Plant Epigenectics and Epigenomics (Wahl Genomik/Biostatistik) - Cheatsheet.pdf

DNA-Methylierungsmuster und deren Vererbung

Definition:

Methylgruppen an DNA-Basen modifizieren DNA und beeinflussen Genexpression, ohne die Sequenz zu ändern.

Details:

• Methylierung erfolgt oft an CpG-Dinukleotiden.
• Wichtig für die Regulation der Genexpression, genomische Prägung und X-Inaktivierung.
• Muster von Methylierung können durch Zellteilung und bei Pflanzen auch durch Generationswechsel vererbt werden.
• Mechanismus der Vererbung umfasst Enzyme wie DNA-Methyltransferasen.
• Wichtig für Entwicklungsprozesse und Stressantworten in Pflanzen.
• Kombination aus De-novo-Methylierung (z.B. durch DRM2) und Erhaltungsmethylierung (z.B. durch MET1).

Histon-Modifikation und deren Einfluss auf die Genregulation

Definition:

Chemische Modifikationen von Histon-Proteinen, die die Chromatinstruktur und damit die Zugänglichkeit der DNA beeinflussen.

Details:

• Acetylierung: Neutralisiert positive Ladung der Histone, fördert offenen Chromatinstatus und Genexpression
• Methylierung: Kann sowohl Aktivierung als auch Repression der Genexpression bewirken, abhängig vom Methylierungsort und -muster
• Phosphorylierung: Häufig bei DNA-Reparatur und während der Zellteilung aktiv
• Ubiquitinierung: Markiert Histone für Abbau oder verändert Chromatinstruktur
• Histon-Code-Hypothese: Kombination der Modifikationen beeinflusst spezifische Funktionen

Chromatin-Remodellierung und deren Bedeutung

Definition:

Chromatin-Remodellierung: Dynamische Umstrukturierung des Chromatins, ermöglicht Genexpression, DNA-Reparatur, Replikation.

Details:

• Chromatin kann zwischen dicht gepacktem Heterochromatin und lockerem Euchromatin wechseln.
• Wichtige Mechanismen: ATP-abhängige Chromatin-Remodellierungskomplexe, Histon-Modifikationen (z.B. Methylierung, Acetylierung), Austausch von Histonvarianten.
• Reguliert Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren und andere DNA-bindende Proteine.
• Bedeutung in der Pflanzenepigenetik: Erlaubt Pflanzen, auf Umweltveränderungen flexibel zu reagieren, Epigenetische Regulation der Genexpression.
• Wichtige experimentelle Techniken: ChIP-Seq, ATAC-Seq zur Untersuchung der Chromatinstruktur.
• Erblich, aber reversibel: Epigenetische Markierungen können verändert werden, ohne die DNA-Sequenz zu ändern.

Techniken zur Untersuchung epigenetischer Veränderungen (z.B. ChIP-Seq, Bisulfite Sequencing)

Definition:

Techniken zur Untersuchung epigenetischer Veränderungen, um Modifikationen an DNA und Histonen zu analysieren und zu quantifizieren.

Details:

• ChIP-Seq: Chromatin-Immunopräzipitation kombiniert mit Sequenzierung. Identifiziert protein-bindende DNA-Sequenzen.
• Prozess: Chromatin-Fragmentierung, Antikörper-Immunopräzipitation, DNA-Sequenzierung.
• Ergebnisse: Protein-DNA-Interaktionsstellen, Transkriptionsfaktoren-Bindungsstellen.
• Bisulfite Sequencing: Analyse der DNA-Methylierungsmuster.
• Prozess: Behandlung der DNA mit Bisulfit, wodurch nicht-methylierte Cytosine zu Uracil konvertiert werden, anschließende PCR und Sequenzierung.
• Ergebnisse: Unterscheidung zwischen methylierter und unmethylierter Cytosin.

Genomic-Wide Association Studies (GWAS) in Pflanzen

Definition:

GWAS untersucht genetische Varianten, um Assoziationen mit beobachtbaren Merkmalen in Pflanzen zu identifizieren

Details:

• Verwendet große Populationen
• Korrelieren genetische Marker (z.B. SNPs) mit phenotypischen Daten
• Nutzt statistische Modelle zur Identifizierung signifikanter Assoziationen
• Hilfreich bei der Aufklärung der genetischen Basis komplexer Merkmale
• Erforderlich: Hochdurchsatz-Genotypisierung und präzise phänotypische Daten
• Herausforderung: Berücksichtigung von Populationsstruktur und Umweltfaktoren

Epigenetische Regulation durch Umweltfaktoren bei Pflanzen

Definition:

Epigenetische Anpassungen von Pflanzen an Umweltfaktoren regulieren die Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz.

Details:

• Wichtige Mechanismen: DNA-Methylierung, Histonmodifikationen, nicht-kodierende RNAs
• Reaktion auf abiotische (z.B. Temperatur, Licht) und biotische (z.B. Pathogene) Faktoren
• Veränderungen können kurzfristig oder über Generationen hinweg stabil sein
• Bedeutung für Pflanzengesundheit, Wachstum und Stressresistenz

Entwicklung resistenter Pflanzensorten durch epigenetische Mechanismen

Definition:

Entwicklung resistenter Pflanzensorten durch epigenetische Mechanismen basiert auf der Modifikation der Genexpression ohne Änderungen der DNA-Sequenz.

Details:

• Epigenetische Mechanismen: DNA-Methylierung, Histonmodifikation, RNA-Interferenz
• Vorteile: schnellere Anpassung an Umweltbedingungen, keine genetische Modifikation notwendig
• Beispiele: Stressresistenz (Trockenheit, Salzgehalt), Krankheitsresistenz
• Werkzeuge: CRISPR/dCas9 für gezielte epigenetische Veränderung

Epigenetische Veränderungen als Biomarker in der Pflanzenzüchtung

Definition:

Nutzung epigenetischer Veränderungen zur Identifizierung und Auswahl gewünschter Eigenschaften in Pflanzenzüchtung.

Details:

• Epigenetische Veränderungen beeinflussen Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz.
• Häufige epigenetische Mechanismen: DNA-Methylierung, Histonmodifikationen, RNA-Interferenzen.
• Können stabil und vererbbar sein.
• Anwendung: Erhöhung der Stresstoleranz, Verbesserung der Nährstoffaufnahme, Ertragssteigerung.
• Erkennung durch Techniken wie bisulfitsequenzierung (DNA-Methylierung), Chip-Seq (Histonmodifikationen).
• Biomarker zur Früherkennung von Stressreaktionen und Anpassungsprozessen nutzbar.