Epigenetika: Definice, Jak to funguje, Příklady

Genetická informace pro organismus je zakódována v DNA chromozomů organismu, ale při práci existují i ​​jiné vlivy. The DNA sekvence tvorba genu nemusí být aktivní nebo může být blokována. Vlastnosti organismu jsou určovány jeho geny, ale zda se vlastně tyto geny vytvářejí zakódovanou charakteristikou, se nazývá genová exprese.

Mnoho faktorů může ovlivnit genovou expresi a určit, zda gen produkuje svou charakteristiku vůbec, nebo někdy jen slabě. Když je genová exprese ovlivněna hormony nebo enzymy, proces se nazývá genová regulace.

Epigenetika studuje molekulární biologii genové regulace a další epigenetické vlivy na genové expresi. V zásadě je jakýkoli vliv, který mění účinek sekvencí DNA beze změny kódu DNA, předmětem epigenetiky.

Epigenetika je proces, kterým genetické instrukce obsažené v DNA organismů jsou ovlivňovány negenetické faktory. Primární metodou pro epigenetické procesy je kontrola genové exprese. Některé kontrolní mechanismy jsou dočasné, jiné jsou trvalejší a lze je zdědit prostřednictvím epigenetické dědictví.

Gen se exprimuje tak, že si vytvoří kopii a pošle kopii ven do buňky, aby vytvořil protein kódovaný ve svých sekvencích DNA. Protein, samostatně nebo v kombinaci s jinými proteiny, produkuje specifickou charakteristiku organismu. Pokud je gen blokován v produkci proteinu, charakteristika organismu se neobjeví.

Epigenetika zkoumá, jak může být gen blokován v produkci bílkovin a jak jej lze znovu zapnout, pokud je blokován. Mezi mnoha epigenetické mechanismy které mohou ovlivnit genovou expresi, jsou následující:

• Deaktivace gen.
• Zastavení genu před dělat kopii.
• Zastavení kopírovaného genu z produkující protein.
• Blokování funkce bílkovin.
• Rozchod protein, než může fungovat.

Epigenetika studuje, jak jsou geny exprimovány, co ovlivňuje jejich expresi a mechanismy, které geny řídí. Zabývá se vrstvou vlivu nad genetickou vrstvou a tím, jak tato vrstva určuje epigenetické změny v tom, jak vypadá organismus a jak se chová.

Ačkoli všechny buňky v organismu mají stejný genom, přebírají buňky různé funkce podle toho, jak regulují své geny. Na úrovni organismu mohou mít organismy stejný genetický kód, ale vypadají a chovají se odlišně. Například v případě lidí mají identická dvojčata stejný lidský genom, ale budou vypadat a chovat se mírně odlišně, podle toho epigenetické změny.

Tyto epigenetické účinky se mohou lišit v závislosti na mnoha vnitřních a vnějších faktorech, včetně následujících:

• Hormony
• Faktory růstu
• Neurotransmitery
• Transkripční faktory
• Chemické podněty
• Environmentální podněty
  

Každý z nich může být epigenetickými faktory, které podporují nebo narušují genovou expresi v buňkách. Takový epigenetická kontrola je další způsob, jak regulovat genovou expresi beze změny základního genetického kódu.

V každém případě se změní celková genová exprese. Vnitřní a vnější faktory jsou buď vyžadovány pro genovou expresi, nebo mohou blokovat jednu z fází. Pokud chybí požadovaný faktor, jako je enzym potřebný pro produkci bílkovin, nemůže být bílkovina vyrobena.

Pokud je přítomen blokující faktor, nemůže odpovídající fáze genové exprese fungovat a exprese příslušného genu je blokována. Epigenetika znamená, že znak, který je kódován v sekvencích DNA genu, se nemusí v organismu objevit.

Genom je kódován v tenkých, dlouhých molekulách sekvencí DNA, které musí být pevně navinuty do komplikované struktury chromatinu, aby se vešly do drobných buněčných jader.

K expresi genu je DNA kopírována pomocí a transkripční mechanismus. Část a DNA dvojitá šroubovice který obsahuje gen, který má být exprimován, je mírně odvinut a molekula RNA vytvoří kopii sekvencí DNA tvořících gen.

Molekuly DNA jsou navinuty kolem speciálních proteinů nazývaných histony. Histony lze měnit tak, aby byla DNA navinuta víceméně pevně.

Takový histonové modifikace může mít za následek natolik silné navinutí molekul DNA, že transkripční mechanismus složený ze speciálních enzymů a aminokyselin nemůže dosáhnout genu, který má být kopírován. Omezení přístupu ke genu prostřednictvím modifikace histonu vede k epigenetické kontrole genu.

Kromě omezení přístupu k genům lze histonové proteiny změnit tak, aby se více či méně pevně vázaly na molekuly DNA navinuté kolem nich v chromatin struktura. Takové modifikace histonu ovlivňují transkripční mechanismus, jehož funkcí je vytvořit kopii RNA genů, které mají být exprimovány.

Mezi modifikace histonů, které tímto způsobem ovlivňují genovou expresi, patří následující:

• Methylace - přidává methylovou skupinu k histonům, zvyšuje vazbu na DNA a snižuje genovou expresi.
• Fosforylace - přidává fosfátové skupiny k histonům. Účinek na genovou expresi závisí na interakci s methylací a acetylací.
• Acetyleace - acetylace histonu snižuje vazbu a zvyšuje expresi genu. K acetylovým skupinám se přidají histon-acetyltransferázy (HAT).
• De-acetylace - odstraňuje acetylové skupiny, zvyšuje vazbu a snižuje expresi genů pomocí histon-deacetylázy.

Když se změní histony, aby se zvýšila vazba, genetický kód pro konkrétní gen nelze přepsat a gen není exprimován. Když je vazba omezena, lze pořídit více genetických kopií nebo je lze vytvořit snadněji. Specifický gen je poté exprimován a produkuje se stále více a více jeho kódovaného proteinu.

Poté, co jsou sekvence DNA genu zkopírovány do Sekvence RNA„ Molekula RNA opouští jádro. Protein kódovaný v genetické sekvenci mohou produkovat továrny na malé buňky zvané ribozomy.

Řetězec operací je následující:

1. Transkripce DNA na RNA
2. Molekula RNA opouští jádro
3. RNA najde ribozomy v buňce
4. Překlad sekvence RNA na proteinové řetězce
5. Produkce bílkovin

Dvě klíčové funkce molekuly RNA jsou transkripce a translace. Kromě RNA použité ke kopírování a přenosu sekvencí DNA mohou buňky produkovat interferenční RNA nebo iRNA. Jedná se o krátká vlákna tzv. RNA sekvencí nekódující RNA protože nemají žádné sekvence kódující geny.

Jejich funkcí je interferovat s transkripcí a translací, což snižuje genovou expresi. Tímto způsobem má iRNA epigenetický účinek.

Během methylace DNA volali enzymy DNA methyltransferázy připojte methylové skupiny k molekulám DNA. Aby se aktivoval gen a zahájil proces transkripce, musí se poblíž molekuly DNA připojit k molekule DNA. Methylové skupiny jsou umístěny na místech, kde by se normálně připojoval transkripční protein, čímž by blokoval transkripční funkci.

Když se buňky dělí, sekvence DNA genomu buňky se kopírují v procesu zvaném replikace DNA. Stejný proces se používá k vytvoření spermie a vaječné buňky ve vyšších organismech.

Mnoho z faktorů, které regulují genovou expresi, se při kopírování DNA ztratí, ale mnoho kopií DNA methylace se replikuje v kopírovaných molekulách DNA. To znamená, že regulace genové exprese způsobená Methylaci DNA lze zdědit i když základní sekvence DNA zůstávají nezměněny.

Protože methylace DNA reaguje na epigenetické faktory, jako je životní prostředí, strava, chemikálie, stres, znečištění, výběr životního stylu a záření, epigenetické reakce z expozice těmto faktorům lze zdědit prostřednictvím DNA methylace. To znamená, že kromě genealogických vlivů je jedinec formován chováním rodičů a faktory prostředí, kterým byl vystaven.

Buňky mají geny, které se podporují buněčné dělení stejně jako geny, které potlačují rychlý nekontrolovaný růst buněk, například v nádorech. Nazývají se geny, které způsobují růst nádorů onkogeny a ty, které zabraňují nádorům, se nazývají geny potlačující nádory.

Lidské rakoviny mohou být způsobeny zvýšenou expresí onkogenů spojenou s blokovanou expresí tumor supresorových genů. Pokud se zdědí methylační vzorec DNA odpovídající této genové expresi, potomci mohou mít zvýšenou náchylnost k rakovině.

V případě kolorektální karcinommůže být chybný methylační vzorec DNA přenesen z rodičů na potomky. Podle studie z roku 1983 a článku A. Feinberg a B. Vogelstein, model methylace DNA u pacientů s kolorektálním karcinomem, ukázal zvýšenou metylaci a blokování tumor supresorových genů se sníženou methylací onkogenů.

Epigenetika může být také použita jako pomoc léčit genetické nemoci. U syndromu fragilního X chybí gen chromozomu X, který produkuje klíčový regulační protein. Absence proteinu znamená, že protein BRD4, který inhibuje intelektuální vývoj, je nekontrolovaně produkován v přebytku. K léčbě nemoci lze použít léky, které inhibují expresi BRD4.

Epigenetika má zásadní vliv na nemoci, ale může také ovlivnit jiné vlastnosti organismu, jako je chování.

Ve studii z roku 1988 na McGillově univerzitě Michael Meany zjistil, že z potkanů, jejichž matky se o ně staraly olizováním a pozorností, se vyvinuly klidní dospělí. Krysy, jejichž matky je ignorovaly, se staly úzkostnými dospělými. Analýza mozkové tkáně ukázala, že chování matek způsobilo změny v methylace mozkových buněk u krys. Rozdíly u potomků potkanů ​​byly výsledkem epigenetických účinků.

Další studie se zabývaly účinkem hladomoru. Když byly matky během těhotenství vystaveny hladomoru, jako tomu bylo v Holandsku v letech 1944 a 1945, jejich děti měly vyšší výskyt obezity a koronárních onemocnění ve srovnání s matkami, které nebyly vystaveny hladomor. Vyšší rizika byla sledována sníženou methylací DNA genu produkujícího růstový faktor podobný inzulínu. Takový epigenetické účinky lze zdědit po několik generací.

Účinky chování, které mohou být přenášeny z rodičů na děti a dále, mohou zahrnovat následující:

• Rodičovská strava může ovlivnit duševní zdraví potomků.
• Expozice životního prostředí znečištění rodičů může ovlivnit dětské astma.
• Historie výživy matky může ovlivnit velikost porodu kojence.
• Konzumace nadměrného alkoholu rodičem muže může u potomků způsobit agresi.
• Vystavení rodičům kokainu může mít vliv na paměť.

Tyto účinky jsou výsledkem změn v methylaci DNA přenesených na potomky, ale pokud tyto faktory mohou změnit metylaci DNA u rodičů, faktory, které děti zažívají, mohou změnit jejich vlastní DNA methylace. Na rozdíl od genetického kódu může být metylace DNA u dětí změněna chováním a expozicí prostředí v pozdějším životě.

Když je methylace DNA ovlivněna chováním, mohou se methylové značky na DNA, na které se mohou methylové skupiny připojit, měnit a ovlivňovat tak genovou expresi. Ačkoli mnoho studií zabývajících se genovou expresí pochází z doby před mnoha lety, výsledky se spojily s a pouze teprve nedávno rostoucí objem epigenetického výzkumu. Tento výzkum ukazuje, že role epigenetiky může mít na organismy stejně silný vliv jako základní genetický kód.