Unter Epigenetik versteht man die Untersuchung vererbbarer Veränderungen der Genexpression, die ohne Veränderungen der zugrunde liegenden DNA-Sequenz auftreten. Diese Mechanismen sind für die normale Entwicklung, Zelldifferenzierung und genomische Prägung unerlässlich und ihre Fehlregulation trägt zur Entstehung von Krebs und anderen Krankheiten bei.
DNA-Methylierung
Die DNA-Methylierung erfolgt hauptsächlich an Cytosinbasen in CpG-Dinukleotiden und wird durch DNA-Methyltransferasen (DNMTs) katalysiert. DNMT3A und DNMT3B legen Methylierungsmuster während der Entwicklung fest (De-novo-Methylierung), während DNMT1 Methylierungsmuster während der DNA-Replikation aufrechterhält, indem es die Methylierung vom Elternstrang auf den Tochterstrang kopiert. CpG-Inseln, Regionen mit hoher CpG-Dichte, die häufig in Genpromotorregionen vorkommen, sind in aktiven Genen typischerweise nicht methyliert. Die Methylierung von Promotor-CpG-Inseln ist mit der Repression der Transkription verbunden, entweder durch direkte Blockierung der Transkriptionsfaktorbindung oder durch Rekrutierung von Methyl-CpG-Bindungsdomänenproteinen (MeCP2, MBD1–4), die Histondeacetylasen und Chromatin-Remodelling-Komplexe rekrutieren. DNA-Methylierungsmuster werden während der Embryogenese und Gametogenese umprogrammiert, wobei die globale Demethylierung kurz nach der Befruchtung erfolgt, gefolgt von einer linienspezifischen Remethylierung.
Histonmodifikationen
Histonproteine unterliegen an ihren N-terminalen Enden einer Vielzahl posttranslationaler Modifikationen, darunter Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung, Ubiquitinierung und Sumoylierung. Die durch Histonacetyltransferasen (HATs) katalysierte Histonacetylierung neutralisiert die positive Ladung von Lysinresten, verringert die Affinität zwischen Histonen und DNA und erzeugt eine offene, transkriptionell aktive Chromatinstruktur. Histondeacetylasen (HDACs) kehren diese Modifikation um, stellen die positive Ladung wieder her und fördern die Chromatinverdichtung und die Gen-Stummschaltung. Die Histonmethylierung kann je nach spezifischem Rest und Methylierungsgrad entweder aktivierend oder repressiv sein. H3-Lysin-4-Trimethylierung (H3K4me3) markiert aktive Promotoren, H3-Lysin-36-Trimethylierung (H3K36me3) markiert transkribierte Genkörper und H3-Lysin-27-Trimethylierung (H3K27me3), hinterlegt durch Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), markiert stillgelegte Entwicklungsgene. Die H3-Lysin-9-Trimethylierung (H3K9me3) ist mit konstitutivem Heterochromatin an Zentromeren und Telomeren verbunden.
Chromatin-Remodellierung
ATP-abhängige Chromatin-Remodelling-Komplexe nutzen die Energie der ATP-Hydrolyse, um Nukleosomen zu verschieben, auszuwerfen oder umzustrukturieren und so DNA für Transkriptionsfaktoren und andere regulatorische Proteine zugänglich zu machen. Die SWI/SNF-Familie (BAF-Komplexe bei Säugetieren) mobilisiert Nukleosomen, um die Transkriptionsfaktorbindung zu fördern, und ist bei Krebs häufig mutiert, wobei Mutationen in ARID1A, SMARCA4 und SMARCB1 bei Eierstock-, Lungen- und Kinderkrebs vorkommen. Komplexe der ISWI-Familie fördern den Nukleosomenabstand und die Chromatinverdichtung, Komplexe der CHD-Familie (einschließlich NuRD) spielen sowohl bei der Aktivierung als auch bei der Unterdrückung eine Rolle und Komplexe der INO80-Familie sind an der DNA-Reparatur und -Replikation beteiligt. Die kombinatorische Wirkung dieser Umbaukomplexe schafft die Landschaft der Chromatinzugänglichkeit, die die zelluläre Identität definiert.
Genomische Prägung
Genomische Prägung ist ein epigenetisches Phänomen, bei dem eine Untergruppe von Genen auf eine elternspezifische Weise exprimiert wird. Geprägte Gene werden während der Gametogenese durch unterschiedliche DNA-Methylierung gekennzeichnet, wobei entweder das mütterliche oder das väterliche Allel methyliert und zum Schweigen gebracht wird. Der IGF2/H19-Locus ist ein klassisches Beispiel: IGF2 wird nur vom väterlichen Allel exprimiert, während H19 nur vom mütterlichen Allel exprimiert wird, reguliert durch eine Imprinting Control Region (ICR), die CTCF auf dem mütterlichen Chromosom bindet, um den Enhancer-Zugang zu IGF2 zu blockieren. Zu den Prägungsstörungen gehören das Prader-Willi-Syndrom (väterliche Deletion von 15q11-q13, wobei das mütterliche Allel durch die Prägung zum Schweigen gebracht wird) und das Angelman-Syndrom (mütterliche Deletion derselben Region, wobei das väterliche Allel zum Schweigen gebracht wird), was die klinische Bedeutung der Auswirkungen auf die Herkunftseltern verdeutlicht.
X-Chromosomen-Inaktivierung
Bei weiblichen Säugetieren wird eines der beiden Der Prozess wird durch die lange nichtkodierende RNA Xist eingeleitet, die vom zukünftigen inaktiven X-Chromosom transkribiert wird und es mit cis umhüllt, wodurch Chromatin-Modifikatoren rekrutiert werden, die repressive Markierungen hinterlassen, darunter H3K27me3 und H2AK119ub. Das inaktive X-Chromosom wird zu einem kompakten Barr-Körper, repliziert sich spät in der S-Phase und die meisten seiner Gene werden stabil stillgelegt. Die X-Inaktivierung erfolgt im eigentlichen Embryo zufällig, wird jedoch im extraembryonalen Gewebe eingeprägt (väterliches X zum Schweigen gebracht). Das inaktive X wird während der Oogenese reaktiviert, bleibt aber im Sperma inaktiv.
Epigenetische Reprogrammierung in der Entwicklung
Nach der Befruchtung wird das väterliche Genom vor der DNA-Replikation schnell aktiv demethyliert, während das mütterliche Genom durch passive Verdünnung langsamer demethyliert wird. Auf diese Löschung elternspezifischer epigenetischer Markierungen folgt eine De-novo-Methylierung im Blastozystenstadium, wodurch die epigenetischen Muster etabliert werden, die die linienspezifische Genexpression steuern. Urkeimzellen durchlaufen eine umfassendere epigenetische Neuprogrammierung, einschließlich der Löschung von Abdrücken, um die Totipotenz wiederherzustellen. Induzierte pluripotente Stammzellen werden durch die Neuprogrammierung somatischer Zellen durch erzwungene Expression von Transkriptionsfaktoren (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) erzeugt, begleitet von einem globalen epigenetischen Umbau, der das somatische Zellgedächtnis löscht.
Epigenetik bei Krankheiten
Aberrante DNA-Methylierungsmuster sind ein Kennzeichen von Krebs, wobei eine globale Hypomethylierung die genomische Instabilität fördert und eine fokale Hypermethylierung von Promotoren von Tumorsuppressorgenen (wie BRCA1, MLH1, CDKN2A) zu deren Stummschaltung führt. Mutationen in epigenetischen Modifikatoren sind selbst onkogen, einschließlich IDH1/IDH2-Mutationen, die 2-Hydroxyglutarat produzieren, TET-Demethylasen hemmen und einen CpG-Inselmethylator-Phänotyp verursachen. Zu den epigenetischen Therapien gehören DNA-Methyltransferase-Inhibitoren (Azacitidin, Decitabin) für das myelodysplastische Syndrom und akute myeloische Leukämie sowie HDAC-Inhibitoren (Vorinostat, Romidepsin) für das kutane T-Zell-Lymphom. Umweltfaktoren wie Ernährung, Stress und Rauchen können epigenetische Merkmale verändern und durch das aufstrebende Gebiet der Umweltepigenetik einen Zusammenhang zwischen Lebensstil und Genexpressionsänderungen und Krankheitsrisiko herstellen.
