Paper: ”Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens”

Since I love author blog posts about papers, I thought I’d write a little about papers I’ve contributed too. So far, they’re not that many, but maybe it can be a habit.

Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens” was published in BMC Genomics in 2012. The title says it very well: the paper looks at differential expression and DNA methylation of a subset of genes in the hypothalamus of Red Junglefowl and domestic White Leghorn chickens. My contribution was during my MSc project in the group. Previously (Lindqvist & al 2007; Nätt & al 2009) Daniel Nätt, Pelle Jensen and others found a transgenerational effect of unpredictable light stress on domestic chickens. After that, and being interested in chicken domestication, a DNA methylation comparison of wild and domestic seems like a natural thing to do. And it turns out Red Junglefowl and White Leghorns differ in expression of a bunch of genes and in methylation of certain promoters (where promoter is operationally defined as a region around the start of the gene model). And when looking at two generations, the contrasts are correlated between parent and offspring. There is some heritable basis of the differences in gene expression and  DNA methylation.

In Red Junglefowl, ancestor of domestic chickens, gene expression and methylation profiles in thalamus/hypothalamus differed substantially from that of a domesticated egg laying breed. Expression as well as methylation differences were largely maintained in the offspring, demonstrating reliable inheritance of epigenetic variation.

What I did was methylation sensitive high resolution melting. HRM is a typing method based on real time PCR. After PCR you often make a melting curve by ramping up the temperature, denaturing the PCR product. The melting characteristics depend on the sequence, so you can use melting to check that you get the expected PCR product, and it turns out that the difference can be big enough to type SNPs. And if you can type SNPs, you can analyse DNA methylation. So we treat the DNA with bisulfite, which deaminates cytosines to uracil unless they are protected by methylation, and get a converted sequence where an unmethylated C is like a C>T SNP. We set up standard curves with a mixture of whole-genome amplified and in vitro methylated DNA and measured the degree of methylation.

That is averaging over the population of DNA molecules in the sample; I’ve been wondering how HRM performs when the CpGs in the amplicon have heterogenous methylation differences. We’ve used HRM for genotyping as well, and it works, but we’ve switched to pyrosequencing, which gives cleaner results and where the assay design is much easier to get right the first time. I don’t know whether the same applies for methylation analysis with pyro.

heritability_methylation_fig4b

My favourite part of the paper is figure 4b (licence: cc:by 2.0) which shows methylation analysis in the advanced intercross of Red Junglefowl and White Leghorns, which immediately leads to, as mentioned in the paper, the thought of DNA methylation QTL mapping.

Literature

Nätt, D., Rubin, C. J., Wright, D., Johnsson, M., Beltéky, J., Andersson, L., & Jensen, P. (2012). Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens. BMC genomics, 13(1), 59.

Lindqvist C, Janczak AM, Nätt D, Baranowska I, Lindqvist N, et al. (2007) Transmission of Stress-Induced Learning Impairment and Associated Brain Gene Expression from Parents to Offspring in Chickens. PLoS ONE 2(4): e364. doi:10.1371/journal.pone.0000364

Nätt D, Lindqvist N, Stranneheim H, Lundeberg J, Torjesen PA, et al. (2009) Inheritance of Acquired Behaviour Adaptations and Brain Gene Expression in Chickens. PLoS ONE 4(7): e6405. doi:10.1371/journal.pone.0006405

Epigenetics: what happened with this?

In 2012, Yan Li & Chris O’Neill published a paper about DNA methylation in the early mouse embryo, claiming that the first wave of demethylation following fertilisation in the mouse embryo doesn’t happen.

This picture, figure 1 from Seisenberger & al (2013; license: cc:by 3.0), shows what it is about. The curves represent DNA methylation level, and first time the curves drop represents the demethylation in question:

dna_demethylation_fig1

Li & O’Neill used a variation of immunostaining for methylated cytosine. Figures 8 and 3 summarise the results: eight shows embryos stained for methylated cytosine with two different preparation methods. The main claim of the paper is that the added trypsin treatment in the preparation helps unmask DNA methylation. So maybe the cytosine methylations are not removed, but temporarily hidden by something else. Figure 3 shows a Western blot for methyl-binding domain protein 1. The claim here is that if MBD1 is expressed, DNA methylation is also there. The obvious alternative hypothesis is that their variation on the protocol creates some kind of artefact and that MBD1 expression doesn’t matter.

journal.pone.0030687.g008

Figure 8, Li & O’Neill (cc:by 3.0).

The paper has been cited mostly by review papers, and I haven’t seen any further news on the subject. Does anyone know if anything more has happened?

Literature

Li Y, O’Neill C (2012) Persistence of Cytosine Methylation of DNA following Fertilisation in the Mouse. PLoS ONE 7(1) e30687. doi:10.1371/journal.pone.0030687

Seisenberger, S., Peat, J. R., Hore, T. A., Santos, F., Dean, W., & Reik, W. (2013). Reprogramming DNA methylation in the mammalian life cycle: building and breaking epigenetic barriers. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 368(1609), 20110330.

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

Inför NBIC45: hurra för pcr!

Våren är alltså min undervisningssäsong. Nu är det dags för NBIC45, Molekylärgenetik, där jag är med och håller i ett par laborationer. Det här är den av kurserna som är närmast det jag själv håller på med och dessutom roligast. Nåja, de som inte tänker syssla med genetik kanske inte tycker att det är fullt lika underhållande, men det kan ändå vara bra att veta lite om hur molekylärgenetik går till. Bland annat ska vi ta fram dna, kopiera det med polymeraskedjereaktionen och titta på produkterna på agarosgel.

Om någon av studenterna skulle leta sig hit: Här är några poster från tidigare år:

Polymeraskedjereaktionen
Att tolka agarosgel
Så går det till: att ta fram DNA och RNA, polymeraskedjereaktionen och agarosgelelektrofores.

Och här är lite inofficiell rekommenderad läsning: Dels patentet på pcr (Kary Mullis m.fl) från 1987 och ”Improved M13 phage cloning vectors and host strains: nucleotide sequences of the M13mpl8 and pUC19 vectors”, Yanisch-Peron, Veira & Messing (1985), som beskriver plasmiden pUC19 som vi använder i andra laborationen.

Om den andra kursen som börjar nu, Communicating science, har jag inte lika mycket att säga, mer än att Martins regler för vetenskapskommunikation lyder:

1. Om det överhuvudtaget är möjligt, nämn dinosaurier.

2. Påstå inte att din forskning hjälper till att bota cancer om inte din forskning faktiskt handlar om att bota cancer.

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.

Vad gör IRX3?

Okej, så det verkar som att associationen mellan intron 1 av FTO och övervikt samt diabetes förklaras av en reglerande effekt på granngenen, IRX3. Men vad gör IRX3 då? Hur är den inblandad i hur tung en blir? Ja, det är det ingen som riktigt vet. Först och främst har den en siffra i namnet, så alla kan gissa att det är den tredje i en familj av IRX-gener. Det är ganska typiskt för gener att de förkommer i familjer av liknande gener som bildats av duplicerande mutationer någon gång under den evolutionära historiens gång. De flesta djur har flera IRX-gener. Ryggradsdjur har sex stycken organiserade i två kluster på varsin kromosom. (Kerner m. fl. 2009) En bit efter FTO och IRX3 i människans kromsom 16 kommer IRX5 och sedan IRX6.

IRX står för Iroquois-familjen efter en muterad bananfluga vars borst tydligen ser ut som en tuppkamsfrisyr. De innehåller en homeodomän, ett återkommande motiv hos många proteiner som reglerar genuttryck. De har betydligt fler och intressantare funktioner än utvecklingen av borst: de är med och bygger upp kroppens former i flugembryon och nervsystemets och hjärtats utveckling hos ryggradsdjur. Sannolikt utövar familjen de funktionerna genom att reglera en väldigt massa andra gener, som transkriptionsfaktorer plägar göra. (Cavodeassi m. fl. 2001)

Så familjen är inblandad lite här och där och den uttrycks lite överallt. Titta på tabell 1 från Houweling m fl. (2001; artikeln är fritt tillgänglig och första tabellen kommer nästan direkt) som sammanfattar mätningar av genuttryck i olika delar av musembryon. IRX3 ligger i IrxB-klustret, så ett B i tabellen betyder att den uttrycks tillsammans med de andra i samma kluster. Etta A betyder är samma sak men för det andra klustret. Ett E betyder att den avviker från de andra två i klustret; ett I betyder att alla uttrycks lika mycket och ett streck att den litet eller inget uttryck. Det är flest A, B och I. Det vill säga: flera familjemedlemmar tenderar att uttryckas tillsammans, särskilt de i samma kluster och särskilt IRX3 och 5. Det här är inte heller så konstigt, men det gör det svårare att reda ut vad en enskild IRX-gen håller på med.

Som en liten illustration: möss utan IRX3 verkar enligt Smemo & co (2014; alltså den artikeln som föranledde den här serien poster) klara sig bra utan konstiga defekter, mer än att de är små och inte blir tjocka av fett foder. Men om hela IrxB-klustret tas bort (och tre andra gener, i och för sig, vilket naturligtvis kan vara en del av orsaken) blir resultatet stackars möss med diverse skelettdefekter (Peters m. fl. 2002). Både IRX3 och IRX5 verkar vara nödvändiga för hjärtat på olika sätt: IRX5 för att hjärtat ska uttrycka rätt jontransportprotiner (Costantini m. fl. 2005) och IRX3 för att det ska bilda cellkontakter och sprida nervsignalen när det ska slå (Zhang m. fl. 2011).

Efter det ovanstående verkar det ju inte så långsökt att Smemo & co tittar på IRX3-uttryck i hjärnan. Deras hypotes om hur IRX3 påverkar vikten är att den skulle mixtra med hjärnans signallering till fettvävnaden och öka förbränningen. Finns det något annat i litteraturen som knyter IRX3 till ämnesomsättning eller aptit? Ja! Redan 2010 kom nämligen en artikel som hävdade att FTO-association kanske förklarades av IRX3-reglering (Ragvin m. fl. 2010). Deras angreppssätt för att hitta reglerande regioner var inte som Smemo & co att fånga in kromosombitar som interagerar, utan att titta efter evolutionära mönster. Viktiga delar av genomet tenderar att konserveras därför att naturligt urval motverkar mutationer som ändrar deras funktion. Oviktiga delar, vilket är lejonparten av genomet, kan muteras sig i stort sett hur mycket som helst.

De hittade konserverande icke-kodande sekvenser nära FTO och testade dem i ett så kallat reporterexperiment, vilket betyder att en sätter in sekvensen i någon organism tillsammans med någon gen som är lätt att detektera när den uttrycks. I det här fallet använde de ett grönt fluorescerande protein (som heter GFP … väldigt fantasifullt) och zebrafiskembryon. Om den konserverade sekvensen verkligen är reglerande kommer cellerna alltså fluorescera grönt när de belyses med ljus av rätt våglängd. Mycket riktigt, de associerade varianterna ligger i reglerande sekvenser som är aktiva i delar av embryot där IRX3 också är aktivt, bland annat i bukspottkörteln.

Bukspottkörteln, ja. Alla diabetesintresserade borde höja på ögonbrynen nu. Författarna prövade att slå ut IRX3 i fiskembryon och fann att det påverkade bildningen av både insulin-, ghrelin- och glukagonproducerande celler. Alla tre är viktiga hormoner för ämnesomsättningen. Insulin och glukagon reglerar blodsocker och ghrelin reglerar aptit. Kort och gott: Smemo & co och och Ragvin & co har båda resultat som tyder på att det är IRX3 som är den viktiga genen. Men de föreslår olika mekanismer, och det kan mycket väl vara både och.

Litteratur

Kerner & al (2009) Evolutionary history of the iroquois/Irx genes in metazoans. BMC Evolutionary biology.

Cavodeassi & al (2001) The Iroquois family of genes: from body building to neural patterning. Development.

Houweling & al (2001) Gene and cluster-specific expression of the Iroquois family members during mouse development. Mechanisms of development.

Costantini & al (2005) The Homeodomain Transcription Factor Irx5 Establishes the Mouse Cardiac Ventricular Repolarization Gradient. Cell.

Zhang & al (2011) Iroquois homeobox gene 3 establishes fast conduction in the cardiac His–Purkinje network. PNAS.

Peters & al (2005) The mouse Fused toes (Ft) mutation is the result of a 1.6-Mb deletion including the entire Iroquois B gene cluster. Mammalian genome.

Ragvin & al (2010) Long-range gene regulation links genomic type 2 diabetes and obesity risk regions to HHEX, SOX4, and IRX3. PNAS.

Smemo & al (2014) Obesity-associated variants within FTO form long-range functional connections with IRX3.
Nature

Den där artikeln om övervikt, FTO och IRX3

Detta har hänt: Hur mycket människor väger har en genetisk komponent och det finns flera studier som kopplar varianter i en gen som heter FTO till övervikt och typ 2-diabetes. Precis vilken den orsakande varianten är och hur den påverkar vikt är inte klart. Häromdagen publicerades en vetenskaplig artikel med resultat som tyder på att varianterna, även om ligger i FTO, kanske utövar sin effekt genom att påverka regleringen av en helt annan gen som ligger en bra bit bort, IRX3. Både FTO och IRX3 verkar ha effekter på vikt i experiment med genetiskt förändrade möss. Förvirringen om vad som egentligen pågår blir alltså ännu större, om än på en högre nivå. I fredags skrev jag lite om detta men utan att gå in på vad artikeln egentligen handlade om. I den här posten ska vi skruva upp genetiknördigheten en smula. Låt oss börja med en bild: så här ser området med FTO och IRX3 ut i UCSC-genomläsaren. Det är en bit av det mänskliga referengenomet, kromosom 16, med kända gener utritade.

hgt_genome_7723_756580

Först och främst, vad är problemet egentligen? Det finns en association till varianter som ligger i FTO. De ändrar i och för sig inte på den kodande delen av genen, men de ligger i första intronen, där det rätt ofta finns reglerande sekvenser. (Titta på spåren märkta ”FTO” i bilden ovan. De kodande bitarna är de tjockare lådorna och intronerna är strecket emellan. IRX3 är nästa gen längs kromosomen.) FTO är den uppenbara kandidaten. Tidigare har folk använt två sorters experiment för att pröva om FTO faktiskt är den orsakande genen och de har fått resultat som förefaller motsäga varandra. Å ena sidan, att mixtra med genen i möss. Det är ett sätt att titta på genens normala funktion: om mössen ökar eller minskar i vikt i jämförelse med kontrollmöss har den antagligen med viktreglering att göra … på något sätt. Och mycket riktigt: möss utan FTO blir magra och möss som uttrycker extra mycket FTO blir stora.

Å andra sidan, genuttryckskartläggning. Det vill säga: Om de genetiska varianterna verkligen har en reglerande effekt borde uttryck av FTO, alltså hur mycket av genen som tillverkas, också vara associerat med samma varianter. Men så är det inte. Så även om FTO visst är inblandat i vikt på något sätt, så verkar det inte vara den underliggande genen till associationen i människor. Om inte det viktiga händer i någon vävnad vid någon tidpunkt där ingen ännu tittat, vill säga.

Hur får en då veta om varianterna kanske reglerar någon annan gen? Ett sätt är att leta efter vilka delar av dna-strängen som är fysiskt nära varandra i cellkärnan. Det där kan behöva en förklaring. Vanligtvis när jag skriver att sekvenser är ”nära” varandra menar avståndet längs dna-strängen. Men när kromosomen är i sitt verkliga tillstånd i cellkärnan ligger den delvis ihoplindad, delvis utsträckt och reglerande sekvenser som påverkar varandra är också nära varandra i rymden. Den teknik författarna använt, circular chromosome conformation capture, går ut på att fånga in sådana sekvensbitar som rör vid varandra, sekvensera dem och på så sätt bygga upp en karta över vilka kromosombitar som har reglerande interaktioner. Det är förstås inte självklart att två bitar som råkar vara nära varandra har någon sorts reglerande interaktion, men om de förekommer tillsammans tillräckligt pekar det i alla fall i den riktningen.

De undersökte den del av FTO-genen som är associerad med övervikt i människor i vävnadsprover från möss. Det visar sig den FTO-biten (47 000 baser) ofta befinner sig nära inte bara området före själva FTO-genen, vilket sannolikt innehåller genens viktigaste reglerande sekvens (promotorn), utan också med IRX3, som ligger en ganska bra bit bort. Och när de sedan tog fram genetiskt förändrade IRX3-knockout-möss visade de sig väga mindre och när de sattes på högfettdiet gå upp mindre i vikt och bli mindre insulinresistenta än vanliga möss. Det är de här genetiskt förändrade mössen som en av författarna, Chin-Chung Hui, beskrev som ”helt resistenta mot fetma orsakad av fet mat” (TT). Dessutom, att mixtra med IRX3 verkar inte ha någon effekt på uttrycket av FTO. Den förefaller verka oberoende av FTO.

Så långt mössen! Författarna tittade på genuttryck i mänsklig hjärna: är varianterna som kopplats till övervikt också associerade med genuttryck? Som förut, ingen association med uttryck av FTO, men med IRX3! Effekten är inte överväldigande tydlig, men det tyder i alla fall på att varianterna i FTO faktiskt har en reglerande effekt på IRX3.

Vart leder allt det här? Sammantaget verkar IRX3 vara en bättre kandidat till att vara den orsakande genen än FTO. Även om tidigare resultat ganska klart visar att FTO också har något med vikt att göra, så verkar det som att just den här varianten, även om den ligger i en intron av FTO faktiskt utövar sin effekt genom att reglera en annan gen. Så rörigt kan det vara.

Litteratur

Smemo & al (2014) Obesity-associated variants within FTO form long-range functional connections with IRX3.
Nature

Morning coffee: epigenetic inheritance of odour sensitivity

kaffe_tryffel

A while ago I wrote a bit about the recent paper on epigenetic inheritance of acetophenone sensitivity and odorant receptor expression. I spent most of the post talking about potential problems, but actually I’m not that negative. There is quite a literature building up about these transgenerational effects, that is quite inspiring if a little overhyped. I for one do not think epigenetic inheritance is particularly outrageous or disrupting to genetics and evolution as we know it. Take this paper: even if it means inheritance of an acquired trait, it is probably not very stable over the generations, and it is nothing like a general Lamarckian transmission mechanism that can work for any trait. It is probably very specific for odourant receptors. It might allow for genetic assimilation of fear of odours though, which would be cool, but probably not at all easy to demonstrate. But no-one knows how it works, if it does — there are even multiple unknown steps. How does fear conditioning translate to DNA methylation differences sperm that translates to olfactory receptor expression in the brain of the offspring?

A while after the transgenerational effects paper I saw this one in PNAS: Rare event of histone demethylation can initiate singular gene expression of olfactory receptors (Tan, Song & Xie 2013). I had no idea olfactory receptor expression was that fascinating! (As is often the case when you scratch the surface of another problem in biology, there turns out to be interesting stuff there …) Mice have lots and lots of odorant receptor genes, but each olfactory neuron only expresses one of them. Apparently the expression is regulated by histone 3 lycine 9 methylation. The genes start out methylated and suppressed, but once one of them is expressed it will keep all other down by downregulating a histone demethylase. This is a modeling paper that shows that if random demethylation happens slowly enough and the feedback to shut down further demethylation is fast enough, these steps are sufficient to explain the specificity of expression. There are some connections between histone methylation and DNA methylation: it seems that DNA methylation binds proteins that bring histone methylases to the gene (review Cedar & Bergman 2009). Dias & Ressler saw hypomethylation near the olfactory receptor gene in question, Olfr151. Maybe that difference, if it survives through to the developing brain of the offspring, can make demethylation of the locus more likely and give Olfr151 a head start in the race to become the first expressed receptor gene.

Literature

Brian G Dias & Kerry J Ressler (2013) Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations Nature neuroscience doi:10.1038/nn.3594

Longzhi Tan, Chenghang Zong, X. Sunney Xie (2013) Rare event of histone demethylation can initiate singular gene expression of olfactory receptors. PNAS 10.1073/pnas.1321511111

Howard Cedar, Yehudit Bergman (2009) Linking DNA methylation and histone modification: patterns and paradigms. Nature reviews genetics doi:10.1038/nrg2540

Morning coffee: microarrays

kaffe_lissabon

Who still uses gene expression microarrays? I do and lots of other people do. And even though it’s pretty clear that RNA-seq is better, as long as it’s more expensive — and it probably still is for many combinations of microarray and sequencing platforms — the trade-off between the technical variability and sample size should still favour microarrays. But the breaking point probably occurs about right now, and I’m looking forward to seeing lots of sequencing based genetical genomics with splice-eQTL, antisense RNA-eQTL and what not! But then again, the same might happen for RNA-seq in a few years: I hope people stick with current generation massively parallel sequencing long enough to get decent sample sizes instead of jumping to small-N studies with the next technology.

Isfiskarnas färglösa blod och förlorade hemoglobingener

Blodet är rött på grund av det syrebärande proteinet hemoglobin. Nu finns det i och för sig många andra djur som har andra lösningar, men bland ryggradsdjur är det rött blod och hemoglobin som gäller. Vi klarar oss inte något vidare utan — det finns flera olika sorters genetiska anemier som beror på mutationer i generna för hemoglobin. Men det finns fiskar kring Antarktis, isfiskar, som klarar sig utan både hemoglobin och röda blodkroppar. Det är inte några avlägsna släktingar som skildes från andra fiskar innan hemoglobinet kom till — de kommer från förfäder som hade hemoglobin men har förlorat det.

Sidell & O’Brien (2006) har en bild på isfiskarnas grå blod: se figur 1.

Det finns flera gener som kodar för olika delar av hemoglobinproteinet. Isfiskarna saknar proteinet, saknar helt gener för betaglobin men har kvar rester av en gen för alfaglobin. Kopior av gener som muterat sönder på olika sätt brukar kallas pseudogener. En gen kan bli pseudogen om en bit av den försvinner eller en mutation introducerar en ny signalsekvens. Det kan vara en stoppsignal, så att proteinet slutar för tidigt eller en splitssignal, så att icke-kodande sekvenser som inte brukar höra hemma i den kodande delen hamnar där — och så vidare. Isfiskarnas alfaglobingen är bara ett fragment och en art har dessutom tappat en bit till. När en gen väl förlorat sin funktion finns det inte mycket som hindrar att den muterar sönder ännu mer eller försvinner. Och att försvinna helt verkar vara just det öde som drabbat isfiskarnas betaglobin.

På land fungerar det som sagt väldigt dåligt att vara ryggradsdjur utan hemoglobin. Men syre löser sig bättre i kallt än varmt vatten och dessutom har isfiskarna ovanligt stora hjärtan och ovanligt mycket blod. Åsikterna går isär om ifall det färglösa blodet är en anpassning, alltså något som fungerar bättre än rött blod i kallt vatten, men om vi ska tro Sidells & O’Briens sammanfattning av läget är svaret antagligen nej. Det är uppenbarligen en lösning som fungerar, men om den har någon fördel är det oklart vilken det skulle vara.

Icefishuk

(En isfisklarv. Foto: Uwe Kils. CC:BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.)

Men det finns en art hemoglobinlösa isfiskar, Neopagetopsis ionah, som avviker från mönstret (Near, Parker & Dietrich 2006). Den här arten har kvar en sin trasiga betaglobingen, och den har faktiskt inte bara en utan två pseudogener av betaglobin, som verkar komma från olika ursprung och är trasiga på olika sätt. Det verkar som att N. ionah behåller en äldre längre version av sekvensen — efter att betaglobin gått sönder men innan den förlorats helt. Som om det behövdes ett exempel på att genom är röriga och att arters evolutionära historia ibland är något bisarr: pseudogenerna är alltså olika fragment av olika betaglobingener, där den ena mest liknar den från en avlägsnare släkting till isfiskarna. Pseudogenerna verkar ha uppstått i en korsning mellan en anfader eller -moder till isfiskarna och en föregångare till släktingarna i Nothotheniidae där det blivit en misslyckad rekombination mellan de olika versionerna av genen.

Normalt innehåller globinfamiljen både vuxenvarianter och embryovarianter av hemoglobin. Det ovanstående, i alla sin rörighet, är alltså inte ens hela saken. Och isfiskarna saknar röda blodkroppar också, men det är en annan historia.

Litteratur

Near, Parker & Dietrich (2006). A Genomic Fossil Reveals Key Steps in Hemoglobin Loss by the Antarctic IcefishesMol Biol Evol doi: 10.1093/molbev/msl071

Sidell & O’Brien (2006). When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes. J Exp Biol doi: 10.1242/​jeb.02091