Is epigenetica een revolutie in evolutie? Prof. Dr. Wim Vanden Berghe - PPES

Transcriptie

1 Is epigenetica een revolutie in evolutie? Leuven 2013 Prof. Dr. Wim Vanden Berghe - PPES

2 Overzicht 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica 2. DOHD Je bent wat je (grootmoeder) eet (at) 3. Epigenetische effecten van chemische blootstelling 4. Epigenetische effecten van infecties, parasieten 5. Epigenetische effecten van stress 6. Epigenetische stamceltherapie

3 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Mendel en Darwin: grondleggers van het concept van erfelijkheid G. Mendel

4 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Darwin versus Lamarck: random evolutie of adaptieve evolutie? Darwin: survival of the fittest van genetische varianten Larmack: omgevingsfactoren sturen genetische variatie

5 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Watson & crick: DNA dubbele helix als basis voor erfelijke epigenetische informatie Dogma: DNA = Recipee book of life Watson-Crick Opheldering Structuur DNA Dubbele helix 1953

6 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Weinig mutaties/snps geïdentificeerd die complexe ziektes kunnen verklare Human genome project- the Human HapMap project Biologische complexiteit lijkt niet bepaald door aantal genen

7 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Aantal genen, aantal bp correleert niet met complexiteit van organisme genes genes genes

8 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Eeneiige tweelingen vertonen een verschillend profiel van chronische ziekte (bvb. RA, colitis, diabetes, multiple sclerosis, kanker)

9 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Voor slechts 5-10% van de kankergevallen is een genetische oorzaak bekend Pharm Res September; 25(9):

10 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Ofschoon cellen beschikken over identiek DNA zijn ze verschillend gedifferent

11 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Voeding stuurt ontwikkeling van genetisch identieke larven tot werkster of queen Epigenetic plasticity of queen and worker ants and honeybee p ge et c p ast c ty o quee a d o e a ts a d o eybee Queen = genetically identical with worker Different size metabolism lifecycle (aging)

12 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Organismen kunnen fenotypisch verschillen ofschoon genetisch identiek Different stages lifecycle = different phenotype but genetically identical

13 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Genomische imprinting Enkel fertilisatie van een mannelijke en vrouwelijke chromosoomset geeft aanleiding tot een leefbaar embryo Parentale oorsprong van chromosomen is gemerkt als vrouwelijk of mannelijk

14 1. Paradigma wijziging i i van genetica naar epigenetica Genetische mutaties leiden tot verschillende fenotypes afhankelijk van de overerving van de mutatie via vader of moeder Prader-Willi syndrome: growth and development disorder Both are caused by the same 5- to 6-Mb deletion in 15q11 -q13 Angelman syndrome: neurobehavioural disorder Parentale imprinting 14

15 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Intrede microscopie in 19 e eeuw bevestigde epigenese theorie van Aristoteles Wat drijft de ontwikkeling-differentiatie van een embryo Aristoteles ( B.C.) Epigenese: Ontwikkeling van een gedifferentieerd d organisme uit een ongedifferentieerd embryo

16 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Waddington landschap model 1957 Ontwikkeling wordt gestuurd door interacties met omgeving en genproducten

17 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Actieve en inactieve chromosoomregio s kleuren verschillend in de nucleus

18 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica DNA helix wordt verpakt in chromatine-eiwitten (parelsnoer structuur)

19 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Chromatinestructuur zorgt voor voudige compressie van DNA

20 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Chromatinemodificaties bepalen leesbaarheid/compactheid van DNA

21 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica 3D DNA-conformatie vormt een extra informatielaag: chromatine+dna-methyla Definitie epigenetica: Overerfbare veranderingen in fenotype en genexpressie die optreden zonder wijziging in de DNA-sequentie

22 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica 3D DNA-conformatie vormt een extra informatielaag: chromatine+dna-methyla Human epigenome project ENCODE 2003

23 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Epigenetische informatie = reversibel

24 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Hoe wordt epigenetische Informatie opgeslagen?

25 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Omgevingsfactoren induceren langetermijn effecten via epigenetische veranderinge Nutrition Vitamins Drugs Estrogen Disruptors Herbicides Pesticides Epigenetics Reproductive Disorders Growth Disorders Pediatric Disorders Pathology Imprinting Disorders Cancer Inflammatory Neurological Disorders Cardiovascular Disorders

26 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Darwin versus Lamarck: random evolutie of adaptieve evolutie? Neodarwinisme: ook epigenetische variatie-adaptatie is onderhevig aan natuurlijke selectie (niet per definitie voordelig) Larmack: omgevingsfactoren sturen genetische variatie

27 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Epigenetica regelt hoeveelheid eiwitexpressie op specifieke tijdstippen Make the protein at the right time In the correct amount Make the Correct protein Undernutrition Overnutrition Diet Food Endocrine Disruptors Mutations SNP

28 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Een organisme bevat 1 genoom en duizenden epigenomen Ziektes kunnen ook het gevolg zijn van eiwitproductie in verkeerde hoeveelheden

29

30 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Een organisme bevat 1 genoom en duizenden epigenomen Genome Genotype Genetics Epigenome Epigenotype pg Epigenetics Phenotype

31 1. Paradigma wijziging van genetica naar epigenetica Veroudering resulteert in accumulatie van epigenetische veranderingen

32 2. Voeding en plantencomponenten: j b t t j ( t d ) t ( t) je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Ongezond dieet in Westerse wereld zorgt voor toename van lifestyle ziektes

33 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Kanker, diabetes, CVD epigenetische lifestyle ziektes? DNA-methylatie veranderingen in kanker DNA-methylatie veranderingen in CV DNA-methylatie veranderingen in diabetes

34 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at)

35 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Ongezond dieet in Westerse wereld zorgt voor toename van lifestyle ziektes

36 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Kanker incidenties variëren geografisch & met dieetgewoontes

37 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Specifieke voedingsstoffen induceren epigenetische veranderingen tijdens ontwikke Agouti model: R. Waterland and R. Jirtle Maternal Supplements With Genistein Zinc methionine Betaine choline, Folate B 12 Lower risk of cancer, diabetes, obesity, CVD and prolonged life

38 Agouti mouse model : Soy diet induces transgenerational changes in DNA methylation which protect 2 unexposed generations to obesity & cancer

39 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Specifieke voedingsstoffen induceren epigenetische veranderingen tijdens ontwikke

40 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Specifieke voedingsstoffen induceren epigenetische veranderingen tijdens ontwikke GENE ON GENE OF Vanden Berghe et al. Pharmacol. Res. 20

41 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Koninginnebrij (royal jelly met polyfenolen) bepalend voor ontwikkeling tot koninginnebij & agin Epigenetic plasticity of queen and worker ants and honeybee p ge et c p ast c ty o quee a d o e a ts a d o eybee Queen = genetically identical with worker Different size metabolism lifecycle (aging)

42 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Timing van blootstelling is cruciaal : epigenetische plasticiteit is maximaal tijdens embryogenese, pre/neonataal tot pubertijd

43 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Timing van blootstelling is cruciaal : epigenetische plasticiteit is maximaal tijdens embryogenese, pre/neonataal tot pubertijd

44 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Nature versus nurture DOHD developomental origin of health & disease Dutch Hunger Winter 1944 Impaired glucose tolerance, hypercholesterolaemia, raised blood pressure and higher rates of obesity, cardiovascular disease in adulthood and progeny Overkalix study Sweden, 19th century BBC Movie The ghost in your genes :

45 2. Voeding en plantencomponenten: je bent wat je (grootmoeder) eet (at) Nature versus nurture DoHaD developomental origin of health & disease

46 3. Epigenetische impact van chemische blootstelling Nature versus nurture DoHaD developomental origin of health & disease Dioxins PCBs DDT DDE HCH Chlordane HCB Endosulfan Bisphenol A Phytoestrogens Mori C., Acta Anat. Nippon. 76: (2001) Concentration of chemicals including man-made and natural in umbilical cords/cord blood from newborns in Japan (g/g-wet tissue or g/ml)

47 3. Epigenetische impact van chemische blootstelling 47 IVF vs genomische imprintingsziektes Increased risk for imprinting disorders: Prader Willi & Angelman Syndrome

48 3. Epigenetische impact van chemische blootstelling Epigenetische impact van medicatie (chronisch gebruik)

49 3. Epigenetische impact van chemische blootstelling Is toename asthma te verklaren via epigenetische effecten in utero? Prescott S. & Saffery R., Clin. Epigenet. (2011)

50 3. Epigenetische impact van chemische blootstelling Nature versus nurture DoHaD developomental origin of health & disease

51 4. Epigenetische impact van blootstelling aan infecties Nature versus nurture DoHaD developomental origin of health & disease

52 4. Epigenetische impact van blootstelling aan infecties Virussen, bacteriën, parasieten manipuleren je epigenoom

53 5. Epigenetische impact van stress 53 Stress relax toestand programmeert hormoonrespons in hersenen Hormoonspiegel bepaalt epigenetische stress programmering g van nakomelingen

54 5. Epigenetische impact van stress Stress relax toestand programmeert hormoonrespons in hersenen Hormoonspiegel bepaalt epigenetische stress programmering g van nakomelingen

55 Toekomst: epigenetica in phsychiatrie, verslaving, gedrag

56 6. Epigenetische in stamceltherapie Transdifferentiatie van gedifferentieerde cellen naar andere celtypes

57 Vragen?