One of the main concerns in biology is extracting sophisticated features from DNA sequence for gene interaction determination, receiving a great deal of researchers' attention. The epigenetic modifications along with their patterns have been intensely recognized as dominant features affecting on gene expression. However, studying sequenced-based features highly correlated to this key element has remained limited. The main objective in this research was to propose a new feature highly correlated to epigenetic modifications capable of classification of genes. In this paper, classification of 34 genes in PPAR signaling pathway associated with muscle fat tissue in human was performed. Using different statistical outlier detection methods, we proposed that 5-mers highly correlated to epigenetic modifications can correctly categorize the genes involved in the same biological pathway or process. Thirty-four genes in PPAR signaling pathway were classified via applying a proposed feature, 5-mers strongly associated to 17 different epigenetic modifications. For this, diverse statistical outlier detection methods were applied to specify the group of thoroughly correlated genes. The results indicated that these 5-mers can appropriately identify correlated genes. In addition, our results corresponded to GeneMania interaction information, leading to support the suggested method. The appealing findings imply that not only epigenetic modifications but also their highly correlated 5-mers can be applied for reconstructing gene regulatory networks as supplementary data as well as other applications like physical interaction, genes prioritization, indicating some sort of data fusion in this analysis.
Fungal pathogens have huge impact on health and economic wellbeing of human by causing life-threatening mycoses in immune-compromised patients or by destroying crop plants. A key determinant of fungal pathogenesis is their ability to undergo developmental change in response to host or environmental factors. Genetic pathways that regulate such morphological transitions and adaptation are therefore extensively studied during the last few decades. Given that epigenetic as well as genetic components play pivotal roles in development of plants and mammals, contribution of microbial epigenetic counterparts to this morphogenetic process is intriguing yet nearly unappreciated question to date. To bridge this gap in our knowledge, we set out to investigate histone modifications among epigenetic mechanisms that possibly regulate fungal adaptation and processes involved in pathogenesis of a model plant pathogenic fungus, Magnaporthe oryzae. For functional and comparative analysis of histone modifications, a web-based database (dbHiMo) was constructed first to archive and analyze histone modifying enzymes from eukaryotic species whose genome sequences are available. Based on the database entries, we carried out functional analysis of genes encoding histone modifying enzymes. Here I provide examples of such analyses that show how histone acetylation and methylation is implicated in regulating important aspects of fungal pathogenesis. Current analysis of histone modifying enzymes is followed by ChIP-seq and RNA-seq experiments to pinpoint the genes that are controlled by particular histone modifications. We anticipate that our work will provide not only the significant advances in our understanding of epigenetic mechanisms operating in microbial eukaryotes but also basis to expand our perspective on regulation of development in fungal pathogens.
Healthy aging has become a major goal of public health. Many studies have provided evidence and theories to explain molecular mechanisms of the aging process. Recent studies suggest that epigenetic mechanisms are responsible for life span and the progression of aging. Epigenetics is a fascinating field of molecular biology, which studies heritable modifications of DNA and histones that regulate gene expression without altering the DNA sequence. DNA methylation is a major epigenetic mark that shows progressive changes during aging. Recent studies have investigated aging-related DNA methylation as a biomarker that predicts cellular age. Interestingly, growing evidence proposes that nutrients play a crucial role in the regulation of epigenetic modifiers. Because various nutrients and their metabolites function as substrates or cofactors for epigenetic modifiers, nutrition can modulate or reverse epigenetic marks in the genome as well as expression patterns. Here, we will review the results on aging-associated epigenetic modifications and the possible mechanisms by which nutrition, including nutrient availability and bioactive compounds, regulate epigenetic changes and affect aging physiology.
Objectives To review the epigenetic modifications involved in chronic pain and to improve individualized intervention for the chronic pain. Methods Focused literature review. Results Significant laboratory and clinical data support that epigenetic modifications have a potential role for development of chronic pain. Conclusions Epigenetic approach may identify mechanisms critical to the development of chronic pain after injury, and may provide new pathways and target mechanisms for future treatment and individualized medicine.
Kwon, Min Jee;Kim, Sunhong;Han, Myeong Hoon;Lee, Sung Bae
Molecules and Cells
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제39권11호
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pp.783-789
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2016
Afflicted neurons in various neurodegenerative diseases generally display diverse and complex pathological features before catastrophic occurrence of massive neuronal loss at the late stages of the diseases. This complex nature of neuronal pathophysiology inevitably implicates systemwide changes in basic cellular activities such as transcriptional controls and signal cascades, and so on, as a cause. Recently, as one of these systemwide cellular changes associated with neurodegenerative diseases, epigenetic changes caused by protein toxicity have begun to be highlighted. Notably, recent advances in related techniques including next-generation sequencing (NGS) and mass spectrometry enable us to monitor changes in the post-translational modifications (PTMs) of histone proteins and to link these changes in histone PTMs to the specific transcriptional changes. Indeed, epigenetic alterations and consequent changes in neuronal transcriptome are now begun to be extensively studied in neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease (AD). In this review, we will discuss details of our current understandings on epigenetic changes associated with two representative neurodegenerative diseases [AD and polyglutamine (polyQ) diseases] and further discuss possible future development of pharmaceutical treatment of the diseases through modulating these epigenetic changes.
Cells cope with diverse intrinsic and extrinsic stimuli in order to make adaptations for survival. The epigenetic landscape plays a crucial role in cellular adaptation, as it integrates the information generated from stimuli. Signaling pathways induced by stimuli communicate with chromatin to change the epigenetic landscape through regulation of epigenetic modifiers. Metabolic dynamics altered by these stimuli also affect the activity of epigenetic modifiers. Here, I review the current understanding of epigenetic regulation via signaling and metabolic pathways. In addition, I will discuss possible ways to achieve specificity of epigenetic modifications through the cooperation of stimuli-induced signal transduction and metabolic reprogramming.
Accumulating evidence indicates many brain functions are mediated by epigenetic regulation of neural genes, and their dysregulations result in neuronal disorders. Experiences such as learning and recall, as well as physical exercise, induce neuronal activation through epigenetic modifications and by changing the noncoding RNA profiles. Animal models, brain samples from patients, and the development of diverse analytical methods have broadened our understanding of epigenetic regulation in the brain. Diverse and specific epigenetic changes are suggested to correlate with neuronal development, learning and memory, aging and age-related neuronal diseases. Although the results show some discrepancies, a careful comparison of the data (including methods, regions and conditions examined) would clarify the problems confronted in understanding epigenetic regulation in the brain.
Chromatin structure and dynamics that are influenced by epigenetic marks, such as histone modification and DNA methylation, play a crucial role in modulating gene transcription. To understand the relationship between histone modifications and regulatory elements in breast cancer cells, we compared our chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-Seq) histone modification patterns for histone H3K4me1, H3K4me3, H3K9/16ac, and H3K27me3 in MCF-7 cells with publicly available formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements (FAIRE)-chip signals in human chromosomes 8, 11, and 12, identified by a method called FAIRE. Active regulatory elements defined by FAIRE were highly associated with active histone modifications, like H3K4me3 and H3K9/16ac, especially near transcription start sites. The H3K9/16ac-enriched genes that overlapped with FAIRE signals (FAIRE-H3K9/14ac) were moderately correlated with gene expression levels. We also identified functional sequence motifs at H3K4me1-enriched FAIRE sites upstream of putative promoters, suggesting that regulatory elements could be associated with H3K4me1 to be regarded as distal regulatory elements. Our results might provide an insight into epigenetic regulatory mechanisms explaining the association of histone modifications with open chromatin structure in breast cancer cells.
Kim, Hong-Rye;Han, Rong-Xun;Diao, Yun-Fei;Park, Chang-Sik;Jin, Dong-Il
BMB Reports
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제44권8호
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pp.535-540
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2011
Reprogramming errors, which appear frequently in cloned animals, are reflected by aberrant gene expression. We previously reported the aberrant expression of TIMP-2 and PBEF in cloned placenta and differential expression of PBEF genes during pregnancy. To examine the epigenetic modifications that regulate dynamic gene expression in developing placentae, we herein analyzed the mRNA and protein expression levels of PBEF and TIMP-2 in the placentae of normal mice during pregnancy and then examined potential correlations with epigenetic modifications. DNA methylation pattern analysis revealed no difference, but ChIP assays using antibodies against H3-K9/K14 and H4-K5 histone acetylation revealed that the H3-K9/K14 acetylation levels, but not the H4-K5 acetylation levels, of the TIMP-2 and PBEF loci were significantly correlated with their gene expression levels during placentation in normal mice. These results suggest that epigenetic changes may regulate gene expression level in the developing placentae of normal mice and that inappropriate epigenetic reprogramming might be one cause of the abnormal placentae seen in cloned animals.
Controlled release of medications remains the most convenient way to deliver drugs. In this study, we precipitated gold nanoparticles with quercetin. We loaded gold-quercetin into poly(DL-lactide-co-glycolide) nanoparticles (NQ) and tested the biological activity of NQ on HepG2 hepatocarcinoma cells to acquire the sustained release property. We determined by circular dichroism spectroscopy that NQ effectively caused conformational changes in DNA and modulated different proteins related to epigenetic modifications and c ell cycle control. The mitochondrial membrane potential (MMP), reactive oxygen species (ROS), cell cycle, apoptosis, DNA damage, and caspase 3 activity were analyzed by flow cytometry, and the expression profiles of different anti- and pro-apoptotic as well as epigenetic signals were studied by immunoblotting. A cytotoxicity assay indicated that NQ preferentially killed cancer cells, compared to normal cells. NQ interacted with HepG2 cell DNA and reduced histone deacetylases to control cell proliferation and arrest the cell cycle at the sub-G stage. Activities of cell cycle-related proteins, such as $p21^{WAF}$, cdk1, and pAkt, were modulated. NQ induced apoptosis in HepG2 cells by activating p53-ROS crosstalk and induces epigenetic modifications leading to inhibited proliferation and cell cycle arrest.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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