Epigenetik

Epigenetik
DNA dizilerinde herhangibir değişiklik
olmaksızın gen anlatımında oluşan stabil ve
kalıtsal değişimler epigenetik olarak
tanımlanır.
www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.tt0110
Epigenetik ne anlama gelir?
Transkripsiyon
•Sözlük anlamı genetiğin
yukarısında ve tepesindedir.
•Genellikle DNA dizi bilgisinin
dışında , DNA‟ya veya kromatine
DNA kovalent bağlarla oluşan
modifikasyonlardır.
Epigenetiik
Suskunluk
Epigenetik ne anlama gelir?
Epigenetik genetik olarak identik hücrelerin ve organizmaların
genomlarının farklı biçimlerde anlatım yapmaları ve fenotipik
farklılıklar oluşturmasıdır.
Farklı epigenetik
modifikasyonlar farklı gen
anlatımları oluştururlar.
Genetik olarak
identik hücreler
veya bireyler
Farklı fenotipler
X kromozomu inaktivasyonu
epigenetik suskunluk oluşturur.
X
X
X
XX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Dişi memelilerde X
kromozomlarından biri inaktiftir.
Kedilerde farklı tüy rengi (kısmi portakal rengi)
X-bağlı genlerce oluşturulur. Portakal rengi
gen için heterozigot olan dişi hangi X
kromozomunun inaktif olduğuna bağlı olarak
siyah ve portakal rengi renkler oluşturur.
Photo credit: DrL
Bitkilerde epigenetik programlama
transpozonları susturur ve
sentromer işlevinin devamlılığını
sağlar.
Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencing keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.
Photos courtesy of the Barbara McClintock Papers, American Philosophical Society . Zhang, W., et al. (2008) Plant Cell 20: 25-34..
Bitkilerde epigenetik programlama
gelişimde dönem geçişlerini sağlar.
Vegetatiften
üreme
evresine geçiş
Embiryonik‟den
to vegetatif
gelişime geçiş
Embiryonik
gelişim
Vegetative
development
Üreme evresi
İçerik
Epigenetik işaretler ve devamlılık
• DNA metilasyonları
• Histon modifikasyonları
Bitkilerde epigenetik genom düzenlemesi
•
•
•
•
•
Transposon suskunluğu
Çiçeklenme zamanının kontrolu
„imprinted‟ genlerin kontrolu
‘in trans’ Gen susturulması; Paramutasyon
Epigenom düzenlemesi
Epigenetik işaretler ve devamlılık
Ökaryotik DNA nukleosom şeklinde
paketlenir.
147 baz çifti DNA histon
oktamerini sarar.
~ 147 bp DNA
+
8 histon:
2 adet H2A
H2B
H3
H4
Kromozomlar heterokromatin ve
ökromatin bölgeler içerirler.
Yoğun paketlenme
heterokromatin
SENTROMER
Sentromer
çevresindeki DNA
genelde
heterokromatindir.
Gevşek
paketlenme
ökromatin
Nukleusta heterokromatin ve
ökromatin farklı bölgeler oluşturur.
Ökromatin
DAPI DNA boyama
Birleştirilmiş görüntü
Sentromerik
heterokromatin
Deal, R.B., Topp, C.N., McKinney, E.C., and Meagher, R.B. (2007) Repression of flowering in Arabidopsis
requires activation of FLOWERING LOCUS C expression by the histone variant H2A.Z. Plant Cell 19: 74-83.
Epigenetik modifikasyonlar
Epigenetik modifikasyonlar :
– DNA Sitosin metilasyonları
– Histon modifikasyonları
Bu değişimlerin dağılımı DNAsuskun, heterokromatin ve
aktif ökromatin haline getirir.
DNA metilasyonu
NH2
N
O
NH2
CH3
N
N
~
sitosin
O
DNA sitozin metilasyonu
ile kovalent değişim
gösterir.
N
~
5-metiysitozin
Metil
sitozin
TTCGCCGACTAA
Arabidopsis‟de
DNA metiltransferazları
• MET1 (METİLTRANSFERAZ1) – 5'-CG-3' bölgeleri
• Transposonların, repetitif elementlerin, bazı „imprint‟
genlerin susturulması.
• CMT3 (KROMOMETİLAZ) – 5'-CHG-3' bölgeleri
• (H= A, C veya T)
• Histon işaretleri ile ilişkiye girer.
• DRM 1, DRM 2 (YENİDEN DÜZENLENMİŞ 1 ve 2
DOMAINLERİ ) - 5'-CHH-3' bölgeleri
• Primer hedef repetitif elementler
• siRNA ların aktif hedeflemesine gereksinim gösterir.
CG metilasyonu DNA replikasyonu
sırasında uyarılabilir.
A T G C G T A C T
A T G C G T A C T
T A C G C A T G A
T A C G C A T G A
5’ A T G C G T A C T
3’ T A C G C A T G A
A T G C G T A C T
T A C G C A T G A
MET1
“DEVAMLILIK”
METİLASYON
A T G C G T A C T
T A C G C A T G A
Asimetrik metilasyon bölgeleri ek
bilgiye gereksinim gösterir.
A T G C A A A C T
T A C G T T T G A
5’ A T G C A A A C T
3’ T A C G T T T G A
A T G C A A A C T
T A C G T T T G A
}
Tekrar metilasyon
için ek bilgiye
gereksinim
gösterir.
Asimetrik metilasyon histonlar üzerindeki bilgi ile ve bir RNA-temelli mekanizma ile ,
RNA-aracılı DNA Metilasyonu (RdDM) bölgeleri sürdürülür (ve başlatılır) , bu
mekanizma DNA metilazları bu bölgelere yönlendirir.
Bazı bölgeler küçük „interfering
RNA‟lar (siRNAs) ile sürdürülür
A T G C A A A C T
T A C G T T T G A
5’ A T G C A A A C T
3’ T A C G T T T G A
A T G C A A A C T
A T G C A A A C T
T A C G T T T G A
T A C G T T T G A
siRNA
DRM1/2
Farklı DNA metilazlar farklı bölgeler
üzerinde etkilidirler.
met1 mutantında ,CG
metilasyonu yoktur,
MET1 CG
metilasyonundan
Sorumludur.
Lister, R., O’Malley, R.C., Tonti-Filippini, J., Gregory, B.D., Berry, C.C., Millar, A.H., and Ecker, J.R. (2008).
Highly integrated single-base resolution maps of the epigenome in Arabidopsis. Cell 133: 523–536.
Farklı DNA metilazlar farklı bölgeler
üzerinde etkilidirler.
Üçlü mutant
drm1, drm2
ve cmt3,
(ddc) tüm
non-CG
metilasyonu
yoktur, Bu
genler nonCG
metilasyonu
ile ilişkilidir..
Lister, R., O’Malley, R.C., Tonti-Filippini, J., Gregory, B.D., Berry, C.C., Millar, A.H., and Ecker, J.R. (2008).
Highly integrated single-base resolution maps of the epigenome in Arabidopsis. Cell 133: 523–536.
Heterokromatin DNA yüksek düzeyde
metillenmiştir.
Mavi = Gen yoğunluğu
Kırmızı = Repetitif
element yoğunluğu
YEŞİL= Metillenmiş
DNA
KAHVERENGİ =
met1 mutantında
metillenmiş DNA
DNA metilasyonu is
sentromer etfarındaki
repetitif elementlerde çok
yoğundur.
Reprinted from Zhang, X., et al. (2006) Genome-wide high-resolution mapping and functional analysis of DNA methylation in Arabidopsis. Cell 126: 1189–1201 with
permission from Elsevier.; Cokus et al., (2008) Shotgun bisulphite sequencing of the Arabidopsis genome reveals DNA methylation patterning. Nature 452, 215-219
Heterokromatin DNA yüksek düzeyde
metillenmiştir.
Mavi = Gen yoğunluğu
Kırmızı = Repetitif
element yoğunluğu
CG metilasyonu
perisentromerik
bölgelerde yüksektir
fakat CHH metilasyonu
daha yüksek
bulunmuştur.
Reprinted from Zhang, X., Yazaki, J., Sundaresan, A., Cokus, S., Chan, S.W.-L., Chen, H., Henderson, I.R., Shinn, P., Pellegrini, M., Jacobsen, S.E., and Ecker., J.R.
(2006) Genome-wide high-resolution mapping and functional analysis of DNA methylation in Arabidopsis. Cell 126: 1189–1201 with permission from Elsevier.;
Cokus et al., (2008) Shotgun bisulphite sequencing of the Arabidopsis genome reveals DNA methylation patterning Nature 452, 215-219 .
Histon modifikasyonları
Histon proteinleri kromatin yapısını
etkileyecek biçimde modifiye
olabilirler.
DNA
Histon oktamer
Histon
monomerlerinin
amino terminal
ucu nukleosom
dışına uzanır ve
modikasyona
açıktır.
NUKLEOSOME
Histon Kodu
• Histonlar
– Asetilasyon (Ac)
– Ubiquitinasyon (Ub)
– Metilasyon (Me)
– Fosforilasyon (P)
– Sumoylasyon (Su)
İle modifiye olurlar.
• Pozisyona bağlı olarak, bu durum transkripsiyonal
aktivasyon veya inaktivasyon oluşturur.
Örnek– H3 modifikasyonları
Me
H3
Me P
Ac
Me Ac
Ac
Me Me P
A R T K Q T A R K S T G G K A P R K Q L A T K A A R K S
4
9 10
14
1718
23
262728
H3 ün amino terminal ucu bir veya iki pozisyonda sıklıkla modifiye olur,
bu durum transkripsiyonun aktivasyonu veya inaktivasyonuna yol açar.
Örnek – H3 modifikasyonları
Me
H3
Me P
Ac
Me Ac
Ac
Me Me P
A R T K Q T A R K S T G G K A P R K Q L A T K A A R K S
4
9 10
14
1718
23
262728
H3 ün amino terminal ucu bir veya iki pozisyonda sıklıkla modifiye olur,
bu durum transkripsiyonun aktivasyonu veya inaktivasyonuna yol açar.
Lisin asetillenebilir, veya mono-, di-, or tri-metillenebilir.
Metillenmiş lisin
Mono (Kme1)
+
NH3
Lisin (K)
Di (Kme2)
N
+
NH2
+
NH
CH3
CH3
CH3
CH3
O
Acetillenmiş lisin
(KAc)
Tri (Kme3)
+
N
CH3
CH3
CH3
Histon modifikasyonları kromatin
yapısını etkiler.
Açık durum
H3
Me P
Ac
K4 S10 K14
Kapalı durum
H3
Me
Me P
K9
K27 S28
Farklı histon modifikasyonları genler ve
transposonlarla ilişkilidir.
Gen
mRNA
H3K4me
H3K4me aktif transkripsiyon yapan
mRNA ile ilişkilidir.
H3K9me
Me-C
Transposon
H3K9me metillenmiş DNA (Me-C) ve
transposonlar ile ilişkilidir.
Kırmızı= yüksek ilişki
Yeşil= düşük ilişki
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Lippman, Z., Gendrel, A.-V., Black, M., Vaughn, M.W., Dedhia, N., McCombie, W.R., Lavine, K.,
Mittal, V., May, B., Kasschau, K.D., Carrington, J.C., Doerge, R.W., Colot, V., Martienssen, R. (2004) Role of transposable elements in heterochromatin and epigenetic
control. Nature 430: 471-476 Copyright 2004.
H3K27me3 genler ile ilişkilidir.
Mavi = Gen yoğunluğu
Kırmızı = Repetitif
element yoğunluğu
H3K27me3
Arabidopsis „de
gence zengin
bölgelerde bulunur,
tekrarı fazla
bölgelerde
bulunmaz.
YEŞİL = H3K27me3
MOR = metilsitosin
Zhang, X., Clarenz, O., Cokus, S., Bernatavichute, Y.V., Pellegrini, M., Goodrich, J., Jacobsen, S.E. (2007) Wholegenome analysis of histone H3 lysine 27 trimethylation in Arabidopsis. PLoS Biol. 5: e129.
H3K27me3 metilasyonu Policomb
Repressif Kompleks 2‟ nedeniyle
oluşur.
Policomb
Represif
Kompleks 2
H3K27me3
Aktif genler
Susturulmuş gen
Drosophila
PRC2 core proteinleri
Drosophila
PRC2
korunmuş 4
core
E(Z)
ESC
proteininden
oluşur.
Enhancer zeste (E(Z))
SU(Z)12
NURF55
Ekstra seks comb (ESC)
Supressö r zeste 12 (SU(Z)12)
NURF55
Arabidopsis core PRC2 proteinlerinin
multipl formlarını içerir.
Drosophila PRC2
E(Z)
(methylase)
ESC
SU(Z)12
NURF55
Arabidopsis PRC2
CURLY LEAF (CLF)
MEDEA (MEA)
SWINGER (SWN)
FERTILIZATION
INDEPENDENT
ENDOSPERM
(FIE)
FERTILIZATIONINDEPENDENT SEED 2
(FIS2)
EMBRYONIC FLOWER 2
(EMF2)
VERNALIZATION 2 (VRN2)
MULTICOPY
SUPPRESSOR
OF IRA1
(MSI1,2,3,4,5)
Bitkiler farklı hedefler için multiple
PRC2 kompleksleri oluşturur.
Tohum gelişimi
MEA + FIS2 Kompleks
Çiçeklenmeye geçiş
CLF/SWN + VRN2 Kompleks
Çiçek organogenezi
CLF/SWN + EMF2 Kompleks
Hayvanlarda , H3K27me3
suskunluğu PRC1 ile südürülür.
Policomb
RepressifC
kompleks 2
Policomb
Repressive
Kompleks 1
H3K27me3
Aktif genler
s
Suskun genler
H3K27me3
Stabil suskun genler
Bitkilerde, PRC1-like işlevler
benzerdir.
PRC1-like
Policomb
Repressif
Kompleks 2
LHP1
H3K27me3
Aktif genler
Suskun genler
H3K27me3
Stabil suskun genler
LHP1 özellikle
H3K27me32 e
bağlanır.
LHP1, H3K27me3 ile birlikte
yerleşim gösterir.
LHP1 ve H3K27me3 dağılımlarına
dikkat ediniz.
Turck F, Roudier F, Farrona S, Martin-Magniette M-L, Guillaume E, et al. 2007 Arabidopsis TFL2/LHP1 specifically associates
with genes marked by trimethylation of histone H3 lysine 27. PLoS Genet 3(6): e86. doi:10.1371/journal.pgen.0030086
LHP1 , H3K27me3 ile birlikte
yerleşim gösterir.
Burada transposon
işareti H3K9me2 ile !
Turck F, Roudier F, Farrona S, Martin-Magniette M-L, Guillaume E, et al. 2007 Arabidopsis TFL2/LHP1 specifically associates
with genes marked by trimethylation of histone H3 lysine 27. PLoS Genet 3(6): e86. doi:10.1371/journal.pgen.0030086
Bir H2 variantı, H2A.Z bazı aktif
genler ile ilşkidedir. Aktif gen
İnaktif gen
SWR1/
SRCAP
kompleks
Histon variantı H2A.Z transkripsiyonu uyarır ve nukleosoma by
SWR1/SRCAP komplesi ile takas eder.
Bir H3 variantı, CENH3,
sentromerlere özgündür.
H3
CENH3
CENH3-içeren sentromer
H3K9me2-zengin perisentromer .
Sentromerdeki nukleosomlar H3 ile
birleşince CENH3 oluştururlar.
Redrawn from Jiang, J., Birchler, J.A., Parrott, W.A., and Dawe, R.K. (2003) A molecular view of plant centromeres. Trends Plant Sci. 8: 570-575 with permission from
Elsevier. Zhang, W., Lee, H.-R., Koo, D.-H., and Jiang, J. (2008) Epigenetic modification of centromeric chromatin: Hypomethylation of DNA sequences in the CENH3associated chromatin in Arabidopsis thaliana and maize. Plant Cell 20: 25-34.
Özet – epigenetik işaretler
DNA demetilasyonu
DNA metilasyonu
Histon asetilasyonu
Histon deasetilasyonu
Histon (de) metilasyonu
Histon (de) metilasyonu
Histon
variantları
Bitkilerde epigenetik kontrol
Bitkilerde epigenetik genom
düzenlenmesi
•
•
•
•
•
Transposon suskunluğu
Çiçeklenme zamanının kontrolu
„imprinted gen‟lerin kontrolu
‘in trans! gen suskunluğu; paramutasyon
Epigenom „resetting‟
Transposonlar
• Yeni kromozom bölgelerine
girebilen DNA parçaları.
• Bazıları kendilerini kopyalar
ve genom içerisinde sayılarını
arttırır.
• Tek gen mutasyonlarından ve
büyük kromozom yapı
değişimlerinden
sorumludurlar.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature Review Genetics. Surridge, C. (2001) Plant genetics: Turning off transposons. 2: 404. Copyright 2001.
Transposonlar
Transposabl
elementler Barbara
McClintock
tarafından Zea
mays da
bulundular.
Nobel Prize in
Physiology or Medicine
in 1983.
Barbara McClintock
Transpozisyon
gösteren mısır taneleri
Photos courtesy of the Barbara McClintock Papers, American Philosophical Society.
Transposonlar inaktif veya stabil
olmayan alleller oluşturabilirler.
Pigment
biosentezi için
gerekli gen
Yabani -tip allelli
Pigmentli tohumlu
İçine transposon
Yerleşen geni
Transposon çıkışı
stabil olmayan alleler
Oluşturur.
Mutant allel
Pigmentsiz tohum
Stabil olmayan allel
Kısmen pigmentli tohum
Doğal oluşan transposonlar genetik
varyasyon kaynağıdırlar.
21˚
15˚
Antirrhinum „da bir transposon sadece
düşük sıcaklıklarda aktiftir.
Hashida, S.-N. Uchiyama, T., Martin, C., Kishima, Y., Sano, Y., and Mikami, T., (2006) The temperature-dependent change in methylation of
the Antirrhinum transposon Tam3 is controlled by the activity of its transposase. Plant Cell 18:104-118.
Transposons yoğundurlar.
% transposon/ genom
•
•
•
•
•
•
•
Organizma
Maya - S. cerevisiae
Nematode - C. elegans
Arabidopsis thaliana
D. melanogaster
15%
Pirinç - Oryza sativa
Homo sapiens
Mısır - Zea mays
3%
6%
14%
14%
44%
60%
Source: Kidwell, M.G. (2002) Genetica 115: 49-63.
İnsan transposonlarının çoğu
suskundur.
evolüsyoner
olarak aktif
transposon
ailelerinin
sayısı
Pace , J.K., and Feschotte, C. (2007) The evolutionary history of human DNA transposons:
Evidence for intense activity in the primate lineage. Genome Res. 17: 422-432
Transposon suskunlaştırılması
• Mısırda birçok aktif transposon
vardır.
• Epigenetik suskunluğu
etkileyen mutantlar
transposonları suskunluktan
çıkarırlar.
• Epigenetik işaretler yabancı
DNA‟yı (transposonlar, virüsler)
• Susturmak üzere evolüsyon
geçirmişlerdir.
Photo by Damon Lisch, in Gross, L. (2006) Transposon silencing keeps jumping genes in their place. PLoS Biology 4(10): e353.
DNA metilasyonu transposonları
susturmak için gereklidir.
met1 veya ddm1
işlev kaybı (DNA
metilasyon 1
azaltır) mutantlar
hipometillenmiş
DNA içerirler.
Mavi = Gen
yoğunluğu
Kırmızı = Repetitif
element yoğunluğu
Yeşil = Metillenmiş
DNA
Kahverengi = met1
mutantında
metillenmiş DNA
Reprinted from Zhang, X., Yazaki, J., Sundaresan, A., Cokus, S., Chan, S.W.-L., Chen, H., Henderson, I.R., Shinn, P., Pellegrini, M., Jacobsen, S.E., and Ecker., J.R.
(2006) Genome-wide high-resolution mapping and functional analysis of DNA methylation in Arabidopsis. Cell 126: 1189–1201. With permission from Elsevier.
Transposonlar ddm mutantında
aktive olurlar.
DNA metilasyonundan
6 generasyon DDM
inaktivasyonu ile , yeni
insert transposonlar
genom boyunca
dağıldılar.
CAC3
CAC1
CAC4
CAC2
Sarı bölge orijinal
insertyinsertion, mavi ve
kırmızı yeni insertler.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Miura, A., Yonebayashi, S., Watanabe, K., Toyama, T., Shimada, H., and Kakutani, T. (2001)
Mobilization of transposons by a mutation abolishing full DNA methylation in Arabidopsis. Nature 411: 212-214. Copyright 2001.
ddm Mutantlarında aktive edilmiş
transposonlar mutasyonlar oluştururlar.
Yabani-tip
Bir generasyon Üç generasyon Beş generasyon
sonra
sonra
sonra
DDM inaktivasyonu sonrası, bitkiler transposonlar sonucu
oluşan mutasyonlarla garip biçimler alırlar.
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.
Transposonların DNA metilasyonları ile
epigenetik suskunluğu genomik
integrite için elzemdir.
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.
Repetitif DNA ve transposonlarda
suskunluğun başlatılması ve
sürdürülmesi
Genom özel olarak repetitif elementleri ve
transposonları nasıl tanır ve susturur?
“kendinden ” (genler) “kendinden olmayan” nasıl tanınır?
“genomik immün tanıma ” sisteminin temeli nedir?
Repetitif elementler ve transposonlar
aktif olarak susturulurlar.
Transposon susturulması aktif,
dinamik bir işlevdir ve siRNA
üretimine gereksinim duyar,
epigenetik uyarımlar gerekir.
Küçük interfering RNAlar (siRNAs)
perisentromerik bölgelerde
oluşurlar.
Small RNAs
Küçük RNA homologlarının RNA-homolog lokusları
tekrar dizi sınıfları, örneğin transposon taşıyan sentromerik ve
perisentromerik bölgelerde yoğun olarak bulunurlar.
Kasschau, K.D., Fahlgren, N., Chapman, E.J., Sullivan, C.M., Cumbie, J.S., et al. 2007 Genome-wide profiling and analysis of
Arabidopsis siRNAs. PLoS Biol 5(3): e57.
siRNAlar DNA metilazları ve histonmodifiye edici enzimleri hedefe
toplar.
DRM1/2
siRNA
Dicer-benzeri(DCL)
nukleaz siRNA lar
oluşturur bunlar
Argonaute (AGO)
proteinlerine bağlanırlar
ve DRM1 ve DRM2 gibi
enzimleri modifiye ederek
DNA hedeflerine yollarlar.
.
siRNAlar DNA metilazları ve histonmodifiye edici enzimleri hedefe
toplar.
RNA-bağımlı RNA
Polimeraz (RdRP)
sinyali amplifiye eder
ve sekonder siRNA
lar oluşturur.
RdRP
siRNA
Sekonder
siRNA
siRNAlar DNA metilazları ve histonmodifiye edici enzimleri hedefe
toplar.
2 bitki özgün RNA
polimeraz, RNA Pol
IV ve RNA Pol V,
siRNA-aracılı
suskunluğa yardımcı
olurlar.
Transposonların ve repetitif
elementlerin epigenetik suskunluğu
Transposonlar mutagenik aktiviteyi sıkı biçimde kontrol ederler ve
önlerler. Epigenetik kontrol DNA metilasyonu, histon modifikasyonu
ve siRNA üretimi ile olur.
Endogen genlerin ve gelişim
olaylarının epigenetik düzenlenmesi
Çiçeklenme zamanının epigenetik
kontrolu
Uzun soğuk
uygulaması
Üreme gelişimi
Vegetatif
gelişme
Sonbahar
Kış
İlkbahar
Bazı bitkiler uzun soğuk uygulamasına
(vernalization) gereksinim duyarlar –
Çiçeklenme periyoduna geçmeden önce
kış uygulamasına gereksinim duyarlar.
ÇÇİÇEKLENME LOKUSU C (FLC)
mutantlar erken çiçeklenirler.
Sonbahar
Kış
İlkbahar
FLC bir çiçeklenme
inhibitörüdür FLC vernalization
gereksinimini yok eder.
FLC FT’i inhibe eder, bir çiçeklenme
aktivatörüdür.
Yabani tip
bitki
FLC
FT geni
FT geni transkripsiyonu
FLC bağlanması ile
durdurulur.
flc mutantı
FT geni
FT
FLC vernalizasyon ile susturulur.
4°C „de 40 gün sonra ,
FLC anlatım yapmaz.
22°C‟ye döndükten 20
gün sonra FLC
anlatımı halen yoktur.
Sonbahar
FLC gen anlatımı
Kış
İlkbahar
FLC suskunluğu
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization
in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. Copyright 2004.
FLC epigenetik modifikasyonlarla
düzenlenir.
H2A.Z inkorporasyonu
H3K4me, H3K36me
H3K9Ac, H3K14Ac
H3K9me2, H3K27me2
soğuk
Sonbahar
FLC gen anlatımı
Kış
İlkbahar
FLC suskunluğu
Vernalizasyon sırasında FLC
epigenetik modifikasyonları
P
V
+
U
-
-
FLC geni promotörü (P), intron
(V) ve 3‟UTR (U) histon
modifikasyonları.
Vernalizasyon önvesi , P ve V
aktive edici modifikasyonları
(H3Ac), ve vernelizasyon
sonrası inhibe edici
modifikasyonları (H3K27me,
H3K9me) göstermektedir.
NV = vernalizasyon yok
VT0 = 40 gün 4°
VT7 = 40 gün 4° sonra 7
gün 22°
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization
in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. Copyright 2004.
FLC geni vernelizasyon sırasında
epigenetik olarak modifiye edilir.
P
V
U
İntron quantifikasyonu
+
-
H
H3Ac
H3K27me
H3K9me
NV = vernalizasyon yok
VT0 = 40 gün 4°
VT7 = 40 gün 4° sonra 7
gün 22°
2°
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization
in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. Copyright 2004.
VIN3 vernalizasyon ile uyarılır.
Sonbahar
VIN3 geni suskun
Kış
İlkbahar
VIN3 geni transkripsiyon
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization
in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. Copyright 2004.
VIN3 geni FLC modifikasyonu için
vernalizasyon sırasında gereklidir.
Yabani tip bitkiler
+
-
H3Ac
H3K27me
vin3 mutant bitkiler
+
-
H3K9me
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE Sung, S., and Amasino, R.M. (2004) Vernalization
in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. Copyright 2004.
VIN3 ve PRC2 kompleksi epigenetik
olarak FLC‟yi sustururlar.
VIN3
FLC geni transkripsiyon
Sonbahar
PRC2
(VIN3
dahil )
Kış
FLC geni suskun
İlkbahar
LHP1, a component of PRC1-like, is
required to maintain FLC silencing
Days after removal from cold
NV
40DV
1
5
10
Wild-type
FLC mRNA
Before
vernalization
After
vernalization
In wild-type plants, FLC levels
remain low after returning plants to
warm temperatures.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE GENETICS. Sung, S., He, Y., Eshoo, T.W., Tamada, Y.,
Johnson, L., Nakahigashi, K., Goto, K., Jacobsen, S.E., and Amasino. R.M. (2006) Epigenetic maintenance of the vernalized state
in Arabidopsis thaliana requires LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1. Nature Genetics 38: 706 – 710. Copyright 2006.
LHP1 FLC suskunluğu için
gereklidir.
Soğuk sonrası günler
NV
40DV
1
5
10
Yabani tip
FLC mRNA
lhp1 mutant
FLC mRNA
Before
vernalization
After
vernalization
lhp1 mutantlarında , FLC düzeyleri
bitkileri sıcağa transfer edince
değişir.Bu durum suskunluğun
stabil olmadığını gösterir.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE GENETICS. Sung, S., He, Y., Eshoo, T.W., Tamada, Y.,
Johnson, L., Nakahigashi, K., Goto, K., Jacobsen, S.E., and Amasino. R.M. (2006) Epigenetic maintenance of the vernalized state
in Arabidopsis thaliana requires LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1. Nature Genetics 38: 706 – 710. Copyright 2006.
LHP1 FLC suskunluğunun devamı
için gereklidir.
Yabani tip
FLC mRNA
lhp1 mutant
FLC mRNA
PRC2
FLC geni transkripsiyonu
PRC1-like
FLC geni suskun
Suskunluk devam eder.
Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE GENETICS. Sung, S., He, Y., Eshoo, T.W., Tamada, Y.,
Johnson, L., Nakahigashi, K., Goto, K., Jacobsen, S.E., and Amasino. R.M. (2006) Epigenetic maintenance of the vernalized state
in Arabidopsis thaliana requires LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1. Nature Genetics 38: 706 – 710. Copyright 2006.
Çiçeklenme zamanının epigenetik
kontrolu
• Vernalizasyon sırasında , FLC suskunluğu FT
anlatımına ve diğer promotörlerin anlatımına
yol açar.
• VIN3 ve PRC2 kompleks proteinleri epigenetik
olarak FLC „yi modifiye eder ve susturur.
• VIN3 anlatımının nasıl uyarıldığı
bilinmemektedir.
• Suskun evrenin devamlılığı PRC1-like kompleksi
ve LHP1 gerektirir.
„imprinted‟ genlerin epigenetik
kontrolu
Genomik „imprinting‟
•Zigot her genin biri anneden biri
babadan gelen 2 kopyasını taşır.
•Lokusların çoğunda her iki gen de
aktiftir.
Genomik „imprinting‟
•Zigot her genin biri anneden biri
babadan gelen 2 kopyasını taşır,
•Lokusların çoğunda her iki gen de
aktiftir.
•Bazı „imprinted „ lokuslar , show a
“babadan gelen genler etkilidir.”.
•Bu genlerin anlatımı epigenetik
faktörlerle oluşur.
Imprinting – nuklear transplant
deneyleri
Nukleusu çıkarılmış
döllenmiş bir yumurta
hücresine sperm ve
yumurta nukleusu zigot
normal embiryo geliştirir.
Imprinting – nuklear transplant
deneyleri
Sadece yumurta veya sadece
sperm nukleusu alan zigotlar
gelişemezler.
Imprinting – nuklear transplant
deneyleri
İki ebeveyn
genom eşdeğer
değildir.
Sadece yumurta veya sadece
sperm nukleusu alan zigotlar
gelişemezler.
„Imprinting‟ Angiospermler
Angiospermler genomik imprinting gösterirler fakat onların
çoğalması hayvanlarınkinden daha karışıktır.
Angiosperm çoğalması
Mayoz
Mikrospor
n
Mitoz
n
Megaspor
Çok hücreli
haploid
gametofitler
Yumurta ve
sperme
farklılaşma
Mitoz
Sporofit
2n
Tek hücreli diploid
zigot
Fertilizasyon
Dişi ve erkek gametofit gelişimi
Vegetatif hücre
mayoz
n
2n
Mikrospor
ana hücresi
mitoz
Megaspor
ana hücresi
2 hücreli erkek
Gametofit (Pollen
tanesi)
Mikrospor
mayoz
2n
Generatif hücre
mitoz
Merkez hücre
n
Megaspor
Yumurta hücresi
8 hücreli dişi gametofit
(Embiryo kesesi)
Çifte Döllenme
Generatif
hücrede mitoz
bölünme
3n endosperm
Bir sperm hücresi
yumurta hücresini
döller, diploid zigot
oluşur.
İkinci sperm nukleusu
polar nukleuslarla
birleşir ve triploid
endosperm oluşturur.
2n zigot
Pollen tüp
büyümesi
MEDEA (MEA) geni „imprint‟
gendir.
MEA/mea x
MEA/MEA
Tüm tohumlar yaşamla bağdaşır
MEA/MEA x
MEA/mea
%50 tohum gelişemez.
From: Grossniklaus, U., Vielle-Calzada, J.-P., Hoeppner, M.A., Gagliano, W.B. (1998) Maternal control of embryogenesis by
MEDEA, a Polycomb Group gene in Arabidopsis. Science 280: 446-450. Reprinted with permission from AAAS.
MEDEA (MEA) geni „imprint‟
gendir.
MEA/mea x
MEA/MEA
Tüm tohumlar yaşamla bağdaşır
MEA/MEA x
MEA/mea
%50 tohum gelişemez.
İkinci çaprazlamada , % 50 tohum resesif mutant mea alleli annesinden
alır.
Bu tohumlar gelişemezler, yabani tip MEA alleli babalarından almış
olsalar bile.
From: Grossniklaus, U., Vielle-Calzada, J.-P., Hoeppner, M.A., Gagliano, W.B. (1998) Maternal control of embryogenesis by
MEDEA, a Polycomb Group gene in Arabidopsis. Science 280: 446-450. Reprinted with permission from AAAS.
MEDEA (MEA) geni „imprint‟
gendir.
MEA/mea x
MEA/MEA
MEA
Tüm tohumlar yaşamla bağdaşırmea
MEA/MEA x
MEA/mea
%50 tohum gelişemez.
x
MEA
MEA
MEA
MEA
MEA
mea
Paternal allel suskundur.
Dölün fenotipi tamamen
maternal allele bağlıdır.
MEA hücrelerin çoğunda
suskundur.
MET1
Babadan kalıtılan MEA
alleli suskundur.
MEA
MEA MET1 ile
vegetatif
dokularda ve
erkek gametofitte
metillenmiştir
MET1
MEA
MEA
MEA hücrelerin çoğunda suskundur.
MET1
MEA
MEA MET1 ile
vegetatif
dokularda ve
erkek gametofitte
metillenmiştir
MEA dişi gametofitte demetilasyona
uğrar ve anlatım yapar.
MET1
MET1
MEA
MEA
DME1
MEA
MEA
MEA kendi „imprinting‟ini düzenler.
•MEA PRC2‟nin bir bileşkenini kodlar.
•Triploid endospermde, parental allelde
devam eden suskunluk PRC2 tarafından
histon modifikasyonuna gereksinim gösterir.
PRC2
MEA
MEA
MEA
MEDEA
‘in trans’ suskunluk; FWA
suskunluğu
FWA
Kapal
ı
Açık
FWA bir diğer imprinted gendir. MEA gibi dişi
gametofitte anlatımı olur.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
FWA
fwa-1
fwa-1 epialleli hipometillenmiştir ve vegetatif
dokularda anlatım yapar.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
FWA
Agrobacterium tumefaciens- aracılı
transformasyon da, bir metillenmemiş
FWA geni bitki kromozomlarına
yerleştirilmiştir.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
Yabani tip bitki
FWA allel
Yabai tip FWA alleli,
trans allel suskun.
trans allel
fwa bitki
fwa-1 allel
trans allel
fwa-1 alleli, tarns
allel aktif.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
Yabani tip bitki
FWA alleli
trans alleli
DRM2
fwa bitki
fwa-1 alleli
trans alleli
Yabani FWA alleli,
metilasyon siRNA
ve DRM2 ile
sürdürülür, ayni
zamanda aktarılan
FWA geni in trans
etkilenir..
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
Bir FWA geni
tek tekrarın
delesyonu olursa
DNA
metilasyonunu
uyaramaz.
Chan, S.W.-L., Zhang, X., Bernatavichute, Y.V., and Jacobsen, S.E.(2006) Two-step recruitment of RNA-directed DNA
methylation to tandem repeats. PLoS Biol. 4: e363.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
DRM2
FWA geni
upstream‟deki
tandem repeat
siRNA üretimini
uyarır ve bunlar
metilasyon ve
suskunluk için
gereklidirler
Bir FWA geni bir
takrar delesyona
uğrarsa DNA
metilasyonunu
uyaramaz.
Chan, S.W.-L., Zhang, X., Bernatavichute, Y.V., and Jacobsen, S.E.(2006) Two-step recruitment of RNA-directed DNA
methylation to tandem repeats. PLoS Biol. 4: e363.
‘in trans’ suskunluk; FWA suskunluğu
DRM2
FWA geni
upstream‟deki
tandem repeat
siRNA üretimini
uyarır ve bunlar
metilasyon ve
suskunluk için
gereklidirler.
Transposonlar ve repetitif
elementlerin temel yapısında
tandem tekrarlar bulunur.Bunların
varlığı epigenetik mekanizmaları
tetikler ve bitkiler potensiyal
“foreign” DNA‟ sustururlar..
Chan, S.W.-L., Zhang, X., Bernatavichute, Y.V., and Jacobsen, S.E.(2006) Two-step recruitment of RNA-directed DNA
methylation to tandem repeats. PLoS Biol. 4: e363.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
aramutasyon: Ayni lokustaki iki allel arasındaki ilişkiden
oluşur, Bir alleldeki kalıtsal değikiklik diğeri tarafından
uyarılır. Mısırda b1 lokusu paramutagenik bir allel içerir.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
B-I allele
(yüksek düzeyde aktif)
Aktif B-1 allelli bitkiler
çok fazla antosyanin
pigmentasyonu
içerirler.
Paramutasyon: Ayni lokustaki iki allel arasındaki ilişkiden
oluşur, Bir alleldeki kalıtsal değikiklik diğeri tarafından
uyarılır. Mısırda b1 lokusu paramutagenik bir allel içerir.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
B-I allele
(yüksek düzeyde aktif)
B' allele
(zayıf aktif)
B' alleli zayıf biçimde
aktiftir, ve bitkiler
açık renklidirler.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
B-I alleli
(yüksek düzeyde aktif)
B' alleli yoğun
biçimde
metillenmiştir.
B' alleli
(zayıf aktif)
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
X
B' / B'
B-I / B-1
Bu iki homozigot
ebeveynin
çaprazlaması sonucu
nasıl bireyler oluşur?
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
X
B-I / B-1
B' / B'
F1 mor olmalıdır, çünkü B1 alleli dominanttır.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
X
B-I / B-1
B' / B'
B' alleli paramutasyonla B-1
B„ ne çevirir , ve bitki açık
renkli olur.
‘in trans’ suskunluk; paramutasyon
Paramutasyon
Bu sistem genetik
mutasyonların mısırda
paramutasyon ile
taranmasını sağlar. Bu
çalışmalar göstermiştir ki in
trans etkili siRNA
paramutasyonun temelidir.
Resetting epigenom
FLC AÇIK
Sonbahar
FLC geni
generasyonlar
arasında ne
zaman açılır?
FLC KAPALI
Kış
İlkbahar
>Hayvanlarda, imprinted genler
gametogenesis sırasında
resettlenirler.
Paternal allel suskun
Maternal allel actif
Zigot ve somatik hücreler
Spermatogenesis
Sırasında iki allel
de suskunlaşır.
Oogenesis
sırasında iki allelde
aktifleşir.
Bitkilerde epigenetik yeniden
programlama
Large-scale epigenetik değişimler
endospermde ve erkek gametofitin vegetatif
nukleusunda gözlenir.
Vegetatif nukleus
Generatif hücre
3n endosperm
Endospermde heterokromatin
fraksiyonu indirgenmiştir.
EMBİRYO NUKLEUSU
ENDOSPERM NUKLEUSU
H3K9me
H3K27me2
DNA
Histone Merged
mark
DNA
Histone Merged
mark
Endosperm nukleusunda, heterokromatin işaretler; H3K9me ve K3K27me2
ökromatin içersine dağılmıştır, genome-wide epigenetik değişimler oluşturur..
Baroux, C., Pecinka, A., Fuchs, J., Schubert, I., and Grossniklaus, U. (2007) The triploid endosperm genome of
Arabidopsis adopts a peculiar, parental-dosage-dependent chromatin organization. Plant Cell 19: 1782-1794.
Endosperm DNAsı embiryoya kıyasla is
demetillenmiştir
Embryo
Demetilasyon
GENLER
Endosperm
Embryo
TRANSPOSONLAR
Endosperm
Demetilasyon
From Hsieh, T.-F., Christian A. Ibarra, C.A., Silva, P., Zemach, A., Eshed-Williams, L., Fischer, R.L., and Zilberman, D. (2009)
Genome-wide demethylation of Arabidopsis endosperm. Science 324: 1451-1454. Reprinted with permission from AAAS.
Pollen vegetatif hücrelerindeki
transposonlar hipometillasyon
gösterirler.
Saf sperm hücreleri
İçi dolu kutular
sitosin
metilasyonunu
gösterir.
Total pollen
Hipometiasyon
Reprinted from Slotkin, R.K., Vaughn, M., Borges, F., Tanurdžić, M., Becker, J.D., Feijó, J.A., and Martienssen, R.A. (2009) Epigenetic
reprogramming and small RNA silencing of transposable elements in pollen. Cell 136: 461-472. Copyright 2009, with permission from Elsevier.
Transposonlar pollede özel olarak
aktive edilirler.
POLLEN RNA
Yatay sıralar farklı
transposonların
aktivasyonunu
göstermektedir.
Dikey sıralar farklı
doku tipleridir..
Yeşil yüksek düzeyde
aktivasyonu gösterir.
Reprinted from Slotkin, R.K., Vaughn, M., Borges, F., Tanurdžić, M., Becker, J.D., Feijó, J.A., and Martienssen, R.A. (2009) Epigenetic
reprogramming and small RNA silencing of transposable elements in pollen. Cell 136: 461-472. Copyright 2009, with permission from Elsevier.
Gelişme sırasında epigenetik
işaretlerin kurulması
• Angiosperm üremesi sırasında
epigenetik işaretler tekrar kurulur
• Suskun genlerin aktivasyonu
RNA-aracılı DNA metilasyon
yolları ile oluşur.
Germ hücresi olmayan hücrelerde
epigenetik işaretlerin yeniden
kurulması?
Vegetatif
nukleus
Sperm
hücreleri
Bu amaçla oluşturulan
siRNA‟lar ve generatif
nukleusa girerek yeniden
programlamaya yardımcı
olurlar, germ hücrelerindeki
transposonların mutasyon
yapıcı etkilerinden
korunulmuş olur..
Redrawn from Slotkin, R.K., Vaughn, M., Borges, F., Tanurdžić, M., Becker, J.D., Feijó, J.A., and Martienssen, R.A.
(2009) Epigenetic reprogramming and small RNA silencing of transposable elements in pollen. Cell 136: 461-472.
Özet
• DNA‟nın anlatımı epigenetik işaretler DNA
metilasyoları ve histon modifikasyonları ile
kontrol edilir.
• siRNA‟lar epigenetik programlamaya
yardımcı olurlar.
• Epigenetik programlamada transposon
suskunluğu birçok genin anlatım zamanını
kontrol ederk biiki gelişimini kontrol eder.