Човечки епигеном
Човечки епигеном ― епигеномот во човекот, кој е целосен сет на структурни изменувања на хроматинот и хемиски изменувања на хистони и нуклеотиди (како што е цитозинска метилација). Овие изменувања влијаат според клеточниот вид и развојниот статус. Различни студии покажуваат дека епигеномот зависи од егзогени фактори.
Хемиски изменувања
уредиПостојат различни видови хемиски изменувања и може да биде изведена опитната постапка наречена секвенционирање со хроматинска имунопреципитација со цел да бидат проучени. Епигенетските профили на човечките ткива ги откриваат следните различни хистонски изменувања во различни функционални области:[1]
| Активни промотори | Активни засилувачи | Транскрибирани генски тела | Стишени региони |
|---|---|---|---|
| H3K4me3 | H3K4me1 | H3K36me3 | H3K27me3 |
| H3K27ac | H3K27ac | H3K9me3 |
Метилација
уредиДНК функционално дејствува со различни епигенетски знаци, како што е цитозинската метилација, исто така познат како 5-метилцитозин (5 mC). Овој епигенетски знак е широко зачуван и игра голема улога во регулирањето на генското изразување, во замолчувањето на транспозоните и повторувачките секвенци.[2]
Поединките се разликуваат според нивниот епигенетски профил, на пример, варијансата во метилацијата на цитозин-гванин кај поединките е околу 42%. Напротив, епигенетскиот профил (вклучувајќи го и профилот на метилација) на секој поединец е постојан во текот на една година, што ја одразува постојаноста на нашиот фенотип и метаболички особини. Профилот на метилација, особено, е доста стабилен во период од 12 месеци и се чини дека се менува повеќе со децении.[3]
Метилациски места
уредиЗаемноповрзаните региони на системска меѓупоединечна варијација во метилацијата на ДНК, опфаќаат само 0,1% од човечкиот геном, па затоа се многу ретки; тие можат да бидат меѓусебно поврзани на долги геномски растојанија (>50 kbp). Заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации се исто така поврзани со гени вклучени во многу човечки нарушувања, вклучувајќи тумори, ментални нарушувања и срцеви заболувања. Забележано е дека цитозинско-гванинските места поврзани со болеста се 37% збогатени со заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации во споредба со контролните региони и 53% збогатени со заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации во однос на диференцијално метилираните региони специфични за ткиво.[4]
Повеќето од заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации се долги само 200-300 bp и вклучуваат 5-10 CpG динуклеотиди, најголемиот распон од неколку kb и вклучува стотици цитозински-гванински места. Овие региони имаат тежнеење да се појавуваат во кластери и двете геномски области со висока густина на заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации се забележани во локусот на главниот комплекс на хистокомпатибилност на хромозомот 6 и во перицентромерниот регион на долгиот крак на хромозомот 20.[4]
Заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации се збогатени во меѓугенски и мирни региони (на пр. подтеломерни региони) и содржат многу преносни елементи, но неколку цитозинско-гванински острови и места за врзување на факторот на транскрипција. Заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијации се недоволно застапени во близината на гените, во хетерохроматските региони, активните промотори и засилувачите. Тие, исто така, обично не се присутни во високо зачуваните геномски региони.[4]
Заемноповрзаните региони на системски меѓупоединечни варијацииможе да имаат корисна примена: мерењата на метилацијата на Заемноповрзаните региони на системска меѓупоединечна варијација во едно ткиво може да дадат некои информации за епигенетската регулација во другите ткива, навистина можеме да биде предвиден изразување на поврзаните гени бидејќи системските епигенетски варијанти се воглавно доследни во сите ткива и видови клетки.[5]
Фактори кои влијаат на шемата на метилација
уредиКвантификацијата на наследната основа која лежи во епигеномната варијација на населението е исто така важна за да биде разграничена нејзината цис- и транс-регулаторна архитектура. Особено, повеќето студии наведуваат дека меѓупоединечните разлики во метилацијата на ДНК главно се одредувани од полиморфизмите на цис-регулаторната секвенца, веројатно кои вклучуваат мутации во местата за врзување на факторот на транскрипција со долуводно последици врз месната хроматинска средина. Реткоста на трансактивни полиморфизми кај луѓето, наведува дека таквите ефекти се многу штетни. Навистина, трансактивните фактори се очекува да бидат предизвикани од мутации во гените за контрола на хроматин или други високо плеиотропни регулатори. Ако трансактивни варијанти навистина постојат кај човечкото население, тие веројатно се сегрегираат како ретки алели или потекнуваат од соматски мутации и се манифестираат со клинички фенотипови, како што е случајот со многу видови рак.[2]
Корелација помеѓу метилацијата и генското изразување
уредиМетилацијата на ДНК (особено во цитозинско-гванинските региони) може да влијае на генското изразување: хиперметилираните региони имаат тежнеење да бидат различно изразени. Всушност, луѓето со сличен профил на метилација имаат тежнеење да го имаат истиот транскриптом. Покрај тоа, една клучна опсервација од човечката метилација е дека повеќето функционално релевантни промени во цитозинско-гванинската метилација се случуваат во регулаторните елементи, како што се засилувачите.
Како и да е, диференцијалното изразување се однесува само на мал број метилирани гени: само една петтина од гените со цитозинско-гванинска метилација покажуваат променливо изразување според нивната метилација. Важно е да биде забележано дека метилацијата не е единствениот фактор што влијае на регулацијата на гените.[3]
Метилација во зародоците
уредиБило откриено со имунобоечки опити дека кај човечките зародоци пред имплантација постои општа постапка на деметилација на ДНК. По оплодувањето, нивото на метилација на ДНК нагло се намалува во раните пронуклеуси. Ова е последица на активната деметилација на ДНК во оваа фаза. Но, општата адеметилација не е неповратна постапка, всушност „де ново“ метилацијата се јавува од раната до средната пронуклеарна фаза и од 4-клеточната до 8-клеточната фаза.[6]
Процентот на метилација на ДНК е различен кај ооцитите и кај сперматозоидите: зрелиот ооцит има средно ниво на метилација на ДНК (72%), наместо тоа спермата има високо ниво на метилација на ДНК (86%). Деметилацијата во татковскиот геном се јавува брзо по оплодувањето, додека мајчиниот геном е доста отпорен на постапката на деметилација во оваа фаза. Различните метилирани региони на мајката се поотпорни на бранот на деметилација пред имплантација.[6]
Цитозинско-гванинската метилација е слична во фазата на зародишната везикула, фаза на средна метафаза I и фаза на зрела метафаза II. Нецитозинско-гванинската метилацијата продолжува да биде насобирана во овие фази.[6]
Пристапноста на хроматинот во зародишната линија била оценета со различни пристапи, како scATAC-seq и sciATAC-seq, scCOOL-seq, scNOMe-seq и scDNase-seq. Биле идентификувани проксимални и дистални региони специфични за фазата со пристапни хроматински региони. Утврдено е дека општата пристапност на хроматинот постепено е намалувана од зиготот до 8-клеточната фаза, а потоа е зголемувана. Анализата специфична за родителските алели покажува дека татковскиот геном станува поотворен од мајчиниот геном од доцната фаза на зигот до стадиумот на 4 клетки, што може да ја одрази декондензацијата на татковскиот геном со замена на протамините со хистони.[6]
Метилација специфична за алел зависна од секвенца
уредиНерамнотежата на метилацијата на ДНК помеѓу хомологните хромозоми покажува однесување зависно од секвенцата. Разликата во состојбата на метилација на соседните цитозини на истиот хромозом се јавува поради разликата во секвенцата на ДНК помеѓу хромозомите. Секвенционирање на бисулфит со цел геном е користено за истражување на алелно специфична метилација зависна од секвенца на ниво на резолуција на еден хромозом и сеопфатна покриеност на целиот геном. Резултатите од секвенционирањето на бисулфити со цели геноми тестирани на 49 метиломи откриле нерамнотежа на цитозинско-гванинската метилација кои надминуваат 30% разлики во 5% од локусите.[7]
На местата на генските регулаторни локуси поврзани со факторите на транскрипција, забележано е случајно префрлување помеѓу метилирана и неметилирана состојба на ДНК. Ова исто така е нарекувано стохастичко префрлување и е поврзано со одбрано тампонирање на регулаторното коло на гените против мутации и генетски болести. Само ретките генетски варијанти го покажуваат стохастичкиот тип на генска регулација.
Студијата направена од Онучик и колегите, имала за цел да ги конструира картите на алелни нерамнотежи во метилацијата на ДНК, транскрипцијата на гените, а исто така и на изменувањето на хистоните. За испитување на 71 епигеном биле искористени 36 видови клетки и ткива од 13 дарители-учесници. Резултатите од секвенционирањето на бисулфити со цели геноми тестирани на 49 метиломи откриле нерамнотежи на цитозинско-гванинска метилација кои надминуваат 30% разлики во 5% од локусите. Стохастичкото префрлување било сторено на илјадници хетерозиготни регулаторни локуси кои биле врзани за факторите на транскрипција. Средната состојба на метилација се однесува на релативните фреквенции помеѓу метилирани и неметилирани епиалели. Варијациите на честотата на епиалелот се во корелација со афинитетот на алелите за факторите на транскрипција.
Анализата на студијата наведува дека човечкиот епигеном во просек покрива приближно 200 негативни варијанти на алелно специфичното изразување зависно од секвенца. Чувствителноста на гените со модели на изразување специфични за ткиво дава можност за еволутивна иновација во регулацијата на гените.[7]
Стратегијата за реконструкција на хаплотипот се користи за следење на хроматинските хемиски изменувања (со користење на секвенционирање со хроматинска имунопреципитација) во различни човечки ткива. Епигеномските карти решени со хаплотип можат да следат алелни предрасуди во конфигурацијата на хроматин. Забележана е значителна варијација помеѓу различни ткива и поединци. Ова овозможува подлабоко разбирање на цис-регулаторните односи помеѓу гените и контролните секвенци.[1]
Структурни изменувања
уредиВо текот на последните неколку години, развиени се неколку методи за проучување на структурните и следствено функционалните изменувања на хроматинот. Првиот проект што користел епигеномско профилирање за да ги идентификува регулаторните елементи во човечкиот геном бил ENCODE (Енциклопедија на елементи на ДНК) кој бил насочен на профилирање на изменувањата на хистоните на клеточните линии. Неколку години подоцна ENCODE бил вклучен во Меѓународниот конзорциум за човечки епигеном, кој има за цел да ги координира меѓународните студии за епигеномот.[8]
Структурните изменувања што овие проекти имаат за цел да ги проучуваат може да бидат поделени во пет главни групи:
- Зафаќање нуклеозоми за откривање на региони со регулаторни гени;
- Хроматински меѓудејствија и домени;[8]
Тополошки поврзани домени
уредиТополошките поврзани домени се степен на структурна организација на геномот на клетката. Тие се образувани од региони на хроматинот, со големина од 100 килобази до мегабази, кои силно самозаемно дејствуваат. Домените се поврзани со други геномски региони, кои, врз основа на нивната големина, се нарекувани или „тополошки гранични региони“ или „неорганизиран хроматин“. Овие гранични региони ги одвојуваат тополошките домени од хетерохроматин и го спречуваат засилувањето на вториот. Тополошките домени се дифузни кај цицачите, иако слични геномски поделби биле идентификувани и кај родот <i>Drosophila</i>.[9]
Тополошките домени кај луѓето, како и кај другите цицачи, имаат многу функции во однос на генското изразување и постапката на контрола на транскрипцијата. Внатре во овие домени, хроматинот се покажува добро заплеткан, додека во граничните региони, хроматинските меѓудејствија се многу помалку присутни.[10] Овие гранични области особено покажуваат некои особености што ги одредуваат функциите на сите тополошки домени.
Прво, тие содржат изолаторски региони и бариерни елементи, кои и двете функционираат како инхибитори на понатамошната транскрипција од ензим на РНК-полимераза.[11] Ваквите елементи се одликуваат со масивно присуство на белковините CTCFкои врзуваат изолатори.
Второ, граничните региони го блокираат ширењето на хетерохроматин, со што се спречува губењето на корисни генетски информации. Оваа информација произлегува од набљудувањето дека секвенците на хетерохроматинската ознака H3K9me3 јасно ги прекинуваат блиските гранични секвенци.[12]
Трето, местата за почеток на транскрипција (TSS), гените за домаќинство и гените на преносната РНК се особено изобилни во граничните региони, што означува дека тие области имаат плодна транскрипциона активност, благодарение на нивните структурни особини, различни од другите тополошки региони.[13][14]
Конечно, во граничните области на тополошките домени и нивната околина има збогатување со Alu /B1 и B2 SINE ретротранспонзони. Во последниве години, тие секвенци биле упатени на менување на местото на врзување на CTCF, со што е мешано со изразувањето на некои геномски области.[15]
Дополнителни докази за улогата во генетската модулација и регулацијата на транскрипцијата се однесуваат на големото зачувување на граничниот модел низ еволуцијата на цицачите, со динамичен опсег на мали разновидности во различни видови клетки, што наведува дека овие тополошки домени учествуваат во регулаторните настани од специфичниот вид клетки.[10]
Корелација помеѓу метилација и тродимензионална структура
уредиПроектот 4D Nucleome има за цел да изработува тродимензионални карти со геноми на цицачи со цел да бидат развиени предвидливи модели за корелација на епигеномските изменувања со генетските варијации. Конкретно, целта е да бидат поврзани генетските и епигеномските изменувања со засилувачите и промоторите со кои тие општат во тродимензионален простор, со што се откривани интерактоми и патеки од генски сет како нови кандидати за функционална анализа и терапевтско целење.
Hi-C[16] е опитен метод кој е користен за картирање на врските помеѓу фрагментите на ДНК во тродимензионален простор на скала на целиот геном. Оваа техника комбинира хемиско вкрстено поврзување на хроматин со варење со рестрикционен ензим и масивно напоредно секвенционирање на ДНК.[17]
Овој вид студии во моментов се ограничени поради недостатокот или недостапноста на необработени податоци.[8]
Поврзано
уредиНаводи
уреди- ↑ 1,0 1,1 Leung, Danny; Jung, Inkyung; Rajagopal, Nisha; Schmitt, Anthony; Selvaraj, Siddarth; Lee, Ah Young; Yen, Chia-An; Lin, Shin; Lin, Yiing (2015-02-19). „Integrative analysis of haplotype-resolved epigenomes across human tissues“. Nature. 518 (7539): 350–354. Bibcode:2015Natur.518..350L. doi:10.1038/nature14217. ISSN 0028-0836. PMC 4449149. PMID 25693566.
- ↑ 2,0 2,1 Taudt, Aaron; Colomé-Tatché, Maria; Johannes, Frank (2016-05-09). „Genetic sources of population epigenomic variation“. Nature Reviews Genetics. 17 (6): 319–332. doi:10.1038/nrg.2016.45. ISSN 1471-0056. PMID 27156976.
- ↑ 3,0 3,1 Tabassum, Rubina; Sivadas, Ambily; Agrawal, Vartika; Tian, Haozheng; Arafat, Dalia; Gibson, Greg (2015-08-13). „Omic personality: implications of stable transcript and methylation profiles for personalized medicine“. Genome Medicine. 7 (1): 88. doi:10.1186/s13073-015-0209-4. ISSN 1756-994X. PMC 4578259. PMID 26391122.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 Gunasekara, Chathura J.; Scott, C. Anthony; Laritsky, Eleonora; Baker, Maria S.; MacKay, Harry; Duryea, Jack D.; Kessler, Noah J.; Hellenthal, Garrett; Wood, Alexis C. (2019-06-03). „A genomic atlas of systemic interindividual epigenetic variation in humans“. Genome Biology. 20 (1): 105. doi:10.1186/s13059-019-1708-1. ISSN 1474-760X. PMC 6545702. PMID 31155008.
- ↑ Waterland, Robert A.; Michels, Karin B. (2007). „Epigenetic Epidemiology of the Developmental Origins Hypothesis“. Annual Review of Nutrition. 27 (1): 363–388. doi:10.1146/annurev.nutr.27.061406.093705. PMID 17465856.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 Wen, Lu; Tang, Fuchou (2019-10-17). „Human Germline Cell Development: from the Perspective of Single-Cell Sequencing“. Molecular Cell (англиски). 76 (2): 320–328. doi:10.1016/j.molcel.2019.08.025. ISSN 1097-2765. PMID 31563431.
- ↑ 7,0 7,1 Massachusetts Institute of Technology. Department of Biology Altshuler, Robert Charles Onuchic, Vitor Lurie, Eugene Carrero, Ivenise Pawliczek, Piotr Patel, Ronak Y. Rozowsky, Joel Galeev, Timur Huang, Zhuoyi Harris, R. Alan Coarfa, Cristian Ashmore, Lillian Bertol, Jessica W. Fakhouri, Walid D. Yu, Fuli Kellis, Manolis Gerstein, Mark Milosavljevic, Aleksandar (2019-06-07). Allele-specific epigenome maps reveal sequence-dependent stochastic switching at regulatory loci. American Association for the Advancement of Science (AAAS). OCLC 1113934887.CS1-одржување: повеќе имиња: список на автори (link)
- ↑ 8,0 8,1 8,2 Stricker, Stefan H.; Köferle, Anna; Beck, Stephan (јануари 2017). „From profiles to function in epigenomics“. Nature Reviews Genetics. 18 (1): 51–66. doi:10.1038/nrg.2016.138. ISSN 1471-0064. PMID 27867193.[мртва врска]
- ↑ Sexton, Tom; Yaffe, Eitan; Kenigsberg, Ephraim; Bantignies, Frédéric; Leblanc, Benjamin; Hoichman, Michael; Parrinello, Hugues; Tanay, Amos; Cavalli, Giacomo (2012-02-03). „Three-dimensional folding and functional organization principles of the Drosophila genome“. Cell. 148 (3): 458–472. doi:10.1016/j.cell.2012.01.010. ISSN 1097-4172. PMID 22265598.
- ↑ 10,0 10,1 Dixon, Jesse R.; Selvaraj, Siddarth; Yue, Feng; Kim, Audrey; Li, Yan; Shen, Yin; Hu, Ming; Liu, Jun S.; Ren, Bing (2012-04-11). „Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions“. Nature. 485 (7398): 376–380. Bibcode:2012Natur.485..376D. doi:10.1038/nature11082. ISSN 1476-4687. PMC 3356448. PMID 22495300.
- ↑ Kim, Y. J.; Cecchini, K. R.; Kim, T. H. (2011-05-03). „Conserved, developmentally regulated mechanism couples chromosomal looping and heterochromatin barrier activity at the homeobox gene A locus“. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (18): 7391–7396. Bibcode:2011PNAS..108.7391K. doi:10.1073/pnas.1018279108. ISSN 0027-8424. PMC 3088595. PMID 21502535.
- ↑ Hawkins, R. David; Hon, Gary C.; Lee, Leonard K.; Ngo, Queminh; Lister, Ryan; Pelizzola, Mattia; Edsall, Lee E.; Kuan, Samantha; Luu, Ying (2010-05-07). „Distinct epigenomic landscapes of pluripotent and lineage-committed human cells“. Cell Stem Cell. 6 (5): 479–491. doi:10.1016/j.stem.2010.03.018. ISSN 1875-9777. PMC 2867844. PMID 20452322.
- ↑ Min, Irene M.; Waterfall, Joshua J.; Core, Leighton J.; Munroe, Robert J.; Schimenti, John; Lis, John T. (2011-04-01). „Regulating RNA polymerase pausing and transcription elongation in embryonic stem cells“. Genes & Development. 25 (7): 742–754. doi:10.1101/gad.2005511. ISSN 1549-5477. PMC 3070936. PMID 21460038.
- ↑ Ebersole, Thomas; Kim, Jung-Hyun; Samoshkin, Alexander; Kouprina, Natalay; Pavlicek, Adam; White, Robert J.; Larionov, Vladimir (2011-08-15). „tRNA genes protect a reporter gene from epigenetic silencing in mouse cells“. Cell Cycle. 10 (16): 2779–2791. doi:10.4161/cc.10.16.17092. ISSN 1551-4005. PMC 3219543. PMID 21822054.
- ↑ Schmidt, Dominic; Schwalie, Petra C.; Wilson, Michael D.; Ballester, Benoit; Gonçalves, Angela; Kutter, Claudia; Brown, Gordon D.; Marshall, Aileen; Flicek, Paul (2012-01-20). „Waves of retrotransposon expansion remodel genome organization and CTCF binding in multiple mammalian lineages“. Cell. 148 (1–2): 335–348. doi:10.1016/j.cell.2011.11.058. ISSN 1097-4172. PMC 3368268. PMID 22244452.
- ↑ Kumasaka, Natsuhiko; Knights, Andrew J.; Gaffney, Daniel J. (јануари 2019). „High-resolution genetic mapping of putative causal interactions between regions of open chromatin“. Nature Genetics. 51 (1): 128–137. doi:10.1038/s41588-018-0278-6. ISSN 1546-1718. PMC 6330062. PMID 30478436.
- ↑ Eagen, Kyle P. (јуни 2018). „Principles of Chromosome Architecture Revealed by Hi-C“. Trends in Biochemical Sciences. 43 (6): 469–478. doi:10.1016/j.tibs.2018.03.006. PMC 6028237. PMID 29685368.