Les III

Euchromatin: open, accessible to transcriptional complexes and Pol lI, active genes

Heterochromatin: compact, inaccessible, inactive genes (>90% of genome

twee manieren waarop chromatin aanwezig kan zijn in de cel

specific loci can be activated or repressed depending on differentiation and environmental regulation

(can become euchromatin)

facultative heterochromatin

at centromeres and telomeres, and repetitive sequences (including transposable elements), expression silenced

constitutive heterochromatin

DNA: negative charge

Histones: positive charge

No covalent bonds → electrostatic attraction between negatively charged DNA and positively charged histones (relatively dynamic interaction)

‘binding’ tussen DNA en histones

histone octamer (8 histones)

147-150 bp dsDNA around it

opbouw nucleosome

Strengthens the association between histone octamer and DNA

Stabilizes the nucleosomes

Important for condense folding of chromatin

Histone H1

The covalent process of changing proteins after protein biosynthesis

post translational modification

Acetylation

Methylation

(both on N-terminal tails of histones)

twee meest belangrijke histone modifications

HAT: histone acetyltransferase

HDAC: histone deacetylase

belangrijke enzymen bij histone acetylation

Neutralization of the positive charge of lysine → affects histone charge → less interaction with DNA → more open chromatin (euchromatin) → activation of transcription

hoe zorgt histone acetylation voor meer activation of transcription?

HISTONE METHYLTRANSFERASE (HMT)

HISTONE DEMETHYLASE (HDM)

belangrijke enzymen voor histone methylation

The positive charge is maintained → effect is less straightforward than acetylation → depends on the location, organism, etc.

effect histone methylation

Lysine

Arginine

Op deze aminozuren heb je histone methylation

HMTs contain the SET domain: catalytic domain that methylates histone lysines

belangrijk onderdeel HMTs voor methylatie

active

effect H3K9ac in promoter

silenced

effect H3K9me3 in promoter

gene silenced

effect H3K27me3 across gene body

active, poised

effect H3K4me3 in promoter

active

effect H3K36me3 in exons

Histone modifier proteins

writers en erasers

histone modification binding proteins

readers

phosphorylation

derde meest belangrijke histone modificatie

Chromodomain proteins (e.g. HP1) bind methylated histones (e.g. H3K9me) → associated with heterochromatin

functie chromodomain proteins like HP1

INFLUENCE EACH OTHER AND THE CHROMATIN STRUCTURE

effect histone modifications

DNA methylation typically more stable

Histone modification allow more dynamic regulation of gene expression

verschil stabiliteit DNA methylation en histone modification

High levels of histone acetylation

Low H1 binding

Low histone methylation at H3K9, but high at H3K4

Less HP1

Low amounts of DNA-methylation

kenmerken euchromatin

HDACs: Histone deacetylation

SUV39H1 (KMT): trimethylation of H3K9

HP1 (heterochromatin protein 1) binds to H3K9Me3

DNA-methylation -> stabilizes the silencing

mechanisme van heterochromatinisation

Writer: introduces the mark

Reader: interprets the mark

Eraser: removes the mark

verschil writers, readers en erasers

All chromatin modifications in any cell type

epigenome

often inverse correlation between DNA methylation of regulatory genomic regions (core promoter, enhancer regions) and gene expression

link DNA methylatie in regulatory regions en gene expression

highly expressed genes typically have high levels of DNA methylation in gene body

link DNA methylatie in gene body, en gene expression

Monoallelic gene expression determined by parental origin

parental genetic imprinting

Phenomenon that is observed for about 1% of all human genes (for other genes: bi-allelic expression).

hoevaak komt parental genetic imprinting voor?

IGF2: only the paternal copy is active under normal conditions, the maternal copy is imprinted (inactive)

typisch voorbeeld gen met parental genetic imprinting

Differences in DNA-methylation

Enhancer competition

CTCF binding to unmethylated insulator (see next slides)

Transcriptional antisense

interference

Post-Transcriptional antisense interference

Heterochromatinization

verschillende regulatory mechanisms dat kunnen zorgen voor differential expression van de parental alleles

genomic region that separates genes located in one chromatin region from neighbouring regions

insulator

methylation-sensitive boundary protein that binds to insulator regions, if unmethylated

CTCF

formation of architectural chromatin loops

wat doet CTCF?

interfere with enhancer-promoter interaction; eg. pink gene is inactive

Increase enhancer-promoter interaction; eg.

green gene on right

Have no influence; gene activation can be achieved by direct enhancer-promoter interaction; e.g. green gene on left

mogelijke gevolgen looping van CTCF

topologically associated domains

Large genomic regions promoting regulatory interactions by forming high-order chromatin structures, separated by boundary/insulator elements

TADs

ICR1 is unmethylated → CTCF binds → acts as insulator (boundary) → no activation of IGF2

maternal imprinting bij IGF2

Methylation of ICR1 → CTCF cannot bind → no insulator → enhancers can reach IGF2 → IGF2 expressed

paternal imprinting bij IGF2

negative regulator of IGF2, modulates the amount of IGF2

IGF2R

• Allele-specifieke regulatie

  • IGF2R is een geïmprinte gen waarvan de expressie afhangt van de ouderlijke oorsprong van het allel

• Histonmodificaties in de promotor

  • verschillende histonmodificaties bepalen of het chromatine rond de promotor actief of repressief is

  • actieve allelen bevatten eerder activerende marks

  • gesilencede allelen bevatten repressieve histonmodificaties

• Differentiële DNA-methylatie

  • methylatiepatronen verschillen tussen het maternale en paternale allel

  • deze DNA-methylatie helpt bepalen welk allel actief blijft en welk allel gesilenced wordt

• Rol van de non-coding RNA Airn (Air)

  • de lange non-coding RNA Airn speelt een belangrijke rol in de silencing van IGF2R

  • Airn wordt van het paternale allel getranscribeerd

  • het rekruteert repressieve chromatinecomplexen en onderdrukt zo expressie van IGF2R

Principe:
De expressie van IGF2R wordt epigenetisch gecontroleerd via een combinatie van allele-specifieke histonmodificaties, DNA-methylatie en de lncRNA Airn. Samen bepalen deze mechanismen welk ouderlijk allel actief blijft en welk allel gesilenced wordt.

regulatie van IGF2R

Maternal allele: Igf2r sense mRNA produced

Paternal allele: antisense RNA Air is expressed

IGF2R regulatie in maternal en paternal allele

Correlated with high levels of DNA methylation, and high levels of histone variant macroH2A on this chromosome

Inactivation is transmitted to the daughter cells

Reactivation during meiosis

hoe gebeurt x-chromosome inactivation?

Starts around the 2 - 8 cell stage of the human female embryo and takes about 8 days

timing x-chromosome inactivation

Visible as Barr body

hoe zie je de geïnactiveerde x-chromosome?

X-chromosome inactivation is done to have an equal gene-dosage between men and women

belang X-chromosome inactivation

It is random which X gets inactivated (maternal or paternal one), in each cell. So some cells have an active maternal X, some paternal: mosaic / chimera

hoe heb je chimera?

• Start vanuit het X-inactivation center (Xic)

  • op het X-chromosoom bevindt zich het Xic, dat cruciaal is voor de initiatie van X-inactivatie

• Expressie van Xist op het inactieve X-chromosoom

  • het Xist-gen wordt enkel sterk geëxprimeerd op het X-chromosoom dat geïnactiveerd zal worden

  • Xist codeert niet voor een eiwit, maar voor een lange non-coding RNA (lncRNA) van ongeveer 17 kb

• Xist-RNA werkt in cis

  • Xist-RNA verspreidt zich over hetzelfde X-chromosoom waarvan het getranscribeerd werd

  • het “coat” het chromosoom en vormt zo een platform voor repressieve complexen

• Epigenetische silencing van het X-chromosoom

  • Xist alleen is essentieel, maar niet voldoende voor volledige inactivatie

  • bijkomende epigenetische mechanismen zorgen voor stabiele silencing:

    • H3K27me3 (repressieve histonmethylatie)

    • histondeacetylatie

    • DNA-methylatie

  • hierdoor wordt het chromosoom compact heterochromatine (= Barr body)

• Rol van Tsix op het actieve X-chromosoom

  • het actieve X drukt Tsix uit, een antisense RNA van Xist

  • Tsix remt de activiteit en expressie van Xist

  • daardoor blijft dit X-chromosoom actief

• Timing

  • X-inactivatie gebeurt vroeg tijdens de embryonale ontwikkeling

  • tegen de gastrulatie is het proces grotendeels voltooid

Principe:
X-inactivatie start vanuit het Xic via expressie van het lncRNA Xist, dat het toekomstige inactieve X-chromosoom bedekt en repressieve epigenetische modificaties rekruteert. Hierdoor ontstaat stabiel heterochromatine en wordt dosage compensation tussen XX-vrouwen en XY-mannen mogelijk

mechanisme x-chromosome inactivation

Beckwith-Wiedemann syndrome

imprinting disorder bij biparental expression van IGF2

Girl with only 1 X-chromosome, either paternal (XP) or maternal (XM) origin.

turner syndrome

if inherited from father: Prader-Willi syndrome PWS Loss of paternal-specific gene expression (of multiple genes)

if inherited from mother: AS Angelman syndroom Loss of maternal-specific gene expression of UBE3 in the brain

defect on chromosome 15, inherited from father or mother

• Invloed op sociale competenties

  • geïmprinte genen spelen een belangrijke rol in hersenontwikkeling en gedrag

  • verstoringen in imprinting kunnen leiden tot afwijkingen in sociale interactie en cognitieve functies

• Regulatie van lichaamsgroei

  • veel geïmprinte genen controleren embryonale en postnatale groei

  • vaak bestaat een balans tussen:

    • paternale genen → stimuleren groei

    • maternale genen → remmen groei

  • voorbeelden zijn groeifactoren zoals IGF2

• Invloed op vetmetabolisme en cholesterol

  • imprinting beïnvloedt energieopslag, vetdistributie en metabolisme

  • afwijkingen kunnen bijdragen aan:

    • obesitas

    • metabole stoornissen

    • veranderde cholesterolhuishouding

Principe:
Genomische imprinting beïnvloedt vooral processen die cruciaal zijn voor ontwikkeling en overleving, zoals hersenfunctie, lichaamsgroei en energiehuishouding. Omdat slechts één ouderlijk allel actief is, kunnen fouten in imprinting sterke fenotypische gevolgen hebben

3 important general characteristics are typically related to X-imprinting

Monozygous twins have the same epigenetic profile during the first years of their life

Older twins have clear differences at the level of DNA methylation and histone modifications

epigenetic profile in monozygous twins

H19 (for a lncRNA, which is growthsuppressive)

KCNQ1

CDKN1

genes expressed on the maternal IGF2/H19 locus

IGF2 and KCNQOT1

genes expressed on the paternal IGF2/H19 locus