Cavidan Gülerman

Embriyo Gelişimini Etkileyen
Epigenetik Mekanizmalar
Prof. Dr. Cavidan Gülerman
Zekai Tahir Burak Kadın Hastalıkları EAH - Ankara
Yol Haritası
● Giriş
● Epigenetik tanımı
● Epigenetik mekanizmalar
DNA metilasyonu
Histon modifikasyonları
RNA sessizleşmesi
● İnsanlarda klinik etkiler
Genomik imprinting
hastalıkları
Doğum ağırlığı
Postnatal etkiler
● Sebepler
Subfertil popülasyon
IVF tekniği
● Gelecek ve sonuç
Erişkin Sağlığı ve Hastalıkların Gelişimsel
Orijini: Programlama (Barker Hipotezi)
Fetal hayatta, gelişimin duyarlı olduğu bir
dönemdeki uyarılar, kalıcı ve uzun dönem
etkilere yol açmakta ve bu durum programlama
olarak ifade edilmektedir.
Barker DJ, 2000
Erişkin Hastalıkların Programlanmasında
Rol Oynayabilen Mekanizmalar
● Fetal beslenme
● Endokrin durum değişiklikleri
● Genetik ve epigenetik mekanizmalar
● Jenerasyonlar arasındaki etkiler
● Perikonsepsiyonel olaylar
Godfrey KM, 2000
Lau C, 2004
de Boo HA, 2006
Üreme Sağlığında Belirleyici Faktörler
Genetik
Epigenetik
Stres
Çevresel
kimyasallar
Beslenme
BMI
Üreme Sağlığı
Çevresel faktörler ve epigenetik, üreme sağlığını ve üreme ile
ilişkili prosesleri direkt olarak etkilemektedir.
Epigenetik ve Reprodüksiyon
Birbirinin içine çokça geçmiş olup, son
zamanlardaki kavrayışlarla epigenetik
fenomenin önemi, her zamankinden daha
da fazla vurgulanır olmuştur.
Epigenetik
● DNA dizisinde değişiklik olmaksızın, mitoz veya
mayoz yoluyla kalıtılan, gen ekspresyonundaki
değişiklikleri ifade etmektedir.
● İlk kez 1942’de Waddington tarafından ifade
edilmiştir.
● Epigenetik geçiş, gen ekspresyonunun bir
jenerasyondan diğerine kararlı bir şekilde
yayılmasına izin veren ve gerekli olan doğal kontrol
mekanizmalarıdır.
Epigenetik, gen ekspresyonunu etkileyen natürel kontrol
mekanizmalarıdır.
Genomun bilgisayar gibi olduğunu düşünürsek ;
Genetik (Genom): Bilgisayarın donanımı (fonksiyonel
aktivite), sabit diskidir.
Epigenetik(Epigenom): Bu bilgisayara ne zaman
çalışacağını, nasıl çalışacağını, ne kadar çalışacağını
söyleyen yazılım programı gibidir.
● Epigenetik değişimler genlerin sessizleşmesine neden
olurlar. (mutasyon/delesyon eşdeğeri)
● Epigenetik, genlerin çalışmasını düzenleyen bir
açma/kapama düğmesi gibidir.
Epigenetik düğmeler ve etiketler sırayla belirli genlerin ifadesini
kapatır veya açar. (Metilasyon - Asetilasyon)
Epigenetik Mekanizmalar
RNA İnterferans (Sessizleşmesi)
Gen Ekspresyonu
Histon
Modifikasyonları
DNA Metilasyonu
Epigenetik Kodlamanın İki Ana Komponenti
DNA Metilasyonu
Metil Etiketleri DNA’ya
eklenerek gen
aktivitelerini baskılarlar.
Histon Modifikasyonları
Histon kuyrukları
Histonlar; proteinlerin
kuyruklarına tutunan farklı
molekül
kombinasyonlarıdır.
Bunlar DNA’nın etrafına
sarılarak DNA’nın
aktivitesini değiştirirler
(sıkma, gevşeme gibi).
Histon
Kromozom
Epigenetik Mekanizmalar – DNA Metilasyonu
● DNA’nın bir kimyasal değişimidir.
● CpG (Cytosin phosphate-Guanin)
bölgelerine DNA metil transferaz
enzimi ile (DNMT) bir metil
grubunun (CH3) bağlanması
neticesinde gerçekleşir. (kromatin
yoğunlaşması)
● Metilasyon, genin inaktive olmasına neden olarak, protein
ekspresyonunu engelleyen bir sistemdir.
● Gen içindeki sitozinlerin metilasyonu, bulunduğu kromozom
bölgesinde lokalize olan genlerin sessizleşmesine yol açar.
● Daha az metillenen genler: açık (gen-on) (gen ifadesi açık)
Çok metillenen genler: kapalı (gen-off)’dır.
Epigenetik Mekanizmalar –
Histon Modifikasyonları
● Metil molekül [CH3]’lerin bir
kısmı DNA’yı saran histon adlı
proteinlere bağlanır. Daraltarak
veya gevşeterek genlerin
açılmasını ya da kapanmasını
sağlar (on-off).
● DNA, histon proteinleri tarafından sarmalanmıştır.
● DNA sıkıca sarılınca gen okunamaz, böylece gen
ifadesi azalır.
● Metil molekülleri DNA’ya bağlanır ve genlerin
bağlantısını keser.
Embriyo Gelişimi Sırasında Dinamik Metilasyon
Değişiklikleri
● Fertilizasyondan hemen sonra, erken embriyonun genomu
büyük oranda “demetilasyon” sürecine girer.
● Bu “silinmeden” kurtulan spesifik bölgeler dışında,
implantasyon öncesi embriyonun genomu tamamen
hipometiledir.
● İmplantasyon sonrası, DNA yeniden metillenmeye başlar.
● DNA metilasyonu
epigenetik bir etikettir.
Erken embriyo
döneminde silinir.
İmplantasyon
sırasında yeniden
oluşturulur.
Yeniden Programlama
Reprogramming
(Yeniden Programlama)
epigenetik etiketlerin çoğunu siler,
böylece fertilize oosit herhangi bir
hücre tipine dönüşebilir.
Reprodüktif
hücreler
Reprodüktif hücreler
Fonksiyonları spesiyalize
olmuştur.
Çok sayıda epigenetik
etiket mevcuttur.
Dişi ve erkek reprodüktif hücreler
bir arada (fertilize oosit)
Herhangi bir hücreye dönüşebilir.
Çok az sayıda epigenetik etiket
mevcuttur.
Embriyo gelişir
Bir çok hücrenin fonksiyonu
spesiyalize olur.
Çok sayıda epigenetik
etiket mevcuttur.
Yeniden programlama, erken dönemdeki embriyodaki epigenomu resetler,
böylece hücreler vücuttaki her tip hücreye dönüşebilir.
Embriyonik Gelişim Sırasında DNA
Metilasyon Değişiklikleri
Preimplantasyon
Genom Demetilasyona
gider
Embriyonun
implantasyonundan sonra
Yeni metilasyonlar
(De novo metilasyonla)
oluşturulur.
● Fertilizasyondan sonra:
Paternal genomda: aktif demetilasyon
Maternal genomda: pasif demetilasyon
olur.
Epigenetik – ART
Güvenlik, ART pratiğinde en önemli
endişelerden biridir.
Gametogenez
Fertilizasyon ve
Erken embriyo gelişiminin
kompleks oluşu ve bu konulardaki
bilgilerimizin sınırlı oluşu risk değerlendirmesi
yapılmasını güçleştirmektedir.
Epigenetik – ART
Hayvan deneyleri ve insanlardaki epidemiyolojik
çalışmaların sonuçlarında;
IVF bebeklerinde:
Düşük doğum ağırlığı,
Imprinted genlerin oluşturduğu nadir hastalıkların
RR ↑
Epigenetik değişikliklerin ART ile ilişkili
olabileceğini düşündürmektedir.
Shi L, Reprod Biol Endocrinol, 2009
Hajj N, Fertil Steril, 2013
Shufaro Y, Fertil Steril, 2013
Pre-implantasyon Çevrenin Etkileri
IVF
Embriyonik programlama
Gen ekspresyonu ve epigenetik
regülasyonda değişiklikler
Yenidoğan
Çocukluk
Yetişkin
Düşük doğum
ağırlığı
Postnatal
büyümede ↑
?
Imprinting
bozuklukları?
Metabolik sendrom
semptomları
Montfoort APA,
Human Reproduction, 2012
IVF Bebeklerinde Perinatal
Sonuçlar
ICSI bebeklerinde riskler:
● VLBW : RR 2,7-3,8
● LBW
: RR 1,4-1,8
● SGA
: RR 1,4-1,6
Metaanalizler:
Helmerhorst, 2004
Jackson, 2004
McDonald, 2009
Davies, 2012
Gen Ekspresyonlarından
Herhangi Biri Doğum Ağırlığı ile
İlişkili mi?
DNA metilasyonu profili, doğum ağırlığı ile
ilişkili epigenetik değişikliklerin olduğunu
desteklemektedir.
Turan, BMC Med Genomics, 2012
Büyümeyle İlişkili Imprinted Genler
ve IVF
ART
(n)
Doku
Metilasyon (M)
Ekspresyon (E)
IVF’te epigenetik
değişiklik varlığı
Doğum ağırlığında
farklılık
Tierling,
2010
112
Umblikal kord kanı
Amnion membranı
M
Evet
Evet
Wang,
2011
77
Plasenta
M
Hayır
Evet
Turan,
2010
98
Kordon kanı,
kordon, plasenta
M+E
Evet
Evet
Montfoort,
2010
74
Plasenta
M+E
Evet
Hayır
Katagiri,
2010
48
Plasenta
E
Hayır
Evet
Feng, 2011
60
Umblikal kord kanı
E
Evet
Hayır
●
●
●
Büyümeyle ilişkili genler her zaman IVF’ten etkilenmiyor.
Etkilendikleri durumlarda, her zaman fetal büyümeyi etkilemiyor.
Imprinted genlerle doğum ağırlığı arasında bir ilişki bulunmamış
Montfoort APA, 2010
IVF – Doğum Ağırlığı: Sonuç
Imprinted genlerdeki metilasyon/ekspresyon
defektleri ile IVF’teki azalmış doğum ağırlığı
arasındaki ilişki henüz açık değil.
● Minör metilasyon defektlerinin etkisi olmayabilir mi?
● Doğum ağırlığına etki, multipl genlere bağlı olabilir mi?
● Diğer regülatuar/kompansatuar mekanizmaların
etkisi?
● IVF’te doğum ağırlığı normal sınırlar içinde
Genomik Imprinting
● Epigenetik bir fenomendir.
● Genetik materyalin anneden veya babadan
kalıtılmış olmasına bağlı olarak, farklı şekilde
ekspresyonudur.
● Maternal ve paternal genomların bazı
bölgeleri işlevsel olarak eşit değildir.
● Bu nedenle bazı genler için anne ve babaya
ait genomlar, embriyonun gelişimine farklı
şekilde katkıda bulunurlar.
Imprinting
● Çoğu gen için kalıtım anne ve babadan gelen iki
●
●
●
●
kopyayla olur.
Ancak imprinted genlerde, sadece çalışan bir gen vardır.
Anneden veya babadan gelmesine göre bir kopya
sessizleşir.
Bir allel eksprese olurken, diğeri inaktif kalır.
Sessizleşme genellikle oosit veya sperm formasyonu
sırasında metil grubunun ilavesiyle olur.
● Gen ifadesi ebeveynin orijinine göre belirlenir.
● Genlerin ~%1’i imprinted genlerdir.
● Normal gelişim için imprinting gereklidir.
ART ile ilişkili imprinting defektlerinin
prevalansında birkaç kat artış
görülmüştür.
En iyi karakterize edilen sendromlar:
● Angelman Send.
(AS)
● Prader Willi Send.
(PWS) 15q11-13
15q11-13
● Beckwith-Wiedemann Send. (BWS) 11p15
Montfoort APA, Human Reproduction, 2012
Imprinting Defektleri ve Hastalıklar
Prader-Willi Sendromu (PWS) (15q11-13)
● Babadan gelen gen aktivitesi kaybolmuştur.
● Kromozom 15’de
paternal delesyon
● 1/15000
● Öğrenme defektleri,
kısa boy, aşırı yeme
Montfoort APA, Human Reproduction, 2012; Katari, Hum Mol Genet, 2009
Imprinting Defektleri ve Hastalıklar
Angelman Sendromu (AS) (15q11-13)
● Bireylerde normalde anneden
gelen gen aktivitesi kaybolmuştur.
● Kromozom 15’de maternal
delesyon
● 1/10000 – 1/30000
● Öğrenme güçlükleri,
mental retardasyon, konuşma
problemleri, sallantılı hareketler,
alışılmadık mutlu hal
Montfoort APA, Human Reproduction, 2012; Katari, Hum Mol Genet, 2009
Imprinting Defektleri ve Hastalıklar
Beckwith-Wiedemann Send. (BWS) (11p15)
● 11p15 kromozomda
●
●
●
●
maternal delesyon
Maternal IGF2 geni
(imprinted gendir)
aktive olur. BWS gelişir.
Aşırı büyüme
Doğumda iri doğarlar. Embriyonik tümörlere
yatkınlık ↑
1/15000, ART ile doğanlarda artmış risk, 1/4000
Montfoort APA, Human Reproduction, 2012; Katari, Hum Mol Genet, 2009
Imprinting Defektleri – ART: Sonuç
● Bugünkü bilgimizle ART sonrasında
epimutasyon ve imprinting defektlerinde
artış olduğuna dair kanıtlar sınırlı
● Absolü risk düşük
● Ancak ART ve non-ART gruplarında
anlamlı olarak metilasyon farklılıkları
mevcut
Katari, Hum Mol Genet, 2009
ART – Epigenetik Değişikliklerin
Sebebi?
● Artmış risk ART tekniği ile mi ilişkili?
● Artmış risk, ebeveynlerde subfertiliteye yol
açan sebeple mi ilişkili?
Bunun ayrımını yapmak zordur.
ART’deki Teknik Değişkenler
● Hormonal stimülasyon (yüksek hormon seviyeleri)
● OPU
● Fertilizasyon (IVF veya ICSI) ve kültür ortamı
(ısı, ışık, gametlerin mikromanüplasyonu, …)
● Embriyo kültür koşulları
● Krioprezervasyon
● Embriyo transferi
Sonuç
●DNA ekspresyonu ; DNA metilasyonu ve histon
modifikasyonu gibi epigenetik mekanizmalar tarafından
kontrol edilmektedir.
● İnsan hastalıklarının temelinde , genlerin ifadesindeki
epigenetik değişikliklerin yatmakta olduğu
düşünülmektedir.
●Yeni teknolojik metotlarla yapılacak metilasyon analizleri
ile ART’nin indüklediği değişiklikler hakkında daha iyi
bilgiler sağlanabilecektir.
Hajj N, Fertil Steril, 2013