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 
Постојат 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:
Активни промотори Активни засилувачи Транскрибирани генски тела Стишени региони H3K4me3 H3K4me1 H3K36me3 H3K27me3 H3K27ac H3K27ac H3K9me3

 Метилација 
ДНК 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.

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.

 Метилациски места 
Заемноповрзаните 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.

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.

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.

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 претежно доследни во сите ткива и видови клетки.

 Фактори кои влијаат на шемата на метилација 
Квантификацијата 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.

 Корелација помеѓу метилацијата и генското изразување 
Метилацијата 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.

 Метилација во зародоците 
Било 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.

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.

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.

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.

 Метилација специфична за алел зависна од секвенца 
Нерамнотежата 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.

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.

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.

 Структурни изменувања 
Во 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.

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;

 Тополошки поврзани домени 
Тополошките 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>.

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. 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. 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.

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.

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.

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.

 Корелација помеѓу метилација и тродимензионална структура 
Проектот 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 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.

Овој вид студии во моментов се ограничени поради недостатокот или недостапноста на необработени податоци.

 Поврзано 

 Епигеном
 Епигеномика
 Епигенетика
 Уредување на епигеномот
 Проект за човечкиот епигеном

 Наводи 

Категорија:Епигенетика
Категорија:Генетика