Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов
http://engrailed.narod.ru/index.htm
Лекции по курсу «Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов»
Колесникова Татьяна Дмитриевна
engrailed@ngs.ru, trotsenko@mcb.nsc.ru
Иванов Михаил Константинович
Презентации Т.Д.Колесниковой
Лекция 1. Общие представления об эпигенетике
Лекция 2. Структура нуклеосомы
Лекция 3(1) Посттрансляционные модификации гистонов и гистоновый код
Лекция 3(2) АТФ-зависимый ремоделинг хроматина. Уровни организации хроматина
Лекция 4(1) Роль хроматина в регуляции активности генов. Репрессия и сайленсинг
Лекция 4(2) Гетерохроматин
Лекция 5 Механизмы регуляции экспрессии генов в эухроматине
Приложение к лекции 1 (методы) Микрочипы !!!
Лекции 2012
1.1 Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов
1.2 Как записана информация о дифференциальной экспрессии генов? Состояние хроматина может определять уровень экспрессии генов и наследоваться в клеточных поколениях!
2.1 Структура нуклеосомы
2.2 Стабильность связывания между ДНК и нуклеосомой может изменяться при замене основных вариантов гистонов на специфические и в результате ковалентных модификаций гистоновых хвостов
3.1 Механизмы передачи эпигенетического состояния в процессе репликации
3.2 Уровни организации хроматина (общий обзор)
4 Как происходит инактивация протяженных участков хромосом?
5.1 Зачем же нужен конститутивный гетерохроматин?
5.2 Еще одна роль гетерохроматина – участие в пространственной организации ядра
6 Энхансеры и инсуляторы
Статья Т.Д. Колесниковой для книги «Эпигенетика» «Механизмы эпигенетического наследования»
Статья
Презентации М.К.Иванова 2012
Лекция 1. РНК-интерференция – принцип, основные свойства и механизмы
Лекция 2. Эндогенные малые регуляторные РНК – гены, процессинг, механизмы действия
Лекция 3. РНК-интерференция – пересечения и расхождения путей, связь с модификациями хроматина
Лекция 4. Эпигенетические модификации ДНК и их роль в регуляции экспрессии генов
Лекция 5. РНК-интерференция и метилирование ДНК – способы анализа и перспективы практического применения
Программа курса
ВВЕДЕНИЕ
Общее представление об эпигенетике. Примеры эпигенетических явлений
Хроматин – высоко организованная система хранения генетической и эпигенетической информации
История открытия эпигенетических механизмов
Открытие метилирования ДНК и методы его выявления
Новые открытия в области эпигенетики, связанные с разработкой методов тотального секвенирования ДНК, ДНК-чипов, тотального картирования белков, выяснения белок-белковых взаимодействий, новых методов микроскопических исследований
Представление о многоуровневой регуляции экспрессии генов эукариот
Модельные объекты эпигенетики
2. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА
Структура нуклеосомы
Сборка нуклеосомы, гистоновые шапероны
Структура коровых гистонов
Участки взаимодействия между нуклеосомой и ДНК
Обработка хроматина микрококковой нуклеазой – метод картирования нуклеосом
Факторы, влияющие на стабильность взаимодействия между ДНК и нуклеосомой. Роль первичной структуры ДНК
Структура и функциональная роль гистоновых вариантов
Пост-трансляционные модификации гистонов: ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование, поли-АДФ-рибозилирование
Роль пост-трансляционных модификаций гистонов: изменение
электростатического взаимодействия между гистонами
Роль пост-трансляционных модификаций гистонов: модификаций гистонов как молекулярные метки.
Модификации гистонов и теория “гистонового кода”
Наследование паттерна метилирования ДНК.
Механизмы наследования гистонового кода
Сборка новых нуклеосом в репликационной вилке. Гипотеза полуконсервативности
Взаимодействие между молекулярными метками
Поздняя репликация в S-фазе – способ наследования герохроматинового состояния.
Неэпигенетические метки на примере транскрипции
АТФ-зависимый ремоделинг (реорганизация) хроматина
Структура комплексов ремоделинга. Классификация АТФаз, входящих в состав комплексов ремоделинга
Уровни организации хроматина
Ядерный матрикс, MAR
Инсуляторы
3. РОЛЬ ХРОМАТИНА В РЕГУЛЯЦИИ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ. РЕПРЕССИЯ И САЙЛЕНСИНГ
Временные локальные измененияхроматина в окрестностях промотора в регуляции транскрипции на примере генов, участвующих в репликации
Белки E2F и Rb, роль модификаторов гистонов и комплексов ремоделинга
Эпигенетическая репрессия-активация на примере регуляции генов раннего развития, обеспечиваемой белковыми комплексамиPolycomb и Tritorax
Сайленсинг – эпигенетическая репрессия протяженных фрагментов хромосом (Формирование гетерохроматина).
Эффект положения гена – инструмент для выявления и изучения гетерохроматиновых районов. Экспериментальные модели для исследования МЭП (хромосомные эу-гетерохроматиновые перестройки дрозофилы, встройка репортерных генов в хромосомы дрожжей).
Механизмы инициации сборки гетерохроматина. Роль белков, роль некодирующих РНК.
Распространение по хромосоме (спрединг) гетерохроматинового состояния. Каскадное взаимодействие белков и модификаций гистонов при формировании гетерохроматина у S. Cerevisiae и у высших эукариот
Организация хроматина гетерохроматиновых районов на примере S. сerevisiae.
Классификация гетерохроматиновых районов
Факультативный гетерохроматин – протяженные районы, содержащие гены в состоянии сайленсинга. Примеры районовфакультативного гетерохроматина.
Конститутивный гетерохроматин – генетически инертные, постоянно молчащие районы хромосом. Свойства конститутивногогетерохроматина. Распределение конститутивного гетерохроматина в хромосомах.
Роль прицентромерного гетерохроматина в поддержании функции центромеры.
Теломерный гетерохроматин и защита концов хромосом от слияния.
Роль упаковки повторенной ДНК в гетерохроматиновые белки – защита от рекомбинации.
Роль гетерохроматина в организации интерфазного ядра
Особенности ДНК конститутивного гетерохроматина. Повторенные последовательности, гены гетерохроматина
Современные поправки в исторически сложившиеся представления о гетерохроматине
4. МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ В ЭУХРОМАТИНЕ
Варианты паттернов экспрессии генов в эухроматине. Неоднородность эухроматина по способности влиять на экспрессиюрепортерного гена
Факторы, определяющие свойства хроматинового домена
Механизмы усиления экспрессии, связанные с изменениями структуры хроматина. Замена гистона H3 на вариант H3.3. Механизм дозовой компенсации в Х-хромосоме Drosophila melanogaster. Белок Painting of the Fourth.
Петлевая организация ДНК, роль MAR, инсуляторов и энхансеров
Районы «открытого» и «закрытого» хроматина на примере локусов генов альфа-глобинов и бета-глобинов человека
Организация бета-глобинового кластера. Роль LCR в регуляции
Организация альфа-глобинового кластера. Сравнение регуляции экспрессии генов альфа-и бета-глобинов
Сложные регуляторные элементы, включающие энхансеры, инсуляторы и сайленсеры на примере регуляторной зоны BX-C комплекса дрозофилы
5. КОРОТКИЕ НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК И РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ЭУКАРИОТ
РНК-интерференция – принцип, основные свойства и механизмы.
Разнообразие эффектов малых регуляторных РНК на экспрессию генов и функций этих РНК
“Классическая” РНК-интерференция: общая схема
Индукторы РНК-интерференции – длинные двуцепочечные РНК: структура, источники
РНК-интерференция: первая стадия (dicing)
РНК-интерференция: вторая стадия (slicing)
“Вторичная” РНК-интерференция
РНК-интерференция, противовирусная защита и стабильность генома
Белки Ago (argonaute): структура и роль на различных этапах РНК-интерференции
Эндогенные малые регуляторные РНК – гены, процессинг, механизмы действия.
Разнообразие типов малых регуляторных РНК у эукариот и их функций. Основные биологические активности малых регуляторных РНК
Гены микроРНК: строение, распределение в геноме, особенности транскрипции
Общие свойства микроРНК. Разнообразие их активностей и вариантов взаимодействия с мишенями
Ингибирование трансляции с участием микроРНК
Процессинг и экспрессия микроРНК
“Неклассические” малые регуляторные РНК: piРНК, rasiРНК и др.
Особенности биогенеза микроРНК и функционирования РНК-зависимого сайленсинга у растений
РНК-интерференция – пересечения и расхождения путей, связь с модификациями хроматина.
Биологические функции РНК-зависимого сайленсинга
Гены, участвующие в РНК-интерференции у C.elegans. Способы выявления и функции.
Виды РНК-зависимых модификаций хроматина
РНК-зависимый сайленсинг: общее и различия у растений, насекомых, нематод и высших позвоночных
Транскрипционный сайленсинг с участием малых РНК у S.pombe. Компоненты комплексов RITS и RDRC, их роль
РНК-зависимое метилирование ДНК у растений
Участие scnРНК в диминуции хроматина у Tetrahymena
Особенности систем РНК-зависимого сайленсинга у растений, млекопитающих, насекомых, дрожжей и C.elegans
Регуляция экспрессии генов с участием некодирующих РНК-структур у бактерий
Возможные пути происхождения новых регуляторных РНК, задействованных в РНК-интерференции
6. ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДИФИКАЦИИ ДНК И ИХ РОЛЬ В РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ
РНК-интерференция, модификация гистонов и метилирование ДНК: связь между механизмами
Метилирование ДНК: известные функции
Метилирование ДНК и репликативный цикл. Активное и пассивное деметилирование ДНК
Метилирование ДНК: ферментативный аппарат, другие факторы
Метилирование ДНК: биологическая специфичность, распределение метилированной ДНК в геномах эукариот
CpG островки, их свойства и функции
Прямое и опосредованное воздействие метилирования на транскрипцию. MBD-белки
Метилирование ДНК и геномный импринтинг
Связь гипо- и гиперметилирования ДНК с канцерогенезом и возможная связь со старением. Изменение паттернов метилированияДНК в онтогенезе
7. РНК-ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И МЕТИЛИРОВАНИЕ ДНК – СПОСОБЫ АНАЛИЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Способы выявления малых регуляторных РНК и их мишеней
Направления и перспективы практического использования РНК-интерференции
Связь нарушений экспрессии микроРНК с заболеваниями человека
Принципы дизайна малых интерферирующих РНК и способы их наработки
Способы доставки siРНК в клетки эукариот и индукции РНК-интерференции in vivo и in vitro
Проблемы и практические ограничения прикладной РНК-интерференции
Основные подходы, используемые для анализа метилирования ДНК
Методы качественного анализа метилирования ДНК
Методы количественного анализа метилирования ДНК
Учебники:
- С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. Хроматин: упакованный геном. «Бином. Лаборатория знаний». 2009. С. 172. Есть уже 3е издание. 2013. 173 с. Эту "маленькую, да удаленькую" книжку можно понять глубоко только вместе с этими лекциями {ПИБ 21:30К 6/7/13}
- Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г., 258 c. Хорошо изданная, но трудно читаемая книга.
Дополнительная литература:
1. D. Allis, T. Jenuwein, D. Reinberg, M.-L. Caparros. Epigenetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2007. • 502 pp. ISBN-10: 0879698756. Есть русский перевод: Эллис С.Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д. Эпигенетика. Техносфера. 2010. 496 стр. {epi228}
2. R. K. Gaur, J. J. Rossi (Eds) Regulation of Gene Expression by Small RNAs CRC Press; 2009. 440 pp.
3. N. Walter, S. A. Woodson, R.T. Batey (Eds) Non-Protein Coding RNAs (Springer Series in Biophysics) Springer; 2008. 398 pp.
4. Эпигенетика под ред. Закиян С.М,, Власов В.В,, Дементьева Е.В. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. Это не учебник. Хотя грамотнее написанной книги по современной эпигенетике на русском языке нет. Правда, тираж был очень маленький. Предполагается переиздание (возможно, и в электронном виде в СФУ) для того, чтобы русскоязычные студенты могли изучать эпигенетику, а преподаватели могли писать грамотные пособия для студентов по эпигенетике. Сурен Минасович Закиян (email: zakian@bionet.nsc.ru) руководит процессом переиздания книги.
