (acizi nucleici si proteine histonice / nonhistonice) care prezinta un grad mare de conservare, indiferent de secventa nucleotidica, deci de informatia genetica. Tipurile de modificari covalente biochimice sunt de asemenea in mare parte conservate ca si pattern-urile de distributie a siturilor modificate critice

din cadrul macromoleculelor informationale. Exista insa o anume variatie observata in cadrul organismelor eucariote in functie de gradul de complexitate al genomului.

Astfel, genomul drojdiilor, organisme unicelulare eucariote, isi  exercita functiile de expresie

genica (activare/inactivare) si de transmitere ereditara fara sa implice codul metilarii ADN. Drosophila, un organism pluricelular eucariot simplu, utilizeaza in controlul expresiei genice doar

forme ancestrale de metilare ADN, in decursul embriogenezei timpurii si in procesele de control al activitatii transpozomilor, iar unele organisme nevertebrate (insecte) folosesc metilarea ADN doar in anumite procese vitale, precum imprinting genomic. Remodelarea cromatinei prin intermediul codului histonic si al ARN de interferenat este utilizata ca mecanism de control al expresiei genice pe termen scurt la toate organismele eucariote. Metilarea ADN este consideratao forma de control al expresiei genice pe termen lung si se utilizeaza de catre un genom care prezinta o complexitate

superioara, referitoare la ponderea mare de secvente repetitive.

Care sunt factorii moleculari definitorii pentru instructiunile codificate in informatia epigenetica sub forma modificarilor covalente ale componentelor cromatinei (ADN si histone)? Trei tipuri de factori se disting in acest tablou al remodelarii conformatiei cromatinei:

(1) molecule capabile sase implice direct in modificarea ADN si histone, denumite "efectori" ai remodelarii cromatinei; acestia sunt reprezentati de enzime (ADN metiltransferaze, histon acetilaze, deacetilaze, metilaze etc.) catalizatoare ale proceselor fiziologice de modificare covalenta a resturilor de nucleotide (citidina) sau resturilor de aminoacizi (lizina, arginina, serina) implicate in structura macromoleculelor informationale (ADN, respectiv histone);

(2) molecule sau complecsi moleculari care au activitate de "senzori" sensibili sau "cititori" ai modificarilor covalente la nivelul ADN si histone; in urma modificarii covalente a histonelor se nasc noi afinitati si deci noi interactii intermoleculare prin care sunt atrasi (recrutati) noi membri ai familiei de molecule remodelatoare a cromatinei, iar acestia, la randul lor, modelandu-si afinitatile de legare, pot recruta in cascada, noi alte molecule; efectul final exercitat de activitatea acestor senzori este numit efect trans.

(3) macromoleculele ADN si histone/nonhistone modificate covalent direct, al caror marcaj prin atasarea anumitor grupe chimice, se poate implica direct in remodelarea conformatiei cromatinei (printr-un efect numit cis, exemplificat anterior, prin acetilare si deci modificarea direct a sarcinii nete in structura nucleozomala).