Von Königinnen und dicken Mäusen - sciencebridge.net · Das kann auch passieren, wenn ein...

Wolfgang Nellen, Abt. Genetik, Univ. Kassel

Von Königinnen und dicken MäusenBeispiele zur Epigenetik

www.happy-end-buecher.de www.uni-graz.at


Carl Correns


Erbsen sind nicht alles …..

... und nachdem Gregor Mendel Abt geworden war,hatte er auch keine Zeit (und Lust?) mehr zum Erbsenzählen ....


Gekoppelte Merkmale werden nicht unabhängig vererbt.(Das sind die schrecklichen Rechenoperationen, mit denen man die Abstände von Genen in Centimorgan bestimmen kann)

X-chromosomal codierte Merkmalewie Hämophilie kommen in Männernzur Ausprägung, Frauen sind (gesunde) Überträgerinnen.


Rot-Grün-Blindheit

Ist die Mutter rot-grün-blind,sind alle Söhne rot-grün-blind.

Ist der Vater rot-grün-blind,ist keines der Kinder betroffen.


Diese Abweichungen von Mendels Regeln sind heute weitgehendverstanden. Sie widersprechen nicht dem Grundprinzip seiner Entdeckung.

Es gibt jedoch Seltsamkeiten, die gar nicht in die Regeln passen.

Medical Genetics, 2nd ed., Jorde LB, et al, ©2000

Mutation von derMutter:Angelman Syndrom

Mutation vom Vater:Prader-Willi Syndrom

Solche Orte auf der DNA werden als „geprägt“ (imprinted)bezeichnet.

Man bezeichnet sie als „epigenetische Regulation“


Frauen (bei Katzen, Menschen und anderen Säugern) sind Mo-saike: in manchen Zellen ist das eine, in manchen das andere X-Chromosom aktiv.

Wie passiert das?


DFR Geneingefügt

DFR Gen abgeschaltet!

Manchmal werden Gene einfach abgeschaltet – sie sind da, aber nichtaktiv.

Wie passiert das?


Petunie

Fliegenauge

Warum sind einige Zellen weiß und andere rot?Alle haben die selben Gene!

Manchmal werden Gene in einem Organismuszufällig ein- oder ausgeschaltet.

http://www.sbs.utexas.edu/genetics/Wie passiert das?


Gelbe dicke Mäuse sind genetisch identisch mit den dünnen braunen Mäusen.

Nur die Mütter wurden anders gefüttert!

R. Jirtle, http://www.geneimprint.com/

Manchmal hat die Ernährung Auswirkung auf die Funktion von Genen.

Wie passiert das?


Königin Arbeiterin

Bienen: die große, fruchtbare Königin unterscheidet sich von denkleinen, unfruchtbaren Arbeiterinnen nicht genetisch, sondern nur durch die Ernährung.

http://www.hessenhonig.de/html/

Wie passiert das?


Was haben alle diese Seltsamkeiten der Vererbung und der Modifikationder Erbinformationen gemeinsam?


Die genetische Information unterscheidet sich nicht, es muss folglicheine Regulation über der DNA Sequenz geben, die sagt, obein Gen aktiv ist oder nicht.


Ein genauerer Blick auf die Chromosomen zeigt dann, dass tatsächlichnicht alles gleich ist:

Im Chromatin, der verpackten DNA, kann man mit verschiedenen Färbungenunterschiedliche Bereiche erkennen. z.B. ist das inaktive X-Chromosom kompakt und mit anderen Proteinen beladen, als das aktive X-Chromosom. Auch Centromere sind heterochromatisch.

DNA EuchromatinHeterochromatin


Wie sieht die Verpackung genauer aus?

DNA

Histone

N-terminaleSchwänze der

Histone

Histone und DNA bildendas Nukleosom

http://cmgm.stanford.edu/biochem/biochem201/Slides/Chromatin Structure


Durch Anheften eines Acetylrestsan die Histonenden

H3C C

O

wird das Chromatin aufgelockertund aktiv...

inaktiv

aktiv

H C H

H

eine Methylierung führt dagegen(meist) zu Kompaktierung undInaktivierung von Genen.


Der „Histon-Code“ verändert die Expression von Genen. Ein normales, „gesundes“ Gen kann durch nachträglicheVeränderungen an den Histonen abgeschaltet (oder wieder eingeschaltet) werden.

Allerdings wird es noch etwas komplizierter ....


... denn außerdem passiert direkt an der DNA auch noch etwas ....

Cytidin

NH2

N

ON

Ribose

NH2

N

ON

Ribose

H3C

Methylierungdurch DNA-

Methyltransferasen(Dnmt‘s)

5-methyl-Cytidin

5-methyl-Cytidin wird auch als die „5. Base der DNA“bezeichnet.


An die methylierte DNA binden Proteine,die einen ganzen Maschinenpark heran-holen, der das Chromatin modifizieren kann.

... und damit ist ein Cromosomen-abschnitt verpackt und inaktiv.

Epigenetische Änderungen anDNA und Chromatin könnenGene regulieren.


Heterochromatin, d.h. die Modifikation von DNA und Histonen hat noch eine Eigenschaft: es breitet sich aus, wenn keine Grenzen vorgegebensind.

So erklärt sich das gesprenkelte Fliegenauge:das Gen für die rote Augenfarbe ist da, aber esist in die Nähe von Heterochromatin geraten.

Dadurch wird es mehr oder weniger stark „infiziert“und durch Heterochromatinbildung abgeschaltet.

Die Augenzellen werden weiß.

Heterochromatin Gen für rote Augen


Warum wurde die lachsrote Petunie wieder weiß?

Das Gen für den roten Farbstoff war von außen als „Transgen“eingeführt worden.

Je nachdem wo es im Genom sitzt und wie stark es transkribiert wird, aktiviert es Dnmts, methyliert seine DNA und schaltet sich selbst ab.

Das kann auch passieren, wenn ein „normales“ Gen durch Mutation falschreguliert ist: es schaltet sich selbst ab.

Wenn Viren sich in das Genom einer Zelle setzen, könnensie auf die selbe Art abgeschaltet werden.

Ein sehr nützlicher Schutzmechanismus!


Die Kinder mit Prader-Willi und Angelman Syndrom sind auch epigenetisch zu er-klären.

Die Genome von Vater und Mutter werden von den Kindern nicht gleich genutzt.Bei etwa 150 Genen wird nur die Kopie vom Vater oder die von der Mutter verwendet(PEGs oder MEGs).

Die Gene „erinnern“ sich, von welchem Elternteil sie stammen, weil sie in der Eizelle oder im Spermium geprägt Methyliert wurden.

Ist ein geprägtes Gen mutiert, so hat das ganz verschiedene Effekte, je nachdem ob es ein MEG oder ein PEG ist.


Was unterscheidet die Königin von der Arbeiterbiene?

Die genaue Zusammensetzung und Wirkung des „Gelee Royal“, der die Königin ausmacht,ist auch heute noch nicht bekannt.

Man weiß aber, dass der Unterschied epi-genetisch ist.

Arbeiterinnen inaktivieren Gene, die sie zur Königin machen könntendurch Methylierung der DNA. Wird die DNA Methylierung verhindert, werden sie zu Königinnen, auch wenn sie kein Gelee Royal bekommen.

Vermutlich unterdrückt die königliche Nahrung die Aktivität der Dnmt und erlaubt damit, dass königliche Gene abgelesen werden.


Auch bei den Mäusen spielte die Ernährung eine Rolle. Die Agouti-Genmutante macht Mäuse dick, gelb und anfällig für Krebs und Diabetes. In der Nähe von Agouti sitzt ein heterochromatischerBereich, der sich ausbreiten kann, Agouti aber kaum erreicht.

Erhalten die Mäusemütter viel Folsäure und Vitamin B12 , so wird mehr DNA methyliert. Das Heterochromatin breitet sich weiter aus.Das Agouti Gen wird zunehmend still gelegt.Die Nachkommen sind eher dunkel, schlank und krebsfrei.

R. Jirtle, http://www.geneimprint.com/

Heterochromatin Agouti-Gen(macht dick, hell und Krebs)

viel Folsäure viel DNA MethylierungAusbreitung von Heterochromatin Stilllegung von Agouti


Das ist ein künstliches Forschungssystem!Das Agouti-Gen wurde gezielt neben Heterochromatingesetzt!

Viel Folat für eine Menschenmutter bedeutet nicht, dass sie schlanke, dunkelhaarige Kinder bekommt!


Wenn eine Zelle zur Krebszelle mutiert, ändert sie mit der Zeit auchihre epigenetische Programmierung.

Wachstumsgene werden aus dem epigenetischen Schlaf geweckt,Tumorsuppressoren und Differenzierungsgene werden epigenetisch„eingeschläfert“.

differenzierte Zellekeine Teilung

Tumorzellededifferenziert

schnelle Teilung

Tumorzellen werden epigenetisch umprogrammiert.


Josef Dvořák

nicht zuletzt ...

Konstitutives Heterochromatin mutiert und evolviert schnell und meist ohne negative Konsequenzen, weil es stillgelegt ist.

In der Meiose müssen homologe Chromosomen aber paaren.

Populationen, die sich im Heterochromatin starkunterscheiden, können sich nicht mehr durch-mischen.

Epigenetisch still gelegtes Heterochromatin kann so einegenetische Barriere bilden und zur Artbildung beitragen.

Chironomus piger und thummiunterscheiden sich um einenFaktor 10 in ihrem DNA Gehalt.Sie sehen sehr ähnlich aussind aber nicht kreuzbar.


Epigenetische Regulation ist schneller als die Veränderung der DNA.

Sie wird vererbt, ist aber meist weniger stabil als die genetische Information.(die dünnen, braunen Mäuse haben wieder dicke, gelbe Kinder)

Epigenetik hat Einfluss auf die Gene.

Die Gene haben aber auch Einfluss auf die Epigenetik.


Zur Epigenetik gibt es mehr Fragen als Antworten:

Ein Organismus hat ein Genom, seine Zellen aber unterschiedlicheEpigenome – wie sehen die aus?

Wie finden die epigenetischen Modifikationsmaschinen ihre Ziele?(z.B. bei geprägten Genen in der männlichen und weiblichen Keimbahn)

Was führt zur Umprogrammierung bei Umwelteinflüssen (z.B. Nahrung)oder in Tumorzellen?

Wie wird eine Prägung wieder gelöscht?

Welche Proteine sind noch an der Epigenetik beteiligt undkoppeln sie an Entwicklung, Differenzierung, Umwelt und Er-nährung?


Diese Antworten kann nur die Forschung liefern.

Die Antworten sind wichtig für das allgemeine Verständnis der Natur,

für die Lösung medizinischer Probleme,

für die Anwendung der Gentechnik

für Verständnis von Biodiversität und Artenbildung und vieles andere.


Die Begeisterung für Wissenschaft beginnt in der Schule.

Wir unterstützen Sie dabei, den Unterricht interessant zu gestalten.

e.V.

bietet Ihnen Schulexperimente und ein Informationsforum unter (www.sciencebridge.net)

... und vieles mehr.


Methodenexkurs: Was tut man in der Epigenetikforschung?


M. Freichel, Uni Saarland

Knock-outs

In den meisten Modellorganismen kann man durch homologeRekombination Gene unterbrechen.

Wenn die Mutanten lebensfähig sind, wird der Phänotyp untersucht.Wenn bestimmte Funktionen gestört sind, kann man sie direkt oderindirekt dem zerstörten Gen zuordnen.


In manchen Fällen bereitet man Mutanten mit spezifischen Reporter-genen vor und untersucht daran den Effekt weiterer Mutationen.

So werden beispielsweise PEV Mutanten benutzt, um Gene zu finden,die einen Einfluss auf die Ausbreitung von Heterochromatin haben.

Sass & Henikoff, Genetics, 148, 733-742, 1998


Immunfluoreszenz

Mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern können Modifikationenin den Histonen sichtbar gemacht werden.


GFP markierte Proteine

Man kann GFP-markierte Chromatinproteine-Gene in Zellen einbringenund die Proteine in lebenden Zellen sichtbar machen.

Verwendet man zusätzlich Antikörper, kann die relative Position von mehreren Proteinen oder Proteinmodifikationen bestimmt werden.


ChIP-seq

Bei der Chromatin-Immunpräzipitation werden alle DNA Stücke, die mit einem bestimmten Protein oder einer Proteinmodifikation bedeckt sind, isoliert.

DNA Sequenzierung


Aus einem „Deep Sequencing“ Experiment erhält man 5 bis 20 Mio„Reads“, das sind die Sequenzen von DNA Stücken von ca. 20 bis100 Basenpaaren.

Mit bioinformatischen Methoden findet man diese Sequenzen im Genom und kann dann sagen, dass diese Sequenz mit einem bestimmten Protein bedeckt war.


DNA Methylierung

http://www.methods.info/Methods/DNA_methylation/Bisulphite_sequencing.html

Durch die Bisulfit Behandlung werden alleCytosine in Uracile convertiert. Nur me-thylierte Cytosine bleiben als solche erhalten.


Unterrichts-Kits von und

1. Gerätekit „Pipette“ (2 Mikroliterpipetten mit Zubehör, 166,50€ bis 139,50€)

2. Gerätekit „Elektrophorese“ (2 Elektrophoresekammern mit Stromversorgungund Zubehör ca. 199€, in Vorbereitung)

3. Experimentierkit „Proteinbestimmung und Laktaseassay“ (alle Reagenzien und Verbrauchsmaterialien für 24 Schüler 45€ bis 49€)

4. Experimentierkit „Restriktionsverdau“ (alle Reagenzien und Verbrauchsmaterialien für 24 Schüler ca. 100€, in Vorbereitung)

mit Unterstützung des Hessischen Kultusministeriums


Gerätekit „Pipette“

2 Mikroliterpipetten2 Pipettenständer2 Eppendorfständer2 Spitzenkästen1 Tüte Eppendorfgefäße4 Schutzbrillen2 Filzstifte

für 2 Gruppen = 4 Schüler166,50€/159,50€*

bei Abnahme von 6 Kits (24 Schüler):146,50€/139,50€*

* für Science Bridge Mitglieder

Pipetten sind für die meisten molekularbiologischen und bio-chemischen Experimente erforderlich.Für die Science Bridge Experimentier-Kits werden Mikroliterpipetten benötigt.


Gerätekit „Elektrophorese“

2 Elektrophoresekammern2 Stromversorgungskabel (mit Trafo)1 Tüte Eppendorfgefäße1 Tüte gelbe Spitzen5g AgaroseElektrophoresepufferDNA ProbenMarkerFärbelösung

für 2 Gruppen = 4 Schülerca 199,50€/189,50€*(in Vorbereitung)* für Science Bridge Mitglieder

Agarosegelelektrophorese gehört zu denwesentlichen Methoden der Molekular-biologie. Sie ist Voraussetzung für das Experiment „Restriktionsverdau“ und kann auch zur Überprüfung selbst isolierter DNA z.B. aus Tomate verwendetwerden.


Experimentierkit „Proteinbestimmung und Laktaseassay“

LaktasePeptoneMilchpulverGlukoseteststreifenWhatman-StreifenCoomassie Färbelösung1 Tüte Eppendorfgefäße1 Tüte gelbe SpitzenEinmalhandschuheEppendorfständerFalconständerausführliches Skript

für 24 Schüler49€/45€** für Science Bridge Mitglieder

Im Experiment werden 5 Lösungen auf Proteinge-halt und Laktaseaktivität untersucht. Versuchsaus-wertung und Interpretation der Ergebnisse werdengeübt. Das Experiment kann in einer Doppelstunde durch-geführt werden. Mögliche Themen:rekombinante Proteine, Laktoseintoleranz, Enzym-aktivität, Krankheiten du Mutationen.


Experimentierkit „Restriktionsverdau“

Plasmid-DNARestriktionsenzymeRestriktionspufferDNA MarkerAgarose1 Tüte Eppendorfgefäße1 Tüte gelbe SpitzenEinmalhandschuheausführliches Skript

für 24 Schülerca. 85€/80€*(in Vorbereitung)* für Science Bridge Mitglieder

Das Schneiden von DNA mit Restriktionsenzymengehört zu den Grundtechniken der Molekularbiologie.Das Kit bietet nicht nur das experimentelle Verfahrensondern auch die Auswertung der Ergebnisse im Kontext einer Restriktionskarte.Für das Experiment sollten zwei Doppelstunden an-gesetzt werden.


e.V.

in Zusammenarbeit mit dem

Entwicklung der Kitsmit Unterstützung des Hessischen Kultusministeriums

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