EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR VE ERKEK İNFERTİLİTE İLİŞKİSİ

EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR
VE
ERKEK İNFERTİLİTE İLİŞKİSİ
Yrd. Doç. Dr. Hakan GÜRKAN
Trakya Üniv. Tıp Fak. Tıbbi Genetik A.D.
EPİGENETİK
NEDİR ?
EPİGENETİK NEDİR ?
• Temel DNA dizi değişikliği olmadan, gen
ifadesinde
veya
hücresel
fenotipte
hücre
bölünmesi (mitoz ve/veya mayoz) boyunca bir
nesilden
değişikliktir.
diğerine
geçebilen
kalıtımsal
Epigenetik: Aynı genom, farklı fenotip, farklı gen anlatım profili
Monozigotik ikizler ortak bir
genotipi paylaşırlar ve
genetik olarak identiktirler
Önemli fenotipik
uyumsuzluk sonucu:
Mental Hastalıklar
Kanser
Agouti “İkiz” Kardeşler
Epigenetik Değişim
Ancak epigenetik değişimler geri dönüşümlü
oluşları ve DNA’nın baz dizisinde bir değişime
neden olmamaları gibi özellikleriyle genetik
değişimlerden ayrılırlar.
EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR NELERDİR?
• DNA metilasyonu,
• Histon metilasyonu,
• Histon asetilasyonu,
• Histon fosforilasyonu ve
• Kromatin
yeniden
düzenlenmesi
gibi
nükleozom konumunu değiştirerek tüm kromatin
yapısı
üzerinde
düzenlemelerdir.
doğrudan
etki
eden
EPİGENETİK MEKANİZMALAR
• Epigenetik mekanizmalar DNA ve histonlar
arasındaki ilişkiyi düzenleyerek, genlerin
transkripsiyonel olarak aktif veya inaktif
olmalarını sağlarlar.
Epigenetik Mekanizmalar
1. Transkripsiyonel
A. Histon modifikasyonları
B. DNA metilasyonu
2. Post - transkripsiyonel

RNAi
Bu mekanizmalar esas olarak transkripsiyon regülatörlerinin
DNA’ya ulaşabilirliğini etkilerler.
1. TRANSKRİPSİYONEL
MEKANİZMALAR
A. Histon Modifikasyonları
1.Histon asetilasyonu / deasetilasyonu
2.Histon metilasyonu
3.Serin veya treoninlerin fosforilasyonu
4.Glutamik asitlerin ADP-ribozilasyonu
5.Histon ubiquitinasyonu
Histon Asetilasyonu
Hipoasetilasyon:
Nükleozomlar
arası güçlü
bağlantılar
Histone
deacetylase
Asetilasyonun 2 fonksiyonu vardır:
1. Pozitif yüklü lizin rezidülerini nötralize
eder.
2.
Histon uçları ile yapısal proteinler
arasındaki bağlantıları destabilize eder.
Hiperasetilasyon (sarı):
Nükleozomlar arası zayıf bağlantılar:
Histon uçları DNA’yı sınırlamaz ve
transkripsiyon faktörleri DNA’ya bağlanabilir.
Histon Modifikasyonu
Mekanizma:
•
•
•
Acetylation of H3 or H4 leads to unfolding and accessibility of
chromatin (histone acetyltransferases)
Methylation of K4 of H3 = active gene expression
Methylation of K9 of H3 = gene silencing
DNA METİLASYONU
• Gen
ifadesini
değiştirerek
hücre
fonksiyonlarını değiştiren ve bir metil
grubunun
kovalent
şekilde
DNA
metiltransferaz (DNMT) katalizinde, bir
CpG dinükleotidindeki Sitozinin 5.
karbonundan yapıya eklenmesini ifade
eden epigenetik bir modifikasyondur.
DNA METİLASYONU
• DNA metilasyonunun en önemli görevi
gen regülasyonu’dur.
DNA metilasyon özellikleri
• Transkripsiyonal “silencing”
• Genomu transposizyondan koruma
• Genomik imprinting
• X inaktivasyonu
• Doku spesifik gen anlatımı
DNA METİLASYONU
• DNA
metilasyonu,
insanlarda
ve
pek
çok
memelide yalnızca Guanozin (G) tarafından
takip edilen Sitozin (C) bazını etkiler.
• Yalnızca CpG alanlarında gözlenir.
DNA METİLASYONU
DNA METİLASYONU
DNA METİLASYONU
• İnsan DNA’ sındaki tüm CpG alanlarının
% 70-80’ i metillenmiştir.
EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR
ve
TRANSKRİPSİYON ÜZERİNE ETKİLERİ
CpG NEDİR ?
• CpG, Sitozin fosfo Guanin anlamına gelir.
• İnsanlarda CpG dinükleotidi sıklığının ölçüsü
çok
azdır,
bu
CG
bahsedilen bir olaydır.
baskılanması
olarak
GC Baskılanması
• İnsan genomunun başından sonuna kadar
300- 3000 bç uzunluğundaki küçük alanlar
haricinde, çok belirgindir.
• Bu alanlara CpG adacıkları denilmektedir
ve genomun %1 kadarında bulunduğu
düşünülmektedir.
CpG ADACIKLARI NEDİR ?
•
Retinoblastoma gen bölgesindeki CpG adacıkları. Noktalı çizgi CpG alanlarının
istatiksel olarak beklenen sıklığı (1/16) temsil etmekteyken, grafik ise Rb geninin
ekzon ve intronlarını da içeren 180 kb lık DNA sekansındaki CpG alanlarının
sıklığının istatistiksel ölçüsünü temsil etmektedir. İki CpG adacığının yeri oklarla
gösterilmektedir. Yalnızca 5’ ucuna en yakın CpG adacığı genin promotoruna
rastlamaktadır.
CpG ADACIKLARI
• CpG adalarının öncelikli olarak, ifade olan
genlerin 5’ bölgesinde bulundukları
gözlenmiştir ve insan promotorlarının %
60’ından fazlası bu CpG adalarını
içermektedir.
CpG ADACIKLARI
• Promotorlardaki CpG adaları metillendikleri zaman gen
sürekli sessiz hale gelir ve bu sessizlik mitoz bölünmeler
boyunca aktarılır.
• Bu sebeple CpG adacıklarının metilasyonu epigenetik
bir modifikasyonu temsil eder.
Bir genin metillenme derecesi neyi
ifade eder ?
• Bir genin metillenme derecesi ile ifade edilme
derecesi arasında ters bir ilişki vardır.
• Metillenme oranı gen ifadesi oranı
• Metillenme oranı gen ifadesi oranı
Bir genin metillenme derecesi neyi
ifade eder ?
• Metillenme dokuya özgüdür ve bir
kere gerçekleşince o dokunun bütün
hücrelerine aktarılır.
DNA metilasyonu gen ifadesini nasıl kontrol eder ?
• 1- Metillenmiş promotor bölgelerine bağlanabilen proteinlerin hedef
dizilere (sekanslara) bağlanarak, esas bağlanması gereken
transkripsiyon faktörlerinin buralara bağlanmasını engelleyerek,
• 2- Transkripsiyon faktörlerinin metillenmiş sitozine bağlanmasını
engelleyerek,
• 3- Kromatin yapısını değiştirerek transkripsiyon miktarında bir
değişim gerçekleştirerek.
2. POST-TRANSKRİPSİYONEL
MEKANİZMALAR
 RNA İNTERFERENCE
(RNAi)
 RNA interferens, çift zincirli RNA (double stranded RNA; dsRNA)
tarafından başlatılan dizi spesifik post-transkripsiyonel gen
sessizleştirme sürecidir.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Cinsiyet
farklılaşmasını
düzenleyen
önemli
olaylar
örneğin;
- “genomik imprinting” (genlerin sadece paternal ya da
sadece maternal olarak ifade edilmesi, paternal gen aktif
ise maternal gen suskundur),
- X-kromozom inaktivasyonu ve
- Embriyonik gelişim DNA metilasyonu ile ilişkilidir.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Metilasyon
somatik
hücrelere
kalıcı
şekilde
aktarılırken, gelecek nesilde bu metilasyon işaretleri
ortadan kaldırılarak yeniden oluşturulabilir.
• Genom kapsamında, oosit DNA’sı hipometillenmeye
meyilliyken sperm DNA’sı hipermetilasyona meyillidir.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Fertilizasyonun ardından dişi ve erkek pronükleusları
aynı gelişimi göstermediklerinden, dişi ve erkek
gametlerindeki metilasyon seviyesi embriyoların gelişim
potansiyellerini etkileyebilir.
• Gametlerdeki anormal metilasyon seviyesi, bu gametler
normal görünseler de, implantasyon başarısızlıklarına
neden olabilir.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Erkek germ hücrelerinde DNA metilasyonunun
kazanımı mitotik ve mayotik germ hücrelerinde
doğumdan sonra devam eder ve mayoz I’in
pakiten evresinde tamamlanır.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Spermatogeneze özgü genleri araştıran
çalışmalar,
DNA
sperm
genomunda
metilasyonunun
doğru
kazanılmasının,
sperm olgunlaşmasının kritik bir yüzünü
temsil edebileceğini ifade etmektedir.
DNA metilasyonu ve erken embriyogenez
• Metilasyon, erkek germ hücre serisinde, somatik
dokular ile karşılaştırıldığında özgündür: Doğum
öncesi
fetal
gonadda
başlar
ve
spermatogenez süresince tamamlanır.
postnatal
DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?
• Spermatogenez ve epididimal taşınma sırasında
meydana gelir.
• Sperm genomunda DNA metilasyonu spermatozoanın
maturasyonunda son derece önemli bir reaksiyondur.
DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?
• Spermatogonial’den
spermatosit
transisyonu
boyunca metilasyonun hem kaybı hem de
kazanımı gerçekleşir.
DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?
• Bazı testise özgü tek kopya genler (fosfogliserat
kinaz-2, transisyon protein 1) spermatogenez
boyunca ekspresyonlarında demetile olurlar.
Sperm DNA’sının Metilasyonu
• Memeli
sperm
DNA’sının
somatik
hücrelerden daha az, premayotik germ
hücrelerinden daha çok 5-metil-sitozin
(metillenmiş DNA), içerdiği rapor edilmiştir.
5’-azasitidin
• Erkek germ hücresi gelişiminde DNA
metilasyonunun
etkisi,
5’-azasitidinin
spermatogeneze etkisi ile gösterilmiştir.
5’-azasitidin
• 5’-azasitidinin replikasyon sırasında DNA’ya girer ve
DNA metilasyonunu bloke eder. Böylece;
- testiste ve epididimiste kondanse olmuş spermatid ve
sperm sayısı azalır ve
- implantasyon öncesi embriyo gelişiminde anormallikler
ortaya çıkar.
DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• İmprinting defektlerinin bozuk spermatogenezden kaynaklanıp
kaynaklanmadığı
oligozoospermik
araştırıldığında,
hastalarda
H19
orta
derece
geninin
ve
doğru
ciddi
olarak
metillenmediği ortaya çıkmıştır.
•
Marques CJ, Carvalho F, Sousa M, Barros A. Genomic imprinting in disruptive spermatogenesis. Lancet 2004
363(9422):1700-2.
H19 Genindeki Hipometilasyonun Etkisi
• H19 geninin normal şartlarda spermatogenez
sırasında premayotik evrede babadan gelen
allelinin
olması
metilasyona
ve
bunun
da
uğrayarak
bir
imprinte
supresör
geni
baskılaması neticesi IGF2’nin eksprese olması
gerekir.
H19 Genindeki Hipometilasyonun Etkisi
• Normalde babadan gelen IGF2 geni bu mekanizma ile eksprese
olurken, anneden gelen kromozomdaki IGF2 geni, supresör geni
metilasyona uğramadığı için, inhibe durumda kalır.
• Oysa babaya ait allel yeteri kadar imprinte olamamışsa, yani
supresör gen baskılanamamışsa, IGF2 de yeteri kadar eksprese
olamayacaktır.
• Bu durumda hem anneden hem de babadan gelen kromozomlarda
IGF2 eksprese olamayacağından, spermatogenez de normal
işlemeyecek ve neticede oligozoospermi gelişecektir.
DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Bu çalışmanın sonuçlarına göre, hipospermatogenez ile
anormal genomik imprinting ilişkilidir ve oligozoospermik
erkeklerin
spermleri
imprinting
hatalarının
aktarımı
hususunda artmış risk taşırlar.
•
Marques CJ, Carvalho F, Sousa M, Barros A. Genomic imprinting in disruptive spermatogenesis. Lancet 2004
363(9422):1700-2.
DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Paternal genomun metilasyon durumu
önemli bir faktördür.
DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Sperm global DNA metilasyonu seviyesinin İn Vitro
Fertilizasyon (IVF) başarısı üzerine etkisinin araştırıldığı
bir çalışmada, metilasyonunun fertilizasyon oranlarını
etkilemezken, embriyo gelişimini etkilediği (metilasyon
belli bir değerin altında ise, embriyo gelişimi bozuluyor)
sonucuna varılmıştır.
•
Benchaib M, Braun V, Ressnikof D, Lornage J, Durand P, Niveleau A, Guerin JF. Influence of global sperm DNA
methylation on IVF results. Hum Reprod. 2005 20(3):768-73.
DNA metilasyonu ve embriyogenez
• İntra Sitoplazmik Sperm İnjeksiyonu (ICSI) ile elde edilen erkek
insan embriyoları, gelişimlerinin 4. gününden itibaren dişilere göre
belirgin olarak daha çok normal hücre içeren blastosistlerden
oluşmuştur.
• Ancak böyle bir farklılık IVF ile elde edilen embriyolarda
gözlenmemiştir.
•
Dumoulin JC, Derhaag JG, Bras M, Van Montfoort AP, Kester AD, Evers JL, Geraedts JP, Coonen E.Growth rate of human
preimplantation embryos is sex dependent after ICSI but not after IVF. Hum Reprod. 2005 20(2):484-91.
DNA metilasyonu ve embriyogenez
• Embriyolar arasındaki cinsiyete bağlı ortaya çıkan bu
büyüme farklılığının, ICSI işleminin X-kromozom
inaktivasyonunu
sağlayan
epigenetik
olaylarla
çatışmasından kaynaklanabileceği hipotez edilmiştir.
•
Dumoulin JC, Derhaag JG, Bras M, Van Montfoort AP, Kester AD, Evers JL, Geraedts JP, Coonen E.Growth rate
of human preimplantation embryos is sex dependent after ICSI but not after IVF. Hum Reprod. 2005 20(2):484-91.
• İnfertil çiftlerdeki genetik faktörlere ek olarak, çevresel faktörlerin de
(hormonlar ve kültür medyumları) implantasyon, plasentasyon, organ
oluşumu ve fetal büyümeyi kontrol eden epigenetik süreçlere negatif
etkileri olabileceği hakkında günümüzde giderek artan kanıtlar
mevcuttur.
• Tüm bunlara ek olarak, epigenetik kontrolün kaybı, gizlenmiş genetik
varyasyonların ortaya cıkmasına neden olabilir.
Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Erkek
üreme
organlarının
gelişimi,
spermatogenez ve normal seksüel aktiviteyi
kontrol eden genlerin, doğru zamanlarda ifade
edilmelerinin yanı sıra doğru miktarlarda ifade
edilmelerinin önemi açıktır.
Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Eğer bazı diyetler, ilaçlar veya çevresel kimyasallar DNA
metilasyonunu değiştirebilme kapasitesine sahip iseler,
bu
tür
zenobiyotiklerin
(organizmaya
yabancı
maddeler) erkek üreme kapasitesine olan etkilerini
araştıran daha fazla çalışmaya gereksinim olduğu bir
gerçektir.
Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi
• Erkek üreme sisteminin gelişiminde ve spermatogenezi
etkileyebilen genlerin ifadesinde DNA metilasyonunun
rolü, metilasyon bozukluklarının infertilitedeki önemine
dikkat çekmektedir.