Epigenetics: What it is about?

Epigenetics has captured the attention of scientists in the past decades, yet its scope has been continuously changing. In this paper, we give an overview on how and why its definition has evolved and suggest several clarification on the concepts used in this field. Waddington coined the term in 1942 to describe genes interaction with each other and with their environment and insisted on dissociating these events from development. Then, Holliday and others argued that epigenetic phenomena are characterized by their heritability. However, differentiated cells can maintain their phenotypes for decades without undergoing division, which points out the limitation of the «heritability» criterion for a particular phenomenon to qualify as epigenetic. «Epigenetic stability» encompasses traits preservation in both dividing and non dividing cells. Likewise, the use of the term «epigenetic regulation» has been misleading as it overlaps with «regulation of gene expression», whereas «epigenetic information» clearly distinguishes epigenetic from genetic phenomena. Consequently, how could epigenetic information be transmitted and perpetuated? The term «epigenetic templating» has been proposed to refer to a general mechanism of perpetuation of epigenetic information that is based on the preferential activity of enzymes that deposit a particular epigenetic mark on macromolecular complexes already containing the same mark. Another issue that we address is the role of epigenetic information. Not only it is important in allowing alternative interpretations of genetic information, but it appears to be important in protecting the genome, as can be illustrated by bacterial endonucleases that targets non methylated DNA – i. e. foreign DNA – and not the endogenous methylated DNA.Епігенетика привертає увагу вчених уже декілька десятиліть, але значення вкладеного в неї сенсу постійно змінюється. Ми обговорюємо причини таких змін і пропонуємо декількя пояснювальних коментарів. Уоддингтон увів термін «епігенетика» в 1942 році для описання взаємодії генів, важливих для розвитку організму, між собою та з навколишнім середовищем. Надалі Холлідей та інші наполягали на понятті «успадковуваності» як необхідній характеристиці епігенетичних явищ. Однак диференційовані клітини зберігають свої фенотипи протягом десятиліть і при цьому не діляться, що вказує на обмеженість «успадковуваності» як критерію того, щоб певне явище розглядати як епігенетичне. «Епігенетична стабільність» запропонована як більш загальне поняття, яке означає збереження характеристик в обох клітинах: які ділять і не діляться. З іншого боку, термін «епігенетична регуляція» призводить до плутанини, оскільки його значення суттєво перекривається або навіть повністю збігається за змістом з виразом «регуляція експресії генів», тоді як «епігенетична інформація» чітко розмежовує епігенетичні і генетичні явища. І постає питання, яким чином епігенетична інформація може відтворюватися? Ми запропонували термін «epigenetic templating» для визначення механізму відтворення епігенетичної інформації, заснованого на тому, що ферменті, які ставлять певну епігенетичну мітку, віддають перевагу макромолекулярним субстратам, які вже містать подібну мітку. Нарешті ми торкаємось питання щодо ролі епігенетичної інформації. Вона потрібна не лише для альтернативних інтерпретацій генетичної інформації, але й для захисту геному, як це проілюстровано нами на прикладі бактерійних ендонуклеаз, які атакують неметильовану (тобто чужорідну) ДНК і не пошкоджують метильованої (тобто власної) ДНК.Эпигенетика привлекaет внимание ученых уже несколько десятилетий, но значение вкладываемого в нее смысла постоянно меняется. Мы обсуждаем причины таких изменений и предлагаем не- сколько поясняющих комментариев. Уоддингтон ввел термин «эпигенетика» в 1942 году для описания взаимодействия генов, важных для развития организма, друг с другом и с окружающей средой. Позже Холлидей и другие настаивали на понятии «наследуемости» как необходимой характеристике эпигенетических явлений. Однако дифференцированные клетки сохраняют свои фенотипы на протяжении десятилетий и при этом не делятся, что указывает на ограниченность «наследуемости» как критерия того, чтобы определенное явление рассматривать как эпигенетическое. «Эпигенетическая стабильность» предложена как более общее понятие, означающее сохранение характеристик в обеих делящихся и не делящихся клетках. С другой стороны, термин «эпигенетическая регуляция» ведет к путанице, поскольку его значение сильно перекрывается или даже совпадает по смыслу с выражением «регуляция экспрессии генов», в то время как «эпигенетическая информация» четко разграничивает эпигенетические и генетические явления. Далее следует вопрос, каким образом эпигенетическая информация может воспроизводиться? Мы предложили термин «epigenetic templating» для обозначения механизма воспроизведения эпигенетической информации, основанного на том, что ферменты, ставящие определенную эпигенетическую метку, предпочтают макромолекулярные субстраты, уже содержащие подобную метку. Наконец, мы касаемся вопроса о роли эпигенетической информации. Она нужна не только для альтернативных интерпретаций генетической информации, но и для защиты генома, как это проиллюстрировано нами на примере бактериальных эндонуклеаз, атакующих неметилированную (то есть чужеродную) ДНК и не повреждающих метилированной (то есть своей) ДНК

Satellite DNA and related diseases

Satellite DNA, also known as tandemly repeated DNA, consists of clusters of repeated sequences and represents a diverse class of highly repetitive elements. Satellite DNA can be divided into several classes according to the size of an individual repeat: microsatellites, minisatellites, midisatellites, and macrosatellites. Originally considered as «junk» DNA, satellite DNA has more recently been reconsidered as having various functions. Moreover, due to the repetitive nature of the composing elements, their presence in the genome is associated with high frequency mutations, epigenetic changes and modifications in gene expression patterns, with a potential to lead to human disease. Therefore, the satellite DNA study will be beneficial for developing a treatment of satellite-related diseases, such as FSHD, neurological, developmental disorders and cancers.Сателітна ДНК, також відома як тандемно повторювана ДНК, складається з кластерів повторюваних послідовностей, об’єднаних у широкий клас часто повторюваних елементів. Сателітнi ДНК можна розділити на декілька класів залежно від розміру ок- ремого повтора: мікросателітні, мінісателітні, мідісателітні і макросателітні ДНК. Сателітну ДНК спочатку розглядали як «сміттєву». Лише зовсім недавно таку концепцію було переглянуто і наразі сателітну ДНК відносять до ДНК, якій притаманні різні функції. Крім того, присутність у геномі повторюваних послідовностей пов’язана з високою частотою мутацій, епігенетичними змінами і модифікаціями в профілі експресії генів, що потенційно може призвести до різних патологій. Таким чином, вивчення сателітної ДНК буде корисним при розробці терапії, спрямованої на лікування захворювань, пов’язаних iз сателітною ДНК, таких як м’язова дистрофія FSHD, неврологічні патології, хвороби, обумовлені порушеннями розвитку, та онкологічні захворювання.Сателлитная ДНК, также известная как тандемно повторяющаяся ДНК, состоит из кластеров повторяющихся последовательностей, объединенных в широкий класс часто повторяющихся элементов. Сателлитную ДНК можно разделить на несколько классов в зависимости от размера отдельного повтора: микросателлитная, минисателлитная, мидисателлитная и макросателлитная ДНК. Сателлитную ДНК первоначально рассматривали как «мусорную». Только совсем недавно эта концепция была пересмотрена, в результате чего сателлитную ДНК относят к ДНК, обладающей различными функциями. Кроме того, присутствие в геноме повторяющихся последовательностей связано с высокой частотой мутаций, эпигенетическими изменениями и модификациями в профиле экспрессии генов, что потенциально может привести к различным патологиям. Таким образом, изучение сателлитной ДНК будет полезно при разработке терапии, направленной на лечение заболеваний, таких как мышечная дистрофия FSHD, неврологические патологии, болезни, обусловленные нарушениями развития, и онкологические заболевания

Expression of isgylation related genes in regenerating rat liver

Our recent studies have revealed the early up-regulated expression of interferon alpha (IFNα) in the liver, induced by partial hepatectomy. The role of this cytokine of innate immune response in liver regeneration is still controversial. Aim. To analyze expression of canonical interferon-stimulated genes Ube1l, Ube2l6, Trim25, Usp18 and Isg15 during the liver transition from quiescence to proliferation induced by partial hepatectomy, and acute phase response induced by laparotomy. These genes are responsible for posttranslational modification of proteins by ISGylation. The expression of genes encoding TATA binding protein (TBP) and 18S rRNA served as indirect general markers of transcriptional and translational activities. Methods. The abundance of investigated RNAs was assessed in total liver RNA by real time RT–qPCR. Results. Partial hepatecomy induced steady upregulation of the Tbp and 18S rRNA genes expression during 12 hours post-surgery and downregulation or no change in expression of ISGylation-related genes during the first 3 hours followed by slight upregulation at 12 hours. The level of Isg15 transcripts was permanently below that of the control during the prereplicative period. Laparotomy induced a continuous downregulation of Tbp and 18S rRNA expression and early (1–3h) upregulation of ISGylation–related transcripts followed by a sharp drop at 6 hours and slight increase/decrease at 12 hours. The changes in the abundance of Ifnα and ISGylation-related mRNAs were oppositely directed at each stage of the response to partial hepatectomy and laparotomy. Conclusion. We suggest that the expression of ISGylation-related genes does not depend on the expression of Ifnα gene after both surgeries. The indirect indices of transcription and translation as well as the expression of ISGylation-relaled genes are principally different in response to partial hepatectomy and laparotomy and argue for the high specificity of innate immune response.Наші нещодавні дослідження показали, що на ранньому етапі відновлювального процесу активується синтез інтерферону α (IFNα), цитокина вродженого імунітету. Роль IFNα в процесі відновлення печінки поки що не з’ясована. Мета. Проаналізувати експресію класичних інтерферон-стимульованих генів (ІСГ), Ube1l, Ube2l6, Trim25, Usp18 і Isg15, в печінці під час її переходу від стану спокою до проліферації у відповідь на часткову гепатектомію й під час реакції гострої фази після лапаротомії. Ці гени відповідають за посттрансляційну модифікацію білків шляхом ІСГілювання. Рівень експресії генів, які кодують 18S рРНК і транскрипційний фактор TBP, що зв’язується з TATA-боксом, використали в якості непрямого показника інтенсивності трансляції і транскрипції. Методи. Концентрацію індивідуальних РНК визначали в тотальній РНК печінки методом зворотної транскрипції і ланцюгової полімеризації в реальному часі. Результати. Часткова гепатектомія викликає поступове підвищення експресії генів Tbp і 18S rRNA впродовж 12 год. після операції і зниження експресії генів ІСГілювання впродовж перших трьох годин з наступним незначним підвищенням до 12 год. Рівень Isg15 транскриптів залишається зниженим впродовж всього періоду дослідження. Лапаротомія викликає поступове зниження експресії генів Tbp і 18S rRNA і виражене підвищення концентрації транскриптів генів ІСГілювання на першому етапі (1–3 год.), що змінюється різким зниженням до 6-ої год. з наступним незначним підвищенням/зниженням до 12-ої год. Зміни в рівні транскриптів гена Ifnα і генів системи ІСГілювання носять протилежний характер на кожній із стадій відповіді печінки на часткову гепатектомію і лапаротомію. Висновки. Припускаємо, що експресія генів, які задіяні в процесі ІСГілювання, не залежить від експресії гена Ifnα. Використані «показники» активності транскрипції, трансляції і посттрансляційної модифікації білків шляхом ІСГілювання принципово відрізняються між двома реакціями відповіді печінки на часткову гепатектомію і лапаротомію, що свідчить про специфічність реакцій вродженого імунітету.Наши недавние исследования показали, что после частичной гепатэктомии на раннем этапе восстановительного процесса активируется синтез интерферона альфа (IFNα), цитокина в системе врожденного иммунитета. Роль IFNα в процессе регенерации пока не ясна. Цель. Проанализировать экспрессию классических интерферон-стимулируемых генов Ube1l, Ube2l6, Trim25, Usp18 и Isg15 в процессе перехода печени из состояния покоя к пролиферации в ответ на частичную гепатектомию и во время реакции острой фазы после лапаротомии. Эти гены ответственны за посттрансляционную модификацию белков путем ИСГилирования. Уровень экспрессии генов, которые кодируют транскрипционный фактор TBP и 18S рРНК, использовали в качестве непрямого показателя интенсивности транскрипции и трансляции. Методы. Концентрацию исследуемых РНК определяли в тотальной РНК печени методом обратной транскрипции и цепной полимеризации в реальном времени. Результаты. Частичная гепатэктомия вызывает постепенное повышение экспрессии генов Tbp и 18S rRNA в течение 12 час после операции и снижение экспрессии генов ИСГилирования в период 1–3 ч с последующим незначительным повышением к 12 ч. Уровень Isg15 транскриптов неизменно снижен в течении всего исследуемого периода. Лапаротомия вызывает постепенное снижение экспрессии генов Tbp и 18S rRNA и выраженное повышение концентрации транскриптов генов, участвующих в ИСГилировании (1–3 ч), которое сменяется резким снижением к 6 ч и последующим незначительным повышением/снижением к 12 ч. Изменения в уровнях транскриптов Ifnα и транскриптов генов системы ИСГилирования носят разнонаправленный характер на каждой из стадий ответа печени на частичную гепатэктомию и лапаротомию. Выводы. Предполагаем, что экспрессия генов, определяющих ИСГилирование, не зависит от экспрессии гена Ifnα. Использованные «показатели» активности процессов транскрипции, трансляции и посттрансляционной модификации белков путем ИСГилирования в ответ на частичную гепатэктомию и лапаротомию принципиально различны и свидетельствуют в пользу специфичности реакций врожденного иммунитета

FSHD myoblasts fail to downregulate intermediate filament protein vimentin during myogenic differentiation

Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) is an autosomal dominant hereditary neuromuscular disorder. The clinical features of FSHD include weakness of the facial and shoulder girdle muscles followed by wasting of skeletal muscles of the pelvic girdle and lower extremities. Although FSHD myoblasts grown in vitro can be induced to differentiate into myotubes by serum starvation, the resulting FSHD myotubes have been shown previously to be morphologically abnormal. Aim. In order to find the cause of morphological anomalies of FSHD myotubes we compared in vitro myogenic differentiation of normal and FSHD myoblasts at the protein level. Methods. We induced myogenic differentiation of normal and FSHD myoblasts by serum starvation. We then compared protein extracts from proliferating myoblasts and differentiated myotubes using SDS-PAGE followed by mass spectrometry identification of differentially expressed proteins. Results. We demonstrated that the expression of vimentin was elevated at the protein and mRNA levels in FSHD myotubes as compared to normal myotubes. Conclusions. We demonstrate for the first time that in contrast to normal myoblasts, FSHD myoblasts fail to downregulate vimentin after induction of in vitro myogenic differentiation. We suggest that vimentin could be an easily detectable marker of FSHD myotubes. Keywords: FSHD, vimentin, myogenic differentiation, proteomics.Плечо-лопатково-лицева м’язова дистрофія (міодистрофія Ландузі-Дежеріна) є аутосомним домінантно-успадковуваним нейром’язовим захворюванням. До клінічних ознак даного типу м’язової дистрофії належать слабкіть і атрофія лицевих м’язів плечового пояса, до яких на пізніших стадіях захворювання додаються м’язи пояса нижніх кінцівок. Незважаючи на те, що міобласти, виділені із хворих на міодистрофію Ландузі-Дежеріна, здатні до диференціювання in vitro, міотрубки, які виникли з них, мають низку морфологічних аномалій. Мета. Мета даної роботи полягає в пошуку причини морфологічних аномалій міотрубок пацієнтів з міодистрофією Ландузі-Дежеріна. Методи. Із використанням ростового середовища з низьким вмістом сироватки ми індукували м’язове диференціювання нормальних міобластів і міобластів пацієнтів з міодистрофією Ландузі-Дежеріна та проаналізували білковий склад міотрубок, які виникли з них, методом СДС-ПААГ з наступною ідентифікацією білків методом масс-спектрометрії. Результати. В представленій роботі вперше показано, що в міотрубках пацієнтів з міодистрофією Ландузі-Дежеріна підвищена експресія гена віментину. Висновки. Віментин можна застосовувати як ген – маркер міотрубок хворих на міодистрофію Ландузі-Дежеріна. Ключові слова: міодистрофія Ландузі-Дежеріна, віментин, м’язове диференціювання, протеоміка.Лице-лопаточно-бедренная мышечная дистрофия (миодистрофия Ландузи-Дежерина) является аутосомным доминантно-наследуемым нейромышечным заболеванием. Клиническая картина данного типа мышечной дистрофии включает слабость и атрофию лицевых мышц и мышц плечевого пояса, к которым на более поздних стадиях заболевания добавляются мышцы пояса нижних конечностей. Несмотря на то, что миобласты, выделенные из больных миодистрофией Ландузи-Дежерина, способны к дифференцировке in vitro, возникающие из них миотрубки имеют ряд морфологических аномалий. Цель. Целью данной работы является поиск причины морфологических аномалий миотрубок пациентов с миодистрофией Ландузи-Дежерина. Методы. Используя ростовую среду с низким содержанием сыворотки, мы индуцировали мышечную дифференцировку нормальных миобластов и миобластов пациентов с миодистрофией Ландузи-Дежерина и проанализировали белковый состав возникших из них миотрубок методом СДС-ПААГ с последующей идентификацией белков методом масс-спектрометрии. Результаты. В данной работе впервые показано, что в миотрубках пациентов с миодистрофией Ландузи-Дежерина увеличена экспрессия гена виментина. Выводы. Виментин может быть использован в качестве гена – маркера миотрубок больных миодистрофией Ландузи-Дежерина. Ключевые слова: миодистрофия Ландузи-Дежерина, виментин, мышечная дифференцировка, протеомика

Satellite DNA and related diseases

Satellite DNA, also known as tandemly repeated DNA, consists of clusters of repeated sequences and represents a diverse class of highly repetitive elements. Satellite DNA can be divided into several classes according to the size of an individual repeat: microsatellites, minisatellites, midisatellites, and macrosatellites. Originally considered as «junk» DNA, satellite DNA has more recently been reconsidered as having various functions. Moreover, due to the repetitive nature of the composing elements, their presence in the genome is associated with high frequency mutations, epigenetic changes and modifications in gene expression patterns, with a potential to lead to human disease. Therefore, the satellite DNA study will be beneficial for developing a treatment of satellite-related diseases, such as FSHD, neurological, developmental disorders and cancers.Сателітна ДНК, також відома як тандемно повторювана ДНК, складається з кластерів повторюваних послідовностей, об’єднаних у широкий клас часто повторюваних елементів. Сателітнi ДНК можна розділити на декілька класів залежно від розміру ок- ремого повтора: мікросателітні, мінісателітні, мідісателітні і макросателітні ДНК. Сателітну ДНК спочатку розглядали як «сміттєву». Лише зовсім недавно таку концепцію було переглянуто і наразі сателітну ДНК відносять до ДНК, якій притаманні різні функції. Крім того, присутність у геномі повторюваних послідовностей пов’язана з високою частотою мутацій, епігенетичними змінами і модифікаціями в профілі експресії генів, що потенційно може призвести до різних патологій. Таким чином, вивчення сателітної ДНК буде корисним при розробці терапії, спрямованої на лікування захворювань, пов’язаних iз сателітною ДНК, таких як м’язова дистрофія FSHD, неврологічні патології, хвороби, обумовлені порушеннями розвитку, та онкологічні захворювання.Сателлитная ДНК, также известная как тандемно повторяющаяся ДНК, состоит из кластеров повторяющихся последовательностей, объединенных в широкий класс часто повторяющихся элементов. Сателлитную ДНК можно разделить на несколько классов в зависимости от размера отдельного повтора: микросателлитная, минисателлитная, мидисателлитная и макросателлитная ДНК. Сателлитную ДНК первоначально рассматривали как «мусорную». Только совсем недавно эта концепция была пересмотрена, в результате чего сателлитную ДНК относят к ДНК, обладающей различными функциями. Кроме того, присутствие в геноме повторяющихся последовательностей связано с высокой частотой мутаций, эпигенетическими изменениями и модификациями в профиле экспрессии генов, что потенциально может привести к различным патологиям. Таким образом, изучение сателлитной ДНК будет полезно при разработке терапии, направленной на лечение заболеваний, таких как мышечная дистрофия FSHD, неврологические патологии, болезни, обусловленные нарушениями развития, и онкологические заболевания