Epigenetik: Definition, Funktionsweise, Beispiele

Die genetische Information eines Organismus ist in der DNA der Chromosomen des Organismus kodiert, aber es gibt noch andere Einflüsse. Das DNA-Sequenzen die ein Gen bilden, sind möglicherweise nicht aktiv oder blockiert. Die Eigenschaften eines Organismus werden durch seine Gene bestimmt, aber ob die Gene tatsächlich das kodierte Merkmal erzeugen, wird genannt Genexpression.

Viele Faktoren können die Genexpression beeinflussen und bestimmen, ob das Gen seine Eigenschaft überhaupt oder manchmal nur schwach hervorbringt. Wenn die Genexpression durch Hormone oder Enzyme beeinflusst wird, nennt man den Vorgang Genregulation.

Epigenetik studiert die Molekularbiologie der Genregulation und die anderen epigenetische Einflüsse über die Genexpression. Grundsätzlich ist jeder Einfluss, der die Wirkung von DNA-Sequenzen verändert, ohne den DNA-Code zu verändern, Gegenstand der Epigenetik.

Epigenetik ist der Prozess, durch den genetische Anweisungen in der DNA der Organismen werden beeinflusst durch

Ein Gen exprimiert sich selbst, indem es eine Kopie von sich selbst anfertigt und die Kopie in die Zelle schickt, um das in seinen DNA-Sequenzen kodierte Protein zu produzieren. Das Protein, entweder allein oder in Kombination mit anderen Proteinen, erzeugt eine spezifische Organismuseigenschaft. Wenn das Gen daran gehindert wird, das Protein zu produzieren, wird das Merkmal des Organismus nicht erscheinen.

Die Epigenetik untersucht, wie das Gen daran gehindert werden kann, sein Protein zu produzieren, und wie es wieder eingeschaltet werden kann, wenn es blockiert ist. Unter den vielen epigenetische Mechanismen die die Genexpression beeinflussen können, sind die folgenden:

• Deaktivieren das Gen.
• Stoppen des Gens von eine Kopie machen.
• Stoppen des kopierten Gens von das Protein herstellen.
• Blockieren der Funktion des Proteins.
• Schluss machen das Protein, bevor es wirken kann.

Die Epigenetik untersucht, wie Gene exprimiert werden, was ihre Expression beeinflusst und welche Mechanismen Gene kontrollieren. Es betrachtet die Einflussschicht über der genetischen Schicht und wie diese Schicht bestimmt epigenetische Veränderungen wie ein Organismus aussieht und wie er sich verhält.

Obwohl alle Zellen eines Organismus das gleiche Genom haben, übernehmen die Zellen je nach Regulation ihrer Gene unterschiedliche Funktionen. Auf Organismusebene können Organismen den gleichen genetischen Code haben, aber unterschiedlich aussehen und sich verhalten. Im Fall von Menschen haben zum Beispiel eineiige Zwillinge das gleiche menschliche Genom, sehen aber je nach etwas anders aus und verhalten sich etwas anders epigenetische Veränderungen.

Solche epigenetischen Effekte können in Abhängigkeit von vielen internen und externen Faktoren variieren, einschließlich der folgenden:

• Hormone
• Wachstumsfaktoren
• Neurotransmitter
• Transkriptionsfaktoren
• Chemische Reize
• Umweltstimuli
  

Jeder dieser Faktoren kann epigenetische Faktoren sein, die die Genexpression in den Zellen fördern oder stören. Eine solche epigenetische Kontrolle ist eine weitere Möglichkeit, die Genexpression zu regulieren, ohne den zugrunde liegenden genetischen Code zu verändern.

In jedem Fall wird die Genexpression insgesamt verändert. Die internen und externen Faktoren sind entweder für die Genexpression erforderlich oder können eine der Stufen blockieren. Fehlt ein benötigter Faktor wie ein Enzym, das für die Proteinproduktion benötigt wird, kann das Protein nicht produziert werden.

Wenn ein Blockierungsfaktor vorhanden ist, kann die entsprechende Genexpressionsstufe nicht funktionieren und die Expression des entsprechenden Gens wird blockiert. Epigenetik bedeutet, dass ein Merkmal, das in den DNA-Sequenzen eines Gens kodiert ist, möglicherweise nicht im Organismus auftaucht.

Das Genom ist in dünnen, langen Molekülen von DNA-Sequenzen kodiert, die in eine komplizierte Chromatinstruktur eng gewickelt werden müssen, um in winzige Zellkerne zu passen.

Um ein Gen zu exprimieren, wird die DNA über a. kopiert Transkriptionsmechanismus. Der Teil von a DNA-Doppelhelix das das zu exprimierende Gen enthält, wird leicht abgewickelt und ein RNA-Molekül erstellt eine Kopie der DNA-Sequenzen, aus denen das Gen besteht.

Die DNA-Moleküle sind um spezielle Proteine, die Histone, gewickelt. Die Histone können so verändert werden, dass die DNA mehr oder weniger fest gewunden ist.

Eine solche Histon-Modifikationen können dazu führen, dass DNA-Moleküle so eng gewunden werden, dass der Transkriptionsmechanismus, bestehend aus speziellen Enzymen und Aminosäuren, das zu kopierende Gen nicht erreichen kann. Die Beschränkung des Zugangs zu einem Gen durch Histonmodifikation führt zu einer epigenetischen Kontrolle des Gens.

Abgesehen davon, dass der Zugang zu Genen eingeschränkt wird, können Histonproteine ​​so verändert werden, dass sie mehr oder weniger fest an die DNA-Moleküle binden, die sie im Chromatin Struktur. Solche Histonmodifikationen beeinflussen den Transkriptionsmechanismus, dessen Funktion es ist, eine RNA-Kopie der zu exprimierenden Gene zu erstellen.

Zu den Histonmodifikationen, die die Genexpression auf diese Weise beeinflussen, gehören die folgenden:

• Methylierung - fügt Histone eine Methylgruppe hinzu, erhöht die Bindung an die DNA und reduziert die Genexpression.
• Phosphorylierung - fügt Histone Phosphatgruppen hinzu. Die Wirkung auf die Genexpression hängt von der Interaktion mit Methylierung und Acetylierung ab.
• Acetylierung - Histonacetylierung reduziert die Bindung und reguliert die Genexpression hoch. Die Acetylgruppen werden mit Histonacetyltransferasen (HATs) hinzugefügt.
• Deacetylierung - entfernt Acetylgruppen, erhöht die Bindung und reduziert die Genexpression mit Histondeacetylase.

Wenn Histone verändert werden, um die Bindung zu erhöhen, kann der genetische Code für ein bestimmtes Gen nicht transkribiert werden und das Gen wird nicht exprimiert. Wenn die Bindung reduziert wird, können mehr genetische Kopien erstellt werden oder sie können leichter hergestellt werden. Das spezifische Gen wird dann exprimiert und immer mehr von seinem kodierten Protein wird produziert.

Nachdem die DNA-Sequenzen eines Gens in einen kopiert wurden RNA-Sequenz, das RNA-Molekül verlässt den Kern. Das in der genetischen Sequenz kodierte Protein kann von kleinen Zellfabriken, den Ribosomen, hergestellt werden.

Die Operationskette ist wie folgt:

1. DNA-Transkription zu RNA
2. RNA-Molekül verlässt den Kern
3. RNA findet Ribosomen in der Zelle
4. RNA-Sequenzübersetzung in Proteinketten
5. Proteinproduktion

Die beiden Schlüsselfunktionen eines RNA-Moleküls sind Transkription und Translation. Neben der RNA, die zum Kopieren und Übertragen der DNA-Sequenzen verwendet wird, können Zellen Interferenz-RNA oder iRNA. Dies sind kurze Stränge von RNA-Sequenzen, genannt nicht-kodierende RNA weil sie keine Sequenzen haben, die Gene kodieren.

Ihre Funktion besteht darin, die Transkription und Translation zu stören und die Genexpression zu reduzieren. Auf diese Weise hat iRNA eine epigenetische Wirkung.

Bei der DNA-Methylierung werden Enzyme namens DNA-Methyltransferasen binden Methylgruppen an DNA-Moleküle. Um ein Gen zu aktivieren und den Transkriptionsprozess zu starten, muss sich ein Protein in der Nähe des Starts an das DNA-Molekül anlagern. Die Methylgruppen werden an den Stellen platziert, an denen sich normalerweise ein Transkriptionsprotein anlagern würde, wodurch die Transkriptionsfunktion blockiert wird.

Wenn sich Zellen teilen, werden die DNA-Sequenzen des Genoms der Zelle in einem Prozess namens. kopiert DNA Replikation. Der gleiche Prozess wird verwendet, um zu erstellen Sperma und Eizellen in höheren Organismen.

Viele der Faktoren, die die Genexpression regulieren, gehen beim Kopieren der DNA verloren, aber viele der DNA-Methylierungsmuster werden in den kopierten DNA-Molekülen repliziert. Dies bedeutet, dass die Regulation der Genexpression durch DNA-Methylierung kann vererbt werden obwohl die zugrunde liegenden DNA-Sequenzen unverändert bleiben.

Da die DNA-Methylierung auf epigenetische Faktoren wie Umwelt, Ernährung, Chemikalien, Stress, Umweltverschmutzung, Lebensstil und Strahlung, können die epigenetischen Reaktionen durch die Exposition gegenüber solchen Faktoren durch DNA vererbt werden Methylierung. Das bedeutet, dass ein Individuum neben genealogischen Einflüssen durch das Verhalten der Eltern und die Umwelteinflüsse, denen sie ausgesetzt waren, geprägt wird.

Zellen haben Gene, die Zellteilung sowie Gene, die schnelles, unkontrolliertes Zellwachstum wie in Tumoren unterdrücken. Gene, die das Wachstum von Tumoren verursachen, werden genannt Onkogene und diejenigen, die Tumore verhindern, heißen Tumorsuppressorgene.

Humane Krebserkrankungen können durch die erhöhte Expression von Onkogenen in Verbindung mit der blockierten Expression von Tumorsuppressorgenen verursacht werden. Wird das dieser Genexpression entsprechende DNA-Methylierungsmuster vererbt, können die Nachkommen eine erhöhte Anfälligkeit für Krebs haben.

Im Falle von Darmkrebs, kann ein fehlerhaftes DNA-Methylierungsmuster von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Laut einer Studie und einem Papier von 1983 von A. Feinberg und B. Vogelstein zeigte das DNA-Methylierungsmuster von Darmkrebspatienten eine erhöhte Methylierung und Blockierung von Tumorsuppressorgenen mit einer verminderten Methylierung von Onkogenen.

Epigenetik kann auch helfen genetische Krankheiten behandeln. Beim Fragile-X-Syndrom fehlt ein X-Chromosom-Gen, das ein wichtiges regulatorisches Protein produziert. Das Fehlen des Proteins führt dazu, dass das BRD4-Protein, das die geistige Entwicklung hemmt, unkontrolliert im Überschuss produziert wird. Medikamente, die die Expression von BRD4 hemmen, können zur Behandlung der Krankheit verwendet werden.

Die Epigenetik hat einen großen Einfluss auf Krankheiten, kann aber auch andere Merkmale des Organismus wie das Verhalten beeinflussen.

In einer Studie von 1988 an der McGill University beobachtete Michael Meany, dass sich Ratten, deren Mütter sich um sie kümmerten, indem sie leckten und auf sie achteten, sich zu ruhigen Erwachsenen entwickelten. Ratten, deren Mütter sie ignorierten, wurden zu ängstlichen Erwachsenen. Eine Analyse von Hirngewebe zeigte, dass das Verhalten der Mütter Veränderungen im Methylierung von Gehirnzellen bei den Babyratten. Die Unterschiede bei den Nachkommen von Ratten waren das Ergebnis epigenetischer Effekte.

Andere Studien haben die Auswirkungen von Hungersnöten untersucht. Wenn Mütter während der Schwangerschaft Hungersnöten ausgesetzt waren, wie es 1944 und 1945 in Holland der Fall war, Kinder hatten eine höhere Inzidenz von Fettleibigkeit und koronaren Erkrankungen im Vergleich zu Müttern, die nicht Hungersnot. Die höheren Risiken wurden auf eine reduzierte DNA-Methylierung eines Gens zurückgeführt, das einen insulinähnlichen Wachstumsfaktor produziert. Eine solche epigenetische Effekte kann über mehrere Generationen vererbt werden.

Auswirkungen von Verhaltensweisen, die von den Eltern auf die Kinder und weiter übertragen werden können, können Folgendes umfassen:

• Die Ernährung der Eltern kann die psychische Gesundheit der Nachkommen beeinflussen.
• Die Umweltbelastung durch Umweltverschmutzung bei Eltern kann das Asthma von Kindern beeinträchtigen.
• Die Ernährungsanamnese der Mutter kann die Geburtsgröße des Säuglings beeinflussen.
• Der übermäßige Alkoholkonsum des männlichen Elternteils kann bei den Nachkommen zu Aggression führen.
• Die Kokain-Exposition der Eltern kann das Gedächtnis beeinträchtigen.

Diese Effekte sind das Ergebnis von Veränderungen der DNA-Methylierung, die an die Nachkommen weitergegeben werden, aber wenn diese Faktoren DNA-Methylierung bei Eltern verändern, die Faktoren, die die Kinder erleben, können ihre eigene DNA verändern Methylierung. Im Gegensatz zum genetischen Code kann die DNA-Methylierung bei Kindern durch Verhalten und Umweltbelastung im späteren Leben verändert werden.

Wenn die DNA-Methylierung durch das Verhalten beeinflusst wird, können sich die Methylmarkierungen auf der DNA, an denen sich die Methylgruppen anlagern können, ändern und die Genexpression auf diese Weise beeinflussen. Obwohl viele der Studien, die sich mit der Genexpression befassen, viele Jahre zurückliegen, wurden die Ergebnisse erst in jüngerer Zeit mit einem wachsendes Volumen epigenetischer Forschung. Diese Forschung zeigt, dass die Rolle der Epigenetik einen ebenso starken Einfluss auf Organismen haben kann wie der zugrunde liegende genetische Code.