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.
Alzheimer's disease (AD) is the most common age-dependent neurodegenerative disorder and shows progressive memory loss and cognitive decline. Intraneuronal filaments composed of aggregated hyperphosphorylated tau protein, called neurofibrillary tangles, along with extracellular accumulations of amyloid $\beta$ protein (A$\beta$), called senile plaques, are known to be the neuropathological hallmarks of AD. In light of recent studies, epigenetic modification has emerged as one of the pathogenic mechanisms of AD. Epigenetic changes encompass an array of molecular modifications to both DNA and chromatin, including transcription factors and cofactors. In this review, we summarize how DNA methylation and changes to DNA chromatin packaging by post-translational histone modification are involved in AD. In addition, we describe the role of SIRTs, histone deacetylases, and the effect of SIRT-modulating drugs on AD. Lastly, we discuss how amyloid precursor protein (APP) intracellular domain (AICD) regulates neuronal transcription. Our understanding of the epigenomes and transcriptomes of AD may warrant future identification of novel biological markers and beneficial therapeutic targets for AD.
Meyer J. Friedman;Haram Lee;June-Yong Lee;Soohwan Oh
IMMUNE NETWORK
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v.23
no.1
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pp.5.1-5.28
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2023
Th cell lineage determination and functional specialization are tightly linked to the activation of lineage-determining transcription factors (TFs) that bind cis-regulatory elements. These lineage-determining TFs act in concert with multiple layers of transcriptional regulators to alter the epigenetic landscape, including DNA methylation, histone modification and threedimensional chromosome architecture, in order to facilitate the specific Th gene expression programs that allow for phenotypic diversification. Accumulating evidence indicates that Th cell differentiation is not as rigid as classically held; rather, extensive phenotypic plasticity is an inherent feature of T cell lineages. Recent studies have begun to uncover the epigenetic programs that mechanistically govern T cell subset specification and immunological memory. Advances in next generation sequencing technologies have allowed global transcriptomic and epigenomic interrogation of CD4+ Th cells that extends previous findings focusing on individual loci. In this review, we provide an overview of recent genome-wide insights into the transcriptional and epigenetic regulation of CD4+ T cell-mediated adaptive immunity and discuss the implications for disease as well as immunotherapies.
Kim, Min Young;Lee, Ji Eun;Kim, Lark Kyun;Kim, TaeSoo
BMB Reports
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v.52
no.2
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pp.127-132
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2019
Cells must fine-tune their gene expression programs for optimal cellular activities in their natural growth conditions. Transcriptional memory, a unique transcriptional response, plays a pivotal role in faster reactivation of genes upon environmental changes, and is facilitated if genes were previously in an active state. Hyper-activation of gene expression by transcriptional memory is critical for cellular differentiation, development, and adaptation. TREM (Transcriptional REpression Memory), a distinct type of transcriptional memory, promoting hyper-repression of unnecessary genes, upon environmental changes has been recently reported. These two transcriptional responses may optimize specific gene expression patterns, in rapidly changing environments. Emerging evidence suggests that they are also critical for immune responses. In addition to memory B and T cells, innate immune cells are transcriptionally hyperactivated by restimulation, with the same or different pathogens known as trained immunity. In this review, we briefly summarize recent progress in chromatin-based regulation of transcriptional memory, and its potential role in immune responses.
Defense priming allows plants to enhance their immune responses to subsequent pathogen challenges. Recent reports suggested that acquired resistances in parental generation can be inherited into descendants. Although epigenetic mechanisms are plausible tools enabling the transmission of information or phenotypic traits induced by environmental cues across generations, the mechanism for the transgenerational inheritance of defense priming in plants has yet to be elucidated. With the initial aim to elucidate an epigenetic mechanism for the defense priming in plants, we reassessed the transgenerational inheritance of plant defense, however, could not observe any evidence supporting it. By using the same dipping method with previous reports, Arabidopsis was exposed repeatedly to Pseudomonas syringae pv tomato DC3000 (Pst DC3000) during vegetative or reproductive stages. Irrespective of the developmental stages of parental plants that received pathogen infection, the descendants did not exhibit primed resistance phenotypes, defense marker gene (PR1) expression, or elevated histone acetylation within PR1 chromatin. In assays using the pressure-infiltration method for infection, we obtained the same results as above. Thus, our results suggest that the previous observations on the transgenerational inheritance of defense priming in plants should be more extensively and carefully reassessed.
Our genome exists in the form of chromatin, and its structural organization should be precisely regulated with an appropriate dynamic nature for life. The basic unit of chromatin is a nucleosome, which consists of a histone octamer. These nucleosomal histones are subject to various covalent modifications, one of which is methylation on certain lysine residues. Recent studies in histone biology identified many histone Iysine methyltransferases (HKMTs) responsible for respective lysine residues and uncovered various kinds of involved chromatin associating proteins and many related epigenetic phenotypes. With the aid of highly precise experimental tools, multi-disciplinary approaches have widened our understanding of how lysine methylation functions in diverse epigenetic processes though detailed mechanisms remain elusive. Still being considered as a relatively more stable mark than other modifications, the recent discovery of lysine demethylases will confer more flexibility on epigenetic memory transmitted through histone lysine methylation. In this review, advances that have been recently observed in epigenetic phenotypes related with histone lysine methylation and the enzymes for depositing and removing the methyl mark are provided.
PIWI Argonaute proteins and Piwi-interacting RNAs (piRNAs) are expressed in all animal species and play a critical role in cellular defense by inhibiting the activation of transposable elements in the germline. Recently, new evidence suggests that PIWI proteins and piRNAs also play important roles in various somatic tissues, including neurons. This review summarizes the neuronal functions of the PIWI-piRNA pathway in multiple animal species, including their involvement in axon regeneration, behavior, memory formation, and transgenerational epigenetic inheritance of adaptive memory. This review also discusses the consequences of dysregulation of neuronal PIWI-piRNA pathways in certain neurological disorders, including neurodevelopmental and neurodegenerative diseases. A full understanding of neuronal PIWI-piRNA pathways will ultimately provide novel insights into small RNA biology and could potentially provide precise targets for therapeutic applications.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2017.06a
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pp.152-152
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2017
Plants exposed to environmental stress for long durations often can adapt to stress conditions with improved tolerance. Moreover this acquired tolerance to stress can be retained even after reverting to destressed growth conditions, which is known to stress memory. In these adaptation and stress memory processes, epigenetic regulation, such as DNA methylation and histone modifications play a key role. Here, we showed that regenerated rice plants from embryogenic callus exposed to gradually increasing NaCl concentrations (up to 120 mM NaCl) acquired salt tolerance and their enhanced tolerance are inherited to subsequent generations. The rice plants (R0) regenerated from rice callus under saline conditions were transplanted into normal paddy field and R1 seeds were harvested. These R1 seeds displayed higher germination rate on MS medium containing 100mM NaCl than wild-type. The callus derived from R1 seeds showed better growth than control callus on high salinity medium. And the salt-adapted R1 plants exhibited higher chlorophyll contents and also higher $K^+/Na^+$ ratio than wild-type rice under saline conditions. The results indicated that rice plants successfully adapted to saline growth conditions during regeneration on high salt medium and moreover this acquired tolerance to salt stress was inherited subsequent generation.
Kim, Minhee;Ohr, Hyonhwa;Lee, Jee Woong;Hyun, Youbong;Fischer, Robert L.;Choi, Yeonhee
Molecules and Cells
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v.26
no.6
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pp.611-615
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2008
DNA methylation is an epigenetic mechanism for gene silencing. In Arabidopsis, MET1 is the primary DNA methyltransferase that maintains CG DNA methylation. Plants having an overall reduction of MET1 activity, caused by a met1 mutation or a constitutively expressed MET1 antisense gene, display genome hypomethylation, inappropriate gene and transposon transcription, and developmental abnormalities. However, the effect of a transient reduction in MET1 activity caused by inhibiting MET1 expression in a restricted set of cells is not known. For this reason, we generated transgenic plants with a MET1 antisense gene fused to the DEMETER (DME) promoter (DME:MET1 a/s). Here we show that DME is expressed in leaf primordia, lateral root primoridia, in the region distal to the primary root apical meristem, which are regions that include proliferating cells. Endogenous MET1 expression was normal in organs where the DME:MET1 a/s was not expressed. Although DME promoter is active only in a small set of cells, these plants displayed global developmental abnormalities. Moreover, centromeric repeats were hypomethylated. The developmental defects were accumulated by the generations. Thus, not maintaining CG methylation in a small population of proliferating cells flanking the meristems causes global developmental and epigenetic abnormalities that cannot be rescued by restoring MET1 activity. These results suggest that during plant development there is little or no short-term molecular memory for reestablishing certain patterns of CG methylation that are maintained by MET1. Thus, continuous MET1 activity in dividing cells is essential for proper patterns of CG DNA methylation and development.
Embryonic stem cells have been a popular research topic in regenerative medicine owing to their pluripotency and applicability. However, due to the difficulty in harvesting them and their low yield efficiency, advanced cell reprogramming technology has been introduced as an alternative. Dental stem cells have entered the spotlight due to their regenerative potential and their ability to be obtained from biological waste generated after dental treatment. Cell reprogramming, a process of reverting mature somatic cells into stem cells, and transdifferentiation, a direct conversion between different cell types without induction of a pluripotent state, have helped overcome the shortcomings of stem cells and raised interest in their regenerative potential. Furthermore, the potential of these cells to return to their original cell types due to their epigenetic memory has reinforced the need to control the epigenetic background for successful management of cellular differentiation. Herein, we discuss all available sources of dental stem cells, the procedures used to obtain these cells, and their ability to differentiate into the desired cells. We also introduce the concepts of cell reprogramming and transdifferentiation in terms of genetics and epigenetics, including DNA methylation, histone modification, and non-coding RNA. Finally, we discuss a novel therapeutic avenue for using dental-derived cells as stem cells, and explain cell reprogramming and transdifferentiation, which are used in regenerative medicine and tissue engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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