Epigenetics and Noncoding RNA – Principles and Clinical
                    Impact

Uwe Kornak; Oliver Bischof; Regina Ebert; Hanna Taipaleenmäki; Eric Hesse; Franz Jakob

doi:10.1055/a-1527-4585

Osteologie, Inhaltsverzeichnis

Osteologie 2021; 30(03): 201-210
DOI: 10.1055/a-1527-4585

Review

Epigenetics and Noncoding RNA – Principles and Clinical Impact

Epigenetik und nichtkodierende RNA – Grundlagen und Klinische Bedeutung

Uwe Kornak‡

¹Institut für Humangenetik Georg-August-Universität Göttingen, Universitätsmedizin Göttingen, Göttingen, Germany

,

Oliver Bischof‡

²CNRS Délégation Ile de France Villejuif, 7 rue Guy Moquet, 94800 Villejuif, France

,

Regina Ebert

³Bernhard-Heine-Centrum für Bewegungsforschung, Lehrstuhl für Orthopädie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Würzburg, Germany

,

Hanna Taipaleenmäki

⁴Molecular Skeletal Biology Laboratory, Department of Trauma and Orthopedic Surgery, University Medical Center Hamburg-Eppendorf, Hamburg, Germany

,

Eric Hesse‡

⁵Institut für Molekulare Muskuloskelettale Forschung, Klinikum der Universität München, Planegg, Germany

,

Franz Jakob‡

³Bernhard-Heine-Centrum für Bewegungsforschung, Lehrstuhl für Orthopädie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Würzburg, Germany

› Institutsangaben

Abstract

Genetics studies the inheritance of genetic information encoded by the base pair sequence and its variants. Sequence variants can have severe consequences as seen in genetically inherited diseases (e. g. osteogenesis Imperfecta, hypophosphatasia). On the other hand, epigenetics deals with inherited and dynamically reversible modifications of chromatin without changing the base pair sequence, resulting in a change in phenotype without a change in genotype. These modifications primarily exert their effects by influencing gene expression. Initially, the definition of epigenetics exclusively comprised inherited changes that persist across several generations without changes in the DNA sequence. This definition has been extended to include also dynamic and partially reversible changes that occur more short-term. These gene modulatory effects introduce new levels of complexity and are crucial determinants of cell fate and organismal development. With its length of approximately two meters, human DNA has to be compacted to fit into the nuclei and fulfill its functions. DNA is wrapped around histone octamers into so-called nucleosomes. DNA, histones, and other DNA-associated proteins together form what is called chromatin. DNA packaging is achieved by variable degrees of chromatin condensation depending on cell type and context. Epigenetic transcriptional regulation modifies the affinity and accessibility of cis-regulatory elements (CREs) for transcription factors and the basic transcriptional machinery and governs interaction between CREs. CREs include promoters, enhancers, silencers, and insulators and are potent modulators of gene expression impacting core cell biological processes such as proliferation and differentiation. Chromatin looping and remodeling by differential covalent modifications of DNA (e. g., methylation or hydroxylation) and histone tails (e. g., acetylation or methylation) elicit fundamental changes in CRE accessibility, thus impacting gene expression. Chromatin looping depends on a specialized machinery including cohesins. Chromatin modifications are mediated by specific enzymes like DNA methylases (DNMTs), histone-modifying enzymes, like histone methyl- and acetyltransferases (KMTs, HATs/KATs), and histone demethylases and deacetylases (KDMs, HDACs). It becomes increasingly evident that epigenetic (dys)regulation plays a decisive role in physiology and pathophysiology, impacting many age-related diseases like cancer and degenerative pathologies (e. g., osteoporosis, Alzheimer’s, or Parkinson’s) in a significant fashion. Recently, small-molecule inhibitors of chromatin-modifying enzymes (e. g., vorinostat) have been identified and successfully introduced in therapy. Significant progress in high-throughput sequencing technologies and big data analysis has broadened our understanding of noncoding (nc) RNAs and DNA sequence regions in (post-)transcriptional regulation and disease development. Among ncRNAs that play vital roles in gene expression are micro- (miRs) and long noncoding RNAs (lncRNAs; e. g., XIST or HOTAIR). By interacting with the coding genome, these RNAs modulate important genetic programs. Interfering RNAs can, for example, enhance the post-transcriptional degradation of transcripts, altering their translation, or assist in the recruitment of chromatin-modifying enzymes to regulate transcription. They can also be packaged into extracellular vesicles as cargo and thus deliver critical information to the microenvironment or even systemically to distant tissues. Therefore, ncRNAs represent a novel playground for therapeutical investigations and supplement epigenetic mechanisms of gene regulation while being subject to epigenetic regulation themselves. Last but not least, dysregulated ncRNAs can also propagate disease. Until recently, the detection of epigenetic phenomena necessitated invasive diagnostic interventions. However, with the arrival of so-called “liquid biopsies” an analysis of circulating cell-free DNA fragments (cfDNA) and RNAs as well as vesicle-packed RNAs through minimal invasively drawn blood samples can be obtained. Such “fragmentomics” and RNAomics approaches on peripheral blood will ultimately serve as diagnostic tools for personalized clinical interventions.

Zusammenfassung

Die Genetik befasst sich mit der Erforschung der Vererbung und mit Varianten der Basenpaarfolge innerhalb unseres Genoms. Sequenzvarianten können schwerwiegende Folgen für den Organismus haben, wie man sie bei genetisch vererbten Krankheiten sieht wie z. B. Osteogenesis Imperfecta-oder Hypophosphatasie. Die Epigenetik hingegen befasst sich mit der Erforschung von teilweise vererbten und dynamischen Modifikationen des Chromatins, die über Veränderungen der Genexpression ohne eine Veränderung der zugrundeliegenden DNA-Sequenz zu einer Veränderung des Phänotyps führen können. Ursprünglich umfasste die Definition der Epigenetik ausschließlich vererbte Veränderungen, die über mehrere Generationen bestehen bleiben. Diese Definition wurde erweitert und umfasst nun auch dynamische und teilweise reversible Veränderungen, die eher kurzfristig auftreten. Was auf den ersten Blick wie eine Einführung von Unschärfe erscheint, führt neue Ebenen der Komplexität epigenetischer Phänomene ein und ähnelt viel mehr der Dynamik von Veränderungen in einem individuellen Leben eines Organismus. Die menschliche DNA, mit ihrer Länge von etwa 2 m, ist je nach Zelltyp und Zellkontext variabel verpackt. Die DNA-Verpackung wird erreicht, indem die DNA periodisch um Histon-Oktamere zu sogenannten Nukleosomen (147 bp/Nukleosom) gewickelt wird. DNA, Histone und andere DNA-assoziierte Proteine bilden zusammen das so genannte Chromatin. Epigenetische Regulation modifiziert die Affinität und Zugänglichkeit von cis-regulatorischen Elementen (CREs) für Transkriptionsfaktoren und die grundlegende Transkriptionsmaschinerie. CREs umfassen Promotoren, Enhancer, Silencer und Insulatoren und sind mächtige Modulatoren der Genexpression, die zentrale zellbiologische Prozesse wie Proliferation und Differenzierung beeinflussen. Chromatin-Remodelierung, differentielle chemische Modifikationen der DNA (z. B. Methylierung oder Hydroxylierung) und der Histonschwänze (z. B. Acetylierung oder Methylierung) bewirken fundamentale Veränderungen in der Zugänglichkeit von CREs und beeinflussen so die Chromatinstruktur und die Genexpression. Diese Modifikationen werden durch spezifische Enzyme wie DNA-Methyltransferasen (DNMTs), histonmodifizierende Enzyme wie Histon-Methyl- und -Acetyltransferasen (KMTs, HATs/KATs) und Histon-Deacetylasen und -Demethylasen (KDMs, HDACs) katalysiert. Es wird immer deutlicher, dass epigenetische (Dys-)Regulation eine wichtige Rolle in der Physiologie und Pathophysiologie spielt und die Entwicklung von Krankheiten in erheblichem Maße beeinflusst, darunter viele altersbedingte Krankheiten wie Krebs und degenerative Pathologien (z. B. Osteoporose, Alzheimer oder Parkinson). In jüngster Zeit wurden niedermolekulare Inhibitoren von chromatinmodifizierenden Enzymen (z. B. Voronistat) identifiziert und erfolgreich zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt. Große Fortschritte in der RNA-Sequenzierungstechnologie mit hohem Durchsatz und der Big-Data-Analyse haben unser Verständnis von nicht-kodierender RNA und DNA-Sequenzregionen in der Transkriptionsregulation und Krankheitsentwicklung erweitert und vertieft. Zu den nichtcodierenden RNAs, die eine wichtige Rolle bei der Genexpression spielen, gehören micro- (miRs) und lange nichtcodierende RNAs (lncRNAs; z. B. XIST oder HOTAIR). Durch Interferenz mit dem kodierenden Transkriptom modulieren solche RNAs wichtige genetische Programme. Interferierende RNAs können z. B. den Abbau von kodierenden Transkripten verstärken und so deren Translation verändern oder bei der Rekrutierung von chromatinmodifizierenden Enzymen zur Regulierung der Transkription helfen. Sie können auch als Fracht in extrazelluläre Vesikel verpackt werden und so wichtige Informationen an die Mikroumgebung oder sogar systemisch an entfernte Gewebe liefern. In diesem Sinne stellt die RNA-Welt ein neues Feld möglicher therapeutischer Interventionen dar. Nichtkodierende RNAs ergänzen somit epigenetische Mechanismen der Genregulation, auch wenn sie nicht primär als epigenetische Mechanismen angesehen werden. Sie fügen der Genexpression ohne Mutation eine weitere Komplexitätsebene hinzu und unterliegen selbst epigenetischen Veränderungen. Nicht zuletzt können dysregulierte nichtkodierende RNAs auch Krankheiten fördern. Bis vor kurzem erforderte der Nachweis von epigenetischen Phänomenen invasive diagnostische Eingriffe. Mit dem Aufkommen sogenannter „Liquid Biopsies“ ist jedoch eine Analyse zirkulierender zellfreier DNA-Fragmente (cfDNA) und RNAs sowie vesikulärer RNAs durch minimal-invasiv entnommene Blutproben möglich. Solche „Fragmentomics“- und RNAomics-Ansätze aus peripherem Blut werden in Zukunft immer mehr verfeinert und dienen letztlich als diagnostisches Werkzeug für personalisierte klinische Interventionen.

Key words

Epigenetics - noncoding RNAs - Bone biology

Schlüsselwörter

Epigenetik - nichtkodierende RNAs - Knochenbiologie

Volltext

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