Endometrios och dna-metylering

Idag är det sista dagen i mars, som var endometriosmånaden. Endometrios verkar vara ett jävla elände, svårt att göra något åt och dessutom vanligt. Sjukdomen har med celldifferentiering att göra; det börjar växa livmoderliknande celler utanför livmodern, där de orsakar smärta och infertilitet. Ingen vet vad det egentligen beror på, men det verkar vara något som kommer i och med menstruationscykeln hos människor och andra primater. Livmoderslemhinnan differentieras, alltså utvecklas, varje månad oavsett om något befruktat ägg implanteras eller ej, och stöts ut vid mensen. Hos andra däggdjur händer det inte förrän det fastnar ett befruktat ägg; det verkar vara något med den här upprepade differentieringen och utstötningen som på något sätt kan gå snett och orsaka endometrios.

Den sjätte mars kom det en artikel, Genome-Wide DNA Methylation Analysis Predicts an Epigenetic Switch for GATA Factor Expression in Endometriosis  (Dyson m.fl. 2014), om dna-metylering och genreglering i endometrios. Den är en av många som går ut på att förstå vilka gener och signalvägar i celler som är inblandade i sjukdomen. Den leder inte direkt till någon behandling, men bidrar förhoppningsvis en liten del till en grund att stå på för att kunna utveckla en. Författarna har jämfört dna-metylering och genuttryck i endometriosceller och normala celler, obehandlade och behandlade med en hormoncocktail som liknar den som får livmoderslemhinnan att mogna, för att se vilka gener som verkar regleras konstigt i de sjuka cellerna. Redan tidigare finns det en lista på viktiga gener som uttrycks och metyleras annorlunda i endometrios, och författarna hittar ett gäng till, framför allt ett par gener i GATA-familjen.

Genuttryck handlar alltså om vilka gener som cellen använder och inte. Alla celltyper har samma arvsmassa, men de använder olika delar av den. Genuttryck regleras på många olika sätt, men dna-metylering är ett av de epigenetiska märken som kan vara inblandat i att reglera vissa gener. Författarna kom fram till att genuttryck skiljer sig en hel del mellan sjuka och friska celler, men framför allt blir det stora ändringar när cellerna utsätts för hormoner. Men dna-metyleringen, däremot, var relativt oförändrad av hormonbehandlingen men skilde sig mellan sjuka och friska celler.

För att sortera fram de gener som mest troligt reglerades av dna-metylering hittade de på en statistisk analys som jag tycker verkar intressant men inte är helt övertygad om att jag förstår. Det är en linjär modell av genttryck som funktion av dna-metylering vid cytosiner nära genen och en variabel som beskriver cytosinens läge i förhållande till genen (och närmaste CpG-ö). De sökte efter en statistisk interaktion mellan läge och metylering; tanken är att det är mer troligt att genen regleras av dna-metylering om metyleringen är specifik för ett visst mindre område. Interaktionsanalysen ger dem i alla fall en liten lista på extra intressanta gener, bland annat GATA-gener. De är en familj av transkriptionsfaktorer, alltså gener som i sin tur reglerar andra gener.

Författarna prövade att slå ut och överuttrycka GATA2 och GATA6 genen i endometriosceller. Det är en fantastiskt bra sak med cellkultur, att det ibland går att göra genetiska modifikationer i celler som kommer från riktiga patientprover. Det är förstås inte riktigt att experimentera med sjuka celler i sin naturliga miljö, men det är ganska nära. Högt uttryck av GATA2 verkar leda till differentiering, medan högt uttryck av GATA6 får normala celler att bete sig mer som endometriotiska celler. Tyvärr räckte det inte med att slå ner GATA6 och öka GATA2 för att få sjuka celler att bete sig som friska igen. Men de försökte i alla fall. Det finns fler gener att pröva.

Litteratur

Dyson MT, Roqueiro D, Monsivais D, Ercan CM, Pavone ME, et al. (2014) Genome-Wide DNA Methylation Analysis Predicts an Epigenetic Switch for GATA Factor Expression in Endometriosis. PLoS Genet 10(3): e1004158. doi:10.1371/journal.pgen.1004158

Annonser

Epigenetik: epimutanter i backtrav

Cytosinmetylering av dna är den klassiska molekylära epigenetiska mekanismen: alltså, någonting som inte ändrar dna-sekvensen men som ändå kan gå i arv: från modercell till dottercell vid celldelning och ibland till och mellan geneationerna vid sexuell reproduktion. Det som händer är att en av de fyra kvävebaserna i dna (cytosin, C) kan ha en extra metylgrupp eller inte. Metyleringsstatusen förs vidare när dna kopieras. Så, varför kallas cytosinmetylering inte en sekvensändring? Det ändrar bevisligen på dna-molekylens kemiska sammansättning. Jo, men det ändrar inte komplementariteten mellan baserna; C passar fortfarande med G och inte med de andra. Det ändrar inte heller på aminosyrasekvensen i kodande sekvenser när de skrivs av till rna och sedan används till proteinsyntes. Däremot kan de ändra hur andra proteiner binder till dna och på så sätt fungera genreglerande. Inte för inte tittar epigenetiska studier väldigt ofta på dna-metylering.

Arabidopsis_thaliana

(Arabidopsis thaliana. Foto: Marco Roepers CC:BY-SA 3.0)

Epigenetik är intressant av flera anledningar: dels för att förstå hur celltyper i olika delar av organismen blir som de blir, dels för att det öppnar för intressanta transgenerationseffekter där saker som hänt föräldrarna eventuellt kan påverka avkomman och dels för den spännande tanken att dna-metylering skulle funka som ett extra lager av ärftlighet. Det skulle kunna fungera ungefär som genetik, men inte baserat på skillnader i dna-sekvens mellan individer utan på stabila skillnader i dna-metylering. Det finns några exempel, både hos djur och växter (Cubas m. fl. 1999), men de är en smula obskyra.

Häromveckan kom en artikel (Cortijo m.fl 2014) jag har väntat på sen i somras: den senaste i en serie experiment med en helt bisarr experimentpopulation som några galna (på ett bra sätt!) vetenskapare har kommit på. De har tagit fram en korsning av backtrav där alla individerna är genetiskt identiska (nästan helt) men har olika dna-metyleringsmönster. Detta därför att en av ursprungsväxterna i korsningen är en transgen planta som saknar en viktig gen som metylerar dna. Transgenen har de korsat ut, så avkomman har normal dna-metylering, men de har ändå ärvt olika metyleringsmönster från den ursprungsväxten. Det visar sig att flera egenskaper skiljer sig mellan individer med samma dna men olika dna-metylering, bland annat blomningstid och rotlängd. Det betyder att de egenskaperna kan påverkas av ärftliga dna-metyleringsskillnader. Även om de här skillnaderna är framtagna i labbet i en ganska artificiell situation visar det på att en skillnader i de här egenskaperna kan förklaras av epigenetik.

I den här artikeln har författarna gjort en metyleringsbaserad variant av genetisk kartläggning. De har alltså testat dna-metyleringen på regioner jämt utspridda i genomet (epigenetiska markörer!) och letat efter markörer associerade med egenskaperna. På så sätt hittar de kromosombitar som bör innehålla någon variant, i det här fallet en dna-metyleringsvariant, som orsakar en skillnad i egenskapen. Det är precis som genetisk kartläggning men med epigenetiska varianter istället för genetiska. Sedan får författarna precis samma svårigheter som en alltid får med genetisk kartläggning: de har associerade regioner på kromosomer. Vilken av alla gener i området är det som påverkats av en variant? Och, i det här fallet, vilken sekvens är det som är metylerad eller inte metylerad och får något att hända? Hur som helst kan de kartlägga de stabila epigenetiska varianter som kan förklara skillnader mellan individer i komplexa egenskaper som blomningstid. Nu börjar det likna något.

Litteratur

Cortijo, Sandra, et al. (2014) Mapping the Epigenetic Basis of Complex Traits. Science 343 1145-1148.

Preludium till epigenetiken

På sista tiden har det skrivits en och annan mer eller mindre bra förklaring av epigenetik. Jag ska försöka göra en till. Epigenetik är nämligen för tillfället på modet och det dräller av epigenetiska resultat.

Det bästa sättet att se var det kan finnas utrymme epigenetiska fenomen kan vara att jämföra cellertyperna i kroppen hos flercelliga organismer som vi själva. Med några lysande undantag — vissa gener i immunförsvaret går igenom slumpvisa omflyttningar under immunförsvarets utveckling; könscellerna har bara en kopia av genomet; och då och då inträffar det ju mutationer — har alla cellerna samma DNA. Ändå är de såklart väldigt olika.

Framför allt tillverkar de olika proteiner. Proteinerna är cellernas verktyg för att få något att hända; och proteinerna kodas av gener. Att en gen uttrycks innebär att den skrivs av från DNA till RNA och sedan (oftast; om inte cellen av någon anledning gör sig av med RNA-kopian innan den hinner användas) att proteinet kommer tillverkas.

Det är en komplicerad blandning av olika faktorer som får en cell att uttrycka en viss kombination av gener. (Hur individen utvecklas under sin livstid är en hel vetenskap i sig som kallas utvecklingsbiologi — observera skillnaden mot evolutionsbiologi, som handlar om hur populationer förändras över generationerna.) Olika kemiska signaler som utsöndras i embryot styr den i rätt riktning, och kontakten med närliggande celler spelar också roll.

Allt börjar med det befruktade ägget (zygoten) som delar sig till alla celler i organismen (och i däggdjurens fall en del celler utanför själva organismen — de bildar placentan). Efter all uppmärksamhet stamceller har fått tror jag det här är bekant för de flesta: De första generationerna av celler är förmögna att bilda vilken celltyp som helst, de är så kallat pluripotenta. Efter ett antal delningar tappar cellerna den förmågan. Nästan oavsett vilken miljö de sätts i så finns det någonting inom dem som bestämmer vad de ska göra och inte göra — från insidan.

Här kommer epigenetiken in. Ett epigenetiskt fenomen är någon sorts minne som finns i cellen och som överförs till dottercellerna vid celldelning. De epigenetiska mekanismerna är alltså en delmängd av systemen som reglerar genuttryck.

Alltså, den vanligaste definitionen är nog att epigenetik är något i stil med studiet av ärftliga skillnader i genuttryck som inte kan förklaras av skillnader i DNA-sekvens. Den är inte helt problemfri, för det är inte riktigt klart till vilken grad alla fenomen som brukar kallas epigenetik faktiskt går i arv till dottercellen.

Det typiska epigenetiska fenomenet är DNA-metylering. Låt oss för tillfället hålla oss till djur. (Växter använder DNA-metylering på ett snarlikt sätt. Bakterier gör något helt annat.) DNA består av baserna som förkortas A, T, G och C. C:et, cytosin, finns i två varianter: cytosin och 5-metyl-cytosin. 5-metylcytosin har, som namnet antyder, en extra metylgrupp. Om vi så vill, så kan det betraktas som en femte bas.

På ställen där ett C följs av ett G, en så kallad CpG-dinukleotid (p:et står bara för bindningen mellan baserna) tenderar C:et att vara 5-metylcytosin. Åtminstone i större delen av genomet. Just i närheten av gener finns det ibland stora samlingar ometylerade CpG-dinukleotider som kallas CpG-öar. Metylering av CpG-dinukleotider i  framför allt CpG-öar nära gener, men också olika reglerande DNA-sekvenser, har kopplats till reglering av uttryck. Metylering betyder oftast att genen stängs av — till exempel är den avstängda kopian av en präglad gen ofta metylerad på någon kritisk sekvens. Men sambandet är inte alls helt utrett.

Hur som helst är DNA-metylering en av många mekanismer som reglerar vilka gener en cell uttrycker. Och epigenetik är alltså till hjälp att förstå hur celler differentieras och hur organismen utvecklas. Men det finns mer; häng kvar.