Epigenetik: Definition, hvordan det fungerer, eksempler

Den genetiske information for en organisme er kodet i DNA'et fra organismenes kromosomer, men der er andre påvirkninger på arbejdspladsen. Det DNA-sekvenser dannelse af et gen er muligvis ikke aktivt, eller de kan være blokeret. En organisms egenskaber bestemmes af dens gener, men om generne faktisk skaber den kodede egenskab kaldes genekspression.

Mange faktorer kan påvirke genekspression og bestemme, om genet overhovedet eller undertiden kun svagt producerer dets karakteristiske. Når genekspression er påvirket af hormoner eller enzymer, kaldes processen genregulering.

Epigenetik studerer den molekylære biologi af genregulering og den anden epigenetiske påvirkninger om genekspression. Dybest set er enhver indflydelse, der ændrer effekten af ​​DNA-sekvenser uden at ændre DNA-koden, et emne for epigenetik.

Epigenetik: Definition og oversigt

Epigenetik er den proces, hvorigennem genetiske instruktioner indeholdt i DNA af organismer er påvirket af ikke-genetiske faktorer. Den primære metode til epigenetiske processer er kontrol af genekspression. Nogle kontrolmekanismer er midlertidige, men andre er mere permanente og kan arves via

epigenetisk arv.

Et gen udtrykker sig ved at fremstille en kopi af sig selv og sende kopien ud i cellen for at producere proteinet kodet i dets DNA-sekvenser. Proteinet, enten alene eller i kombination med andre proteiner, producerer en specifik organismeegenskab. Hvis genet er blokeret fra at producere proteinet, vises organisme-karakteristikken ikke.

Epigenetik ser på, hvordan genet kan blokeres fra at producere dets protein, og hvordan det kan tændes igen, hvis det er blokeret. Blandt de mange epigenetiske mekanismer der kan påvirke genekspression er følgende:

  • Deaktiverer genet.
  • Stoppe genet fra laver en kopi.
  • Stop af det kopierede gen fra producerer proteinet.
  • Blokerer protein funktion.
  • Slår op proteinet, før det kan fungere.

Epigenetik studerer, hvordan gener udtrykkes, hvad der påvirker deres ekspression og de mekanismer, der styrer gener. Det ser på indflydelseslaget over det genetiske lag, og hvordan dette lag bestemmer epigenetiske ændringer i hvordan en organisme ser ud, og hvordan den opfører sig.

Sådan fungerer epigenetisk modifikation

Selvom alle celler i en organisme har det samme genom, tager cellerne forskellige funktioner baseret på, hvordan de regulerer deres gener. På organismeniveau kan organismer have den samme genetiske kode, men ser ud og opfører sig anderledes. For eksempel for mennesker har identiske tvillinger det samme menneskelige genom, men vil se ud og opføre sig lidt anderledes afhængigt af epigenetiske ændringer.

Sådanne epigenetiske effekter kan variere afhængigt af mange interne og eksterne faktorer, herunder følgende:

  • Hormoner
  • Vækstfaktorer
  • Neurotransmittere
  • Transkriptionsfaktorer
  • Kemiske stimuli
  • Miljømæssige stimuli

Hver af disse kan være epigenetiske faktorer, der fremmer eller forstyrrer genekspression i cellerne. Sådan epigenetisk kontrol er en anden måde at regulere genekspression uden at ændre den underliggende genetiske kode.

I begge tilfælde ændres den generelle genekspression. De interne og eksterne faktorer er enten nødvendige for genekspression, eller de kan blokere et af trinene. Hvis en krævet faktor såsom et enzym, der er nødvendigt til proteinproduktion, er fraværende, kan proteinet ikke produceres.

Hvis en blokerende faktor er til stede, kan det tilsvarende genekspressionstrin ikke fungere, og ekspressionen af ​​det relevante gen er blokeret. Epigenetik betyder, at et træk, der er kodet i DNA-sekvenserne af et gen, muligvis ikke vises i organismen.

Epigenetiske begrænsninger for DNA-adgang

Genomet er kodet i tynde, lange molekyler af DNA-sekvenser, der skal vikles tæt i en kompliceret kromatinstruktur for at passe ind i små cellekerner.

For at udtrykke et gen kopieres DNA'et via en transkriptionsmekanisme. Den del af en DNA dobbelt helix der indeholder genet, der skal udtrykkes, vikles let op, og et RNA-molekyle fremstiller en kopi af DNA-sekvenserne, der udgør genet.

DNA-molekylerne er viklet omkring specielle proteiner kaldet histoner. Histonerne kan ændres, så DNA'et såres mere eller mindre tæt.

Sådan histonændringer kan resultere i, at DNA-molekyler såres så tæt, at transkriptionsmekanismen, der består af specielle enzymer og aminosyrer, ikke kan nå det gen, der skal kopieres. Begrænsning af adgang til et gen gennem histonmodifikation resulterer i epigenetisk kontrol af genet.

Yderligere epigenetiske histonændringer

Ud over at begrænse adgangen til gener kan histonproteiner ændres for at binde mere eller mindre tæt til DNA-molekylerne, der er viklet omkring dem i kromatin struktur. Sådanne histonmodifikationer påvirker transkriptionsmekanismen, hvis funktion er at fremstille en RNA-kopi af de gener, der skal udtrykkes.

Histonmodifikationer, der påvirker genekspression på denne måde, inkluderer følgende:

  • Methylering - tilføjer en methylgruppe til histoner, øger bindingen til DNA og reducerer genekspression.
  • Fosforylering - tilføjer fosfatgrupper til histoner. Effekten på genekspression afhænger af interaktion med methylering og acetylering.
  • Acetyleation - histonacetylering reducerer binding og opregulerer genekspression. Acetylgrupperne tilsættes med histonacetyltransferaser (HAT'er).
  • De-acetylering - fjerner acetylgrupper, øger bindingen og reducerer genekspression med histondeacetylase.

Når histoner ændres for at øge binding, kan den genetiske kode for et specifikt gen ikke transkriberes, og genet udtrykkes ikke. Når bindingen reduceres, kan der laves flere genetiske kopier, eller de kan laves lettere. Det specifikke gen udtrykkes derefter mere og mere af dets kodede protein produceres.

RNA kan interferere med genekspression

Efter at DNA'ets sekvenser er kopieret til en RNA-sekvens, det RNA-molekyle forlader kernen. Proteinet kodet i den genetiske sekvens kan produceres af små cellefabrikker kaldet ribosomer.

Driftskæden er som følger:

  1. DNA-transkription til RNA
  2. RNA-molekyle forlader kernen
  3. RNA finder ribosomer i cellen
  4. RNA-sekvensoversættelse til proteinkæder
  5. Proteinproduktion

De to nøglefunktioner i et RNA-molekyle er transkription og translation. Ud over det RNA, der bruges til at kopiere og overføre DNA-sekvenserne, kan celler producere interferens RNA eller iRNA. Disse er korte tråde af RNA-sekvenser kaldet ikke-kodende RNA fordi de ikke har nogen sekvenser, der koder gener.

Deres funktion er at forstyrre transkription og translation, hvilket reducerer genekspression. På denne måde har iRNA en epigenetisk virkning.

DNA-methylering er en vigtig faktor i genekspression

Under DNA-methylering kaldte enzymer DNA-methyltransferaser vedhæfte methylgrupper til DNA-molekyler. For at aktivere et gen og starte transkriptionsprocessen skal et protein fæstne sig til DNA-molekylet nær starten. Methylgrupperne placeres på de steder, hvor et transkriptionsprotein normalt ville fæstne sig, hvilket blokerer transkriptionsfunktionen.

Når celler deler sig, kopieres DNA-sekvenserne af cellens genom i en proces, der kaldes DNA-replikation. Den samme proces bruges til at oprette sæd og ægceller i højere organismer.

Mange af de faktorer, der regulerer genekspression, går tabt, når DNA'et kopieres, men meget af DNA-methyleringsmønstrene replikeres i de kopierede DNA-molekyler. Dette betyder, at reguleringen af ​​genekspression forårsaget af DNA-methylering kan nedarves selvom de underliggende DNA-sekvenser forbliver uændrede.

Fordi DNA-methylering reagerer på epigenetiske faktorer som miljø, diæt, kemikalier, stress, forurening, livsstilsvalg og stråling, kan de epigenetiske reaktioner fra udsættelse for sådanne faktorer arves gennem DNA methylering. Dette betyder, at et individ ud over genealogiske påvirkninger er formet af forældrenes adfærd og de miljømæssige faktorer, som de blev udsat for.

Epigenetiske eksempler: Sygdomme

Celler har gener, der fremmer celledeling såvel som gener, der undertrykker hurtig, ukontrolleret cellevækst såsom i tumorer. Gener kaldes gener, der forårsager vækst af tumorer onkogener og de der forhindrer tumorer kaldes tumorundertrykkende gener.

Humane kræftformer kan være forårsaget af den øgede ekspression af onkogener kombineret med den blokerede ekspression af tumorsuppressorgener. Hvis DNA-methyleringsmønsteret, der svarer til dette genekspression, nedarves, kan afkomene have en øget modtagelighed for kræft.

I tilfælde af kolorektal kræft, kan et defekt DNA-methyleringsmønster videregives fra forældre til afkom. Ifølge en undersøgelse fra 1983 og papir af A. Feinberg og B. Vogelstein, DNA-methyleringsmønsteret for patienter med kolorektal kræft viste øget methylering og blokering af tumorsuppressorgener med en nedsat methylering af onkogener.

Epigenetik kan også bruges til at hjælpe behandle genetiske sygdomme. I Fragile X-syndrom mangler et X-kromosomgen, der producerer et nøgleregulerende protein. Fraværet af protein betyder, at BRD4-proteinet, som hæmmer intellektuel udvikling, produceres i overskud på en ukontrolleret måde. Lægemidler, der inhiberer ekspressionen af ​​BRD4, kan anvendes til behandling af sygdommen.

Eksempler på epigenetik: Adfærd

Epigenetik har stor indflydelse på sygdomme, men det kan også påvirke andre organismeegenskaber såsom opførsel.

I en undersøgelse fra 1988 ved McGill University observerede Michael Meany, at rotter, hvis mødre passede dem ved at slikke og være opmærksomme på dem, udviklede sig til rolige voksne. Rotter, hvis mødre ignorerede dem, blev ængstelige voksne. En analyse af hjernevæv viste, at mødrenes opførsel forårsagede ændringer i methylering af hjerneceller i babyens rotter. Forskellene i rotteafkom var resultatet af epigenetiske effekter.

Andre undersøgelser har set på effekten af ​​hungersnød. Da mødre blev udsat for hungersnød under graviditeten, som det var tilfældet i Holland i 1944 og 1945, var deres børn havde en højere forekomst af fedme og koronar sygdom sammenlignet med mødre, der ikke blev udsat for hungersnød. De højere risici blev sporet til reduceret DNA-methylering af et gen, der producerer en insulinlignende vækstfaktor. Sådan epigenetiske virkninger kan arves over flere generationer.

Effekter af adfærd, der kan overføres fra forældre til børn og fremefter, kan omfatte følgende:

  • Forældrenes diæt kan påvirke afkomets mentale sundhed.
  • Miljøeksponering for forurening hos forældre kan påvirke barnets astma.
  • Mor ernæringshistorie kan påvirke spædbarnets fødselsstørrelse.
  • Indtagelse af overskydende alkohol af den mandlige forælder kan forårsage aggression hos afkom.
  • Eksponering af forældre for kokain kan påvirke hukommelsen.

Disse virkninger er resultaterne af ændringer i DNA-methylering, der overføres til afkom, men hvis disse faktorer kan ændre DNA-methylering hos forældre, de faktorer, som børnene oplever, kan ændre deres eget DNA methylering. I modsætning til den genetiske kode kan DNA-methylering hos børn ændres ved adfærd og miljøeksponering senere i livet.

Når DNA-methylering påvirkes af adfærd, kan methylmærkerne på DNA, hvor methylgrupperne kan fæstne, ændre og påvirke genekspression på den måde. Selvom mange af de undersøgelser, der beskæftiger sig med genekspression, stammer fra mange år siden, er det først for nylig, at resultaterne er blevet forbundet med en voksende mængde epigenetisk forskning. Denne forskning viser, at epigenetikens rolle kan have en så stærk indflydelse på organismer som den underliggende genetiske kode.

  • Del
instagram viewer