epigenetik modifikasyonlar ve erkek infertilitesi

EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR VE

ERKEK İNFERTİLİTE İLİŞKİSİ

Yrd. Doç. Dr. Hakan GÜRKANTrakya Üniv. Tıp Fak. Tıbbi Genetik A.D.

EPİGENETİK NEDİR ?

EPİGENETİK NEDİR ?

• Temel DNA dizi değişikliği olmadan, gen

ifadesinde veya hücresel fenotipte hücre

bölünmesi (mitoz ve/veya mayoz) boyunca bir

nesilden diğerine geçebilen kalıtımsal

değişikliktir.

Monozigotik ikizler ortak bir genotipi paylaşırlar ve genetik olarak identiktirler

Önemli fenotipik uyumsuzluk sonucu:Mental HastalıklarKanser

Epigenetik: Aynı genom, farklı fenotip, farklı gen anlatım profili

Agouti “İkiz” Kardeşler

Epigenetik Değişim

Ancak epigenetik değişimler geri dönüşümlü

oluşları ve DNA’nın baz dizisinde bir değişime

neden olmamaları gibi özellikleriyle genetik

değişimlerden ayrılırlar.

EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR NELERDİR?

• DNA metilasyonu,

• Histon metilasyonu,

• Histon asetilasyonu,

• Histon fosforilasyonu ve

• Kromatin yeniden düzenlenmesi gibi

nükleozom konumunu değiştirerek tüm kromatin

yapısı üzerinde doğrudan etki eden

düzenlemelerdir.

EPİGENETİK MEKANİZMALAR

• Epigenetik mekanizmalar DNA ve histonlar

arasındaki ilişkiyi düzenleyerek, genlerin

transkripsiyonel olarak aktif veya inaktif

olmalarını sağlarlar.

Epigenetik Mekanizmalar1. Transkripsiyonel

A. Histon modifikasyonları

B. DNA metilasyonu

2. Post - transkripsiyonel

RNAi

Bu mekanizmalar esas olarak transkripsiyon regülatörlerinin

DNA’ya ulaşabilirliğini etkilerler.

1. TRANSKRİPSİYONEL

MEKANİZMALAR

A. Histon Modifikasyonları

1.Histon asetilasyonu / deasetilasyonu

2.Histon metilasyonu

3.Serin veya treoninlerin fosforilasyonu

4.Glutamik asitlerin ADP-ribozilasyonu

5.Histon ubiquitinasyonu

Histon Asetilasyonu Hipoasetilasyon:Nükleozomlar

arası güçlü bağlantılar

Hiperasetilasyon (sarı):Nükleozomlar arası zayıf bağlantılar:

Histon uçları DNA’yı sınırlamaz ve transkripsiyon faktörleri DNA’ya bağlanabilir.

Histone deacetylase

Asetilasyonun 2 fonksiyonu vardır:1. Pozitif yüklü lizin rezidülerini nötralize

eder.

2. Histon uçları ile yapısal proteinler arasındaki bağlantıları destabilize eder.

Histon Modifikasyonu

Mekanizma:

• Acetylation of H3 or H4 leads to unfolding and accessibility of chromatin (histone acetyltransferases)• Methylation of K4 of H3 = active gene expression• Methylation of K9 of H3 = gene silencing

DNA METİLASYONU

• Gen ifadesini değiştirerek hücre

fonksiyonlarını değiştiren ve bir metil

grubunun kovalent şekilde DNA

metiltransferaz (DNMT) katalizinde, bir

CpG dinükleotidindeki Sitozinin 5.

karbonundan yapıya eklenmesini ifade

eden epigenetik bir modifikasyondur.

DNA METİLASYONU

• DNA metilasyonunun en önemli görevi

gen regülasyonu’dur.

DNA metilasyon özellikleri

• Transkripsiyonal “silencing”

• Genomu transposizyondan koruma

• Genomik imprinting

• X inaktivasyonu

• Doku spesifik gen anlatımı

DNA METİLASYONU

• DNA metilasyonu, insanlarda ve pek çok

memelide yalnızca Guanozin (G) tarafından

takip edilen Sitozin (C) bazını etkiler.

• Yalnızca CpG alanlarında gözlenir.

DNA METİLASYONU

DNA METİLASYONU

DNA METİLASYONU

• İnsan DNA’ sındaki tüm CpG alanlarının

% 70-80’ i metillenmiştir.

EPİGENETİK MODİFİKASYONLAR ve

TRANSKRİPSİYON ÜZERİNE ETKİLERİ

CpG NEDİR ?

• CpG, Sitozin fosfo Guanin anlamına gelir.

• İnsanlarda CpG dinükleotidi sıklığının ölçüsü

çok azdır, bu CG baskılanması olarak

bahsedilen bir olaydır.

GC Baskılanması

• İnsan genomunun başından sonuna kadar

300- 3000 bç uzunluğundaki küçük alanlar

haricinde, çok belirgindir.

• Bu alanlara CpG adacıkları denilmektedir

ve genomun %1 kadarında bulunduğu

düşünülmektedir.

CpG ADACIKLARI NEDİR ?

• Retinoblastoma gen bölgesindeki CpG adacıkları. Noktalı çizgi CpG alanlarının

istatiksel olarak beklenen sıklığı (1/16) temsil etmekteyken, grafik ise Rb geninin ekzon

ve intronlarını da içeren 180 kb lık DNA sekansındaki CpG alanlarının sıklığının

istatistiksel ölçüsünü temsil etmektedir. İki CpG adacığının yeri oklarla gösterilmektedir.

Yalnızca 5’ ucuna en yakın CpG adacığı genin promotoruna rastlamaktadır.

CpG ADACIKLARI

• CpG adalarının öncelikli olarak, ifade olan

genlerin 5’ bölgesinde bulundukları

gözlenmiştir ve insan promotorlarının %

60’ından fazlası bu CpG adalarını

içermektedir.

CpG ADACIKLARI

• Promotorlardaki CpG adaları metillendikleri zaman gen

sürekli sessiz hale gelir ve bu sessizlik mitoz bölünmeler

boyunca aktarılır.

• Bu sebeple CpG adacıklarının metilasyonu epigenetik

bir modifikasyonu temsil eder.

Bir genin metillenme derecesi neyi ifade eder ?

• Bir genin metillenme derecesi ile ifade edilme

derecesi arasında ters bir ilişki vardır.

• Metillenme oranı gen ifadesi oranı

• Metillenme oranı gen ifadesi oranı

Bir genin metillenme derecesi neyi ifade eder ?

• Metillenme dokuya özgüdür ve bir

kere gerçekleşince o dokunun bütün

hücrelerine aktarılır.

DNA metilasyonu gen ifadesini nasıl kontrol eder ?

• 1- Metillenmiş promotor bölgelerine bağlanabilen proteinlerin hedef

dizilere (sekanslara) bağlanarak, esas bağlanması gereken

transkripsiyon faktörlerinin buralara bağlanmasını engelleyerek,

• 2- Transkripsiyon faktörlerinin metillenmiş sitozine bağlanmasını

engelleyerek,

• 3- Kromatin yapısını değiştirerek transkripsiyon miktarında bir

değişim gerçekleştirerek.

2. POST-TRANSKRİPSİYONEL MEKANİZMALAR

RNA İNTERFERENCE (RNAi)

RNA interferens, çift zincirli RNA (double stranded RNA; dsRNA) tarafından başlatılan dizi spesifik post-transkripsiyonel gen

sessizleştirme sürecidir.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

• Cinsiyet farklılaşmasını düzenleyen önemli olaylar

örneğin;

- “genomik imprinting” (genlerin sadece paternal ya da

sadece maternal olarak ifade edilmesi, paternal gen aktif

ise maternal gen suskundur),

- X-kromozom inaktivasyonu ve

- Embriyonik gelişim DNA metilasyonu ile ilişkilidir.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

• Metilasyon somatik hücrelere kalıcı şekilde

aktarılırken, gelecek nesilde bu metilasyon işaretleri

ortadan kaldırılarak yeniden oluşturulabilir.

• Genom kapsamında, oosit DNA’sı hipometillenmeye

meyilliyken sperm DNA’sı hipermetilasyona meyillidir.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

• Fertilizasyonun ardından dişi ve erkek pronükleusları

aynı gelişimi göstermediklerinden, dişi ve erkek

gametlerindeki metilasyon seviyesi embriyoların gelişim

potansiyellerini etkileyebilir.

• Gametlerdeki anormal metilasyon seviyesi, bu gametler

normal görünseler de, implantasyon başarısızlıklarına

neden olabilir.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

• Erkek germ hücrelerinde DNA metilasyonunun

kazanımı mitotik ve mayotik germ hücrelerinde

doğumdan sonra devam eder ve mayoz I’in

pakiten evresinde tamamlanır.

• Spermatogeneze özgü genleri araştıran

çalışmalar, sperm genomunda doğru

DNA metilasyonunun kazanılmasının,

sperm olgunlaşmasının kritik bir yüzünü

temsil edebileceğini ifade etmektedir.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

• Metilasyon, erkek germ hücre serisinde, somatik

dokular ile karşılaştırıldığında özgündür: Doğum

öncesi fetal gonadda başlar ve postnatal

spermatogenez süresince tamamlanır.

DNA metilasyonu ve erken embriyogenez

DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?

• Spermatogenez ve epididimal taşınma sırasında

meydana gelir.

• Sperm genomunda DNA metilasyonu spermatozoanın

maturasyonunda son derece önemli bir reaksiyondur.

DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?

• Spermatogonial’den spermatosit transisyonu

boyunca metilasyonun hem kaybı hem de

kazanımı gerçekleşir.

DNA metilasyonu ne zaman meydana gelir ?

• Bazı testise özgü tek kopya genler (fosfogliserat

kinaz-2, transisyon protein 1) spermatogenez

boyunca ekspresyonlarında demetile olurlar.

Sperm DNA’sının Metilasyonu

• Memeli sperm DNA’sının somatik

hücrelerden daha az, premayotik germ

hücrelerinden daha çok 5-metil-sitozin

(metillenmiş DNA), içerdiği rapor edilmiştir.

5’-azasitidin

• Erkek germ hücresi gelişiminde DNA

metilasyonunun etkisi, 5’-azasitidinin

spermatogeneze etkisi ile gösterilmiştir.

5’-azasitidin

• 5’-azasitidinin replikasyon sırasında DNA’ya girer ve

DNA metilasyonunu bloke eder. Böylece;

- testiste ve epididimiste kondanse olmuş spermatid ve

sperm sayısı azalır ve

- implantasyon öncesi embriyo gelişiminde anormallikler

ortaya çıkar.

DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• İmprinting defektlerinin bozuk spermatogenezden kaynaklanıp

kaynaklanmadığı araştırıldığında, orta derece ve ciddi

oligozoospermik hastalarda H19 geninin doğru olarak

metillenmediği ortaya çıkmıştır.

• Marques CJ, Carvalho F, Sousa M, Barros A. Genomic imprinting in disruptive spermatogenesis. Lancet 2004 363(9422):1700-2.

H19 Genindeki Hipometilasyonun Etkisi

• H19 geninin normal şartlarda spermatogenez

sırasında premayotik evrede babadan gelen

allelinin metilasyona uğrayarak imprinte

olması ve bunun da bir supresör geni

baskılaması neticesi IGF2’nin eksprese olması

gerekir.

H19 Genindeki Hipometilasyonun Etkisi

• Normalde babadan gelen IGF2 geni bu mekanizma ile eksprese

olurken, anneden gelen kromozomdaki IGF2 geni, supresör geni

metilasyona uğramadığı için, inhibe durumda kalır.

• Oysa babaya ait allel yeteri kadar imprinte olamamışsa, yani

supresör gen baskılanamamışsa, IGF2 de yeteri kadar eksprese

olamayacaktır.

• Bu durumda hem anneden hem de babadan gelen kromozomlarda

IGF2 eksprese olamayacağından, spermatogenez de normal

işlemeyecek ve neticede oligozoospermi gelişecektir.

DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Bu çalışmanın sonuçlarına göre, hipospermatogenez ile

anormal genomik imprinting ilişkilidir ve oligozoospermik

erkeklerin spermleri imprinting hatalarının aktarımı

hususunda artmış risk taşırlar.

• Marques CJ, Carvalho F, Sousa M, Barros A. Genomic imprinting in disruptive spermatogenesis. Lancet 2004 363(9422):1700-2.

DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Paternal genomun metilasyon durumu

önemli bir faktördür.

DNA Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Sperm global DNA metilasyonu seviyesinin İn Vitro

Fertilizasyon (IVF) başarısı üzerine etkisinin araştırıldığı

bir çalışmada, metilasyonunun fertilizasyon oranlarını

etkilemezken, embriyo gelişimini etkilediği (metilasyon

belli bir değerin altında ise, embriyo gelişimi bozuluyor)

sonucuna varılmıştır.

• Benchaib M, Braun V, Ressnikof D, Lornage J, Durand P, Niveleau A, Guerin JF. Influence of global sperm DNA methylation on IVF results. Hum Reprod. 2005 20(3):768-73.

DNA metilasyonu ve embriyogenez

• İntra Sitoplazmik Sperm İnjeksiyonu (ICSI) ile elde edilen erkek

insan embriyoları, gelişimlerinin 4. gününden itibaren dişilere göre

belirgin olarak daha çok normal hücre içeren blastosistlerden

oluşmuştur.

• Ancak böyle bir farklılık IVF ile elde edilen embriyolarda

gözlenmemiştir.

• Dumoulin JC, Derhaag JG, Bras M, Van Montfoort AP, Kester AD, Evers JL, Geraedts JP, Coonen E.Growth rate of human preimplantation embryos is sex dependent after ICSI but not after IVF. Hum Reprod. 2005 20(2):484-91.

DNA metilasyonu ve embriyogenez

• Embriyolar arasındaki cinsiyete bağlı ortaya çıkan bu

büyüme farklılığının, ICSI işleminin X-kromozom

inaktivasyonunu sağlayan epigenetik olaylarla

çatışmasından kaynaklanabileceği hipotez edilmiştir.

• Dumoulin JC, Derhaag JG, Bras M, Van Montfoort AP, Kester AD, Evers JL, Geraedts JP, Coonen E.Growth rate of human preimplantation embryos is sex dependent after ICSI but not after IVF. Hum Reprod. 2005 20(2):484-91.

• İnfertil çiftlerdeki genetik faktörlere ek olarak, çevresel faktörlerin de

(hormonlar ve kültür medyumları) implantasyon, plasentasyon, organ

oluşumu ve fetal büyümeyi kontrol eden epigenetik süreçlere negatif

etkileri olabileceği hakkında günümüzde giderek artan kanıtlar

mevcuttur.

• Tüm bunlara ek olarak, epigenetik kontrolün kaybı, gizlenmiş genetik

varyasyonların ortaya cıkmasına neden olabilir.

Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Erkek üreme organlarının gelişimi,

spermatogenez ve normal seksüel aktiviteyi

kontrol eden genlerin, doğru zamanlarda ifade

edilmelerinin yanı sıra doğru miktarlarda ifade

edilmelerinin önemi açıktır.

Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Eğer bazı diyetler, ilaçlar veya çevresel kimyasallar DNA

metilasyonunu değiştirebilme kapasitesine sahip iseler,

bu tür zenobiyotiklerin (organizmaya yabancı

maddeler) erkek üreme kapasitesine olan etkilerini

araştıran daha fazla çalışmaya gereksinim olduğu bir

gerçektir.

Metilasyonu ve spermatogenez ilişkisi

• Erkek üreme sisteminin gelişiminde ve spermatogenezi

etkileyebilen genlerin ifadesinde DNA metilasyonunun

rolü, metilasyon bozukluklarının infertilitedeki önemine

dikkat çekmektedir.

İlginiz için teşekkürler