Епигенетика: Определение, как работи, примери

Генетичната информация за организма е кодирана в ДНК на хромозомите на организма, но има и други влияния на работа. The ДНК последователности съставянето на ген може да не е активно или да бъде блокирано. Характеристиките на организма се определят от неговите гени, но се нарича дали гените всъщност създават кодираната характеристика генната експресия.

Много фактори могат да повлияят на генната експресия, определяйки дали генът изобщо произвежда характеристиките си или понякога само слабо. Когато генната експресия се влияе от хормони или ензими, процесът се нарича генна регулация.

Епигенетика изучава молекулярната биология на генната регулация и другия епигенетични влияния върху генната експресия. По принцип всяко влияние, което променя ефекта на ДНК последователностите, без да се променя ДНК кода, е обект на епигенетика.

Епигенетика е процесът, чрез който генетичните инструкции, съдържащи се в ДНК на организмите са повлияни от негенетични фактори. Основният метод за епигенетични процеси е контрол на генната експресия. Някои механизми за контрол са временни, но други са по-постоянни и могат да бъдат наследени чрез

Ген се изразява, като прави копие от себе си и изпраща копието в клетката, за да произведе протеина, кодиран в неговите ДНК последователности. Протеинът, самостоятелно или в комбинация с други протеини, произвежда специфична характеристика на организма. Ако генът е блокиран да произвежда протеина, характеристиката на организма няма да се появи.

Epigenetics разглежда как генът може да бъде блокиран да произвежда своя протеин и как може да бъде включен отново, ако е блокиран. Сред многото епигенетични механизми които могат да повлияят на генната експресия са следните:

• Деактивиране гена.
• Спиране на гена от правене на копие.
• Спиране на копирания ген от произвеждащи протеина.
• Блокиране на функцията на протеина.
• Разделям се протеинът, преди да може да работи.

Епигенетиката изучава как се експресират гените, какво влияе върху тяхната експресия и механизмите, които контролират гените. Той разглежда слоя на влияние над генетичния слой и как този слой определя епигенетични промени в това как изглежда един организъм и как се държи.

Въпреки че всички клетки в организма имат един и същ геном, клетките поемат различни функции въз основа на това как регулират своите гени. На ниво организъм организмите могат да имат един и същ генетичен код, но изглеждат и се държат по различен начин. В случая с хората например, еднояйчните близнаци имат един и същ човешки геном, но ще изглеждат и се държат малко по-различно, в зависимост от това епигенетични изменения.

Такива епигенетични ефекти могат да варират в зависимост от много вътрешни и външни фактори, включително следното:

• Хормони
• Фактори на растежа
• Невротрансмитери
• Транскрипционни фактори
• Химични стимули
• Стимули на околната среда
  

Всеки от тях може да бъде епигенетични фактори, които насърчават или нарушават генната експресия в клетките. Такива епигенетичен контрол е друг начин за регулиране на генната експресия, без да се променя основният генетичен код.

Във всеки случай общата генна експресия се променя. Вътрешните и външните фактори или са необходими за генната експресия, или могат да блокират един от етапите. Ако отсъства необходим фактор като ензим, необходим за производството на протеини, протеинът не може да бъде произведен.

Ако има блокиращ фактор, съответният етап на експресия на гена не може да функционира и експресията на съответния ген се блокира. Епигенетиката означава, че черта, кодирана в ДНК последователностите на гена, може да не се появи в организма.

Геномът е кодиран в тънки, дълги молекули на ДНК последователности, които трябва да бъдат навити плътно в сложна хроматинова структура, за да се поберат в малки клетъчни ядра.

За да се експресира ген, ДНК се копира чрез a транскрипционен механизъм. Частта от a Двойна спирала на ДНК който съдържа гена, който трябва да се експресира, се размотава леко и РНК молекула прави копие на ДНК последователностите, съставляващи гена.

ДНК молекулите се навиват около специални протеини, наречени хистони. Хистоните могат да се променят, така че ДНК да се навива повече или по-малко плътно.

Такива модификации на хистон може да доведе до нарастване на молекулите на ДНК толкова плътно, че транскрипционният механизъм, съставен от специални ензими и аминокиселини, не може да достигне до гена, който трябва да бъде копиран. Ограничаването на достъпа до ген чрез модифициране на хистона води до епигенетичен контрол на гена.

В допълнение към ограничаването на достъпа до гени, хистоновите протеини могат да се променят, за да се свързват повече или по-малко плътно с ДНК молекулите, навити около тях в хроматин структура. Такива модификации на хистон засягат транскрипционния механизъм, чиято функция е да направи РНК копие на гените, които трябва да бъдат експресирани.

Модификациите на хистон, които засягат генната експресия по този начин, включват следното:

• Метилиране - добавя метилова група към хистоните, увеличавайки свързването с ДНК и намалявайки генната експресия.
• Фосфорилиране - добавя фосфатни групи към хистоните. Ефектът върху генната експресия зависи от взаимодействието с метилирането и ацетилирането.
• Ацетилиране - хистоновото ацетилиране намалява свързването и повишава експресията на гените. Ацетиловите групи се добавят с хистонови ацетилтрансферази (HATs).
• Деацетилиране - премахва ацетиловите групи, увеличава свързването и намалява генната експресия с хистонова деацетилаза.

Когато хистоните се променят, за да се увеличи свързването, генетичният код за определен ген не може да бъде транскрибиран и генът не се експресира. Когато свързването намалее, могат да се направят повече генетични копия или да се направят по-лесно. След това специфичният ген се експресира и се произвежда все повече и повече от кодирания му протеин.

След като ДНК последователностите на гена се копират в РНК последователност, РНК молекула напуска ядрото. Кодираният в генетичната последователност протеин може да бъде произведен от малки клетъчни фабрики, наречени рибозоми.

Веригата от операции е както следва:

1. ДНК транскрипция в РНК
2. РНК молекулата напуска ядрото
3. РНК намира рибозоми в клетката
4. Транслация на РНК последователност в протеинови вериги
5. Производство на протеини

Двете ключови функции на РНК молекулата са транскрипция и транслация. В допълнение към РНК, използвана за копиране и прехвърляне на ДНК последователностите, клетките могат да произвеждат интерференционна РНК или iRNA. Това са наречени къси вериги на РНК последователности некодираща РНК защото нямат последователности, които кодират гени.

Тяхната функция е да пречат на транскрипцията и транслацията, намалявайки генната експресия. По този начин iRNA има епигенетичен ефект.

По време на метилирането на ДНК, ензимите, наречени ДНК метилтрансферази прикрепете метилови групи към молекулите на ДНК. За да активира ген и да започне процеса на транскрипция, протеинът трябва да се прикрепи към ДНК молекулата близо до началото. Метиловите групи се поставят на местата, където транскрипционният протеин обикновено се свързва, като по този начин блокира транскрипционната функция.

Когато клетките се разделят, ДНК последователностите на клетъчния геном се копират в процес, наречен ДНК репликация. Същият процес се използва за създаване сперматозоиди и яйчни клетки във висшите организми.

Много от факторите, които регулират генната експресия, се губят, когато ДНК се копира, но много от моделите на метилиране на ДНК се копират в копираните ДНК молекули. Това означава, че регулирането на генната експресия, причинено от Метилирането на ДНК може да бъде наследено въпреки че основните ДНК последователности остават непроменени.

Тъй като метилирането на ДНК реагира на епигенетични фактори като околна среда, диета, химикали, стрес, замърсяване, избор на начин на живот и радиация, епигенетичните реакции от излагане на такива фактори могат да бъдат наследени чрез ДНК метилиране. Това означава, че в допълнение към генеалогичните влияния, индивидът се формира от поведението на родителите и факторите на околната среда, на които е бил изложен.

Клетките имат гени, които насърчават клетъчно делене както и гени, които потискат бързия, неконтролиран растеж на клетките, като например при тумори. Наричат ​​се гени, които причиняват растежа на тумори онкогени и тези, които предотвратяват туморите, се наричат туморни супресорни гени.

Човешкият рак може да бъде причинен от повишената експресия на онкогени, съчетана с блокираната експресия на туморни супресорни гени. Ако моделът на метилиране на ДНК, съответстващ на тази генна експресия, се наследи, потомството може да има повишена чувствителност към рак.

В случай че колоректален рак, дефектен модел на метилиране на ДНК може да бъде предаден от родители на потомство. Според проучване от 1983 г. и доклад на А. Файнберг и Б. Фогелщайн, моделът на метилиране на ДНК на пациенти с колоректален рак показва повишено метилиране и блокиране на туморни супресорни гени с намалено метилиране на онкогени.

В помощ може да се използва и епигенетика лекуват генетични заболявания. При синдром Fragile X липсва ген на X-хромозома, който произвежда ключов регулаторен протеин. Липсата на протеин означава, че протеинът BRD4, който инхибира интелектуалното развитие, се произвежда в излишък по неконтролиран начин. Лекарства, които инхибират експресията на BRD4, могат да се използват за лечение на заболяването.

Епигенетиката има голямо влияние върху заболяването, но може да повлияе и на други организмени черти като поведение.

В проучване от 1988 г. в университета Макгил Майкъл Мини наблюдава, че плъховете, чиито майки се грижат за тях, като ги облизват и обръщат внимание, се превръщат в спокойни възрастни. Плъховете, чиито майки ги игнорираха, станаха тревожни възрастни. Анализ на мозъчната тъкан показа, че поведението на майките е причинило промени в метилиране на мозъчните клетки при бебетата плъхове. Разликите в потомството на плъхове са резултат от епигенетични ефекти.

Други изследвания разглеждат ефекта от глада. Когато майките са били изложени на глад по време на бременност, какъвто е случаят в Холандия през 1944 и 1945 г., техните децата са имали по-висока честота на затлъстяване и коронарна болест в сравнение с майките, на които не са били изложени глад. По-високите рискове бяха проследени до намалено ДНК метилиране на ген, произвеждащ инсулиноподобен растежен фактор. Такива епигенетични ефекти може да се наследи в продължение на няколко поколения.

Ефектите от поведението, които могат да се предават от родители на деца и след това, могат да включват следното:

• Диетата на родителите може да повлияе на психичното здраве на потомството.
• Излагането на околната среда на замърсяване при родителите може да повлияе на детската астма.
• Историята на майчиното хранене може да повлияе на размера на новороденото.
• Консумацията на излишен алкохол от мъжкия родител може да предизвика агресия у потомството.
• Излагането на родителите на кокаин може да повлияе на паметта.

Тези ефекти са резултат от промените в метилирането на ДНК, предадени на потомството, но ако тези фактори могат променят метилирането на ДНК при родителите, факторите, които децата изпитват, могат да променят собствената им ДНК метилиране. За разлика от генетичния код, метилирането на ДНК при деца може да се промени чрез поведение и излагане на околната среда в по-късен живот.

Когато метилирането на ДНК е повлияно от поведението, метиловите белези върху ДНК, където метиловите групи могат да се прикрепят, могат да се променят и да повлияят на генната експресия по този начин. Въпреки че много от изследванията, занимаващи се с генна експресия, датират от преди много години, едва наскоро резултатите са свързани с нарастващ обем на епигенетичните изследвания. Това изследване показва, че ролята на епигенетиката може да има толкова мощно влияние върху организмите, колкото основният генетичен код.