Οι γενετικές πληροφορίες για έναν οργανισμό κωδικοποιούνται στο DNA των χρωμοσωμάτων του οργανισμού, αλλά υπάρχουν και άλλες επιδράσεις στην εργασία. ο Αλληλουχίες DNA Η δημιουργία ενός γονιδίου μπορεί να μην είναι ενεργή ή μπορεί να αποκλειστεί. Τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού καθορίζονται από τα γονίδια του, αλλά αν τα γονίδια δημιουργούν πραγματικά το κωδικοποιημένο χαρακτηριστικό ονομάζεται γονιδιακή έκφραση.
Πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση του γονιδίου, καθορίζοντας εάν το γονίδιο παράγει το χαρακτηριστικό του ή μερικές φορές μόνο ασθενώς. Όταν η γονιδιακή έκφραση επηρεάζεται από ορμόνες ή ένζυμα, η διαδικασία ονομάζεται γονιδιακή ρύθμιση.
Επιγενετική μελετά τη μοριακή βιολογία της γονιδιακής ρύθμισης και την άλλη επιγενετικές επιρροές στην γονιδιακή έκφραση. Βασικά, κάθε επιρροή που τροποποιεί την επίδραση των αλληλουχιών DNA χωρίς να αλλάζει τον κώδικα DNA αποτελεί αντικείμενο επιγενετικής.
Επιγενετική: Ορισμός και επισκόπηση
Επιγενετική είναι η διαδικασία μέσω της οποίας οι γενετικές οδηγίες περιέχονται στο
DNA των οργανισμών επηρεάζονται από μη γενετικοί παράγοντες. Η κύρια μέθοδος για επιγενετικές διαδικασίες είναι ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης. Ορισμένοι μηχανισμοί ελέγχου είναι προσωρινοί, αλλά άλλοι είναι πιο μόνιμοι και μπορούν να κληρονομηθούν μέσω επιγενετική κληρονομιά.Ένα γονίδιο εκφράζεται δημιουργώντας ένα αντίγραφο του και στέλνοντας το αντίγραφο στο κύτταρο για να παράγει την πρωτεΐνη που κωδικοποιείται στις αλληλουχίες του DNA. Η πρωτεΐνη, είτε μόνη της είτε σε συνδυασμό με άλλες πρωτεΐνες, παράγει ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό του οργανισμού. Εάν το γονίδιο εμποδίζει την παραγωγή της πρωτεΐνης, το χαρακτηριστικό του οργανισμού δεν θα εμφανιστεί.
Η επιγενετική εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο το γονίδιο μπορεί να αποκλειστεί από την παραγωγή της πρωτεΐνης του και πώς μπορεί να ενεργοποιηθεί ξανά εάν έχει αποκλειστεί. Μεταξύ των πολλών επιγενετικοί μηχανισμοί που μπορούν να επηρεάσουν την έκφραση των γονιδίων είναι τα ακόλουθα:
- Απενεργοποίηση το γονίδιο.
- Διακοπή του γονιδίου από φτιάχνω ένα αντίγραφο.
- Διακοπή του αντιγραμμένου γονιδίου από παραγωγή της πρωτεΐνης.
- Αποκλεισμός του τη λειτουργία της πρωτεΐνης.
- Χωρισμός η πρωτεΐνη πριν μπορέσει να λειτουργήσει.
Η επιγενετική μελετά πώς εκφράζονται τα γονίδια, τι επηρεάζει την έκφρασή τους και τους μηχανισμούς που ελέγχουν τα γονίδια. Εξετάζει το επίπεδο επιρροής πάνω από το γενετικό στρώμα και πώς καθορίζει αυτό το στρώμα επιγενετικές αλλαγές πώς μοιάζει ένας οργανισμός και πώς συμπεριφέρεται.
Πώς λειτουργεί η Επιγενετική Τροποποίηση
Αν και όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν το ίδιο γονιδίωμα, τα κύτταρα αναλαμβάνουν διαφορετικές λειτουργίες με βάση τον τρόπο με τον οποίο ρυθμίζουν τα γονίδια τους. Σε επίπεδο οργανισμού, οι οργανισμοί μπορεί να έχουν τον ίδιο γενετικό κώδικα αλλά έχουν διαφορετική εμφάνιση και συμπεριφορά. Στην περίπτωση των ανθρώπων για παράδειγμα, τα ίδια δίδυμα έχουν το ίδιο ανθρώπινο γονιδίωμα, αλλά θα φαίνονται και θα συμπεριφέρονται ελαφρώς διαφορετικά, ανάλογα με επιγενετικές αλλοιώσεις.
Τέτοια επιγενετικά αποτελέσματα μπορεί να ποικίλλουν ανάλογα με πολλούς εσωτερικούς και εξωτερικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των ακόλουθων:
- Ορμόνες
- Παράγοντες ανάπτυξης
- Νευροδιαβιβαστές
- Παράγοντες μεταγραφής
- Χημικά ερεθίσματα
- Περιβαλλοντικά ερεθίσματα
Καθένας από αυτούς μπορεί να είναι επιγενετικοί παράγοντες που προάγουν ή διαταράσσουν την γονιδιακή έκφραση στα κύτταρα. Τέτοιος επιγενετικός έλεγχος είναι ένας άλλος τρόπος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης χωρίς αλλαγή του υποκείμενου γενετικού κώδικα.
Σε κάθε περίπτωση, η συνολική γονιδιακή έκφραση αλλάζει. Οι εσωτερικοί και εξωτερικοί παράγοντες είτε απαιτούνται για την έκφραση γονιδίου, είτε μπορεί να μπλοκάρουν ένα από τα στάδια. Εάν ένας απαιτούμενος παράγοντας όπως ένα ένζυμο που απαιτείται για την παραγωγή πρωτεϊνών απουσιάζει, η πρωτεΐνη δεν μπορεί να παραχθεί.
Εάν υπάρχει ένας παράγοντας αποκλεισμού, το αντίστοιχο στάδιο έκφρασης γονιδίου δεν μπορεί να λειτουργήσει και η έκφραση του σχετικού γονιδίου αποκλείεται. Επιγενετική σημαίνει ότι ένα χαρακτηριστικό που κωδικοποιείται στις αλληλουχίες DNA ενός γονιδίου μπορεί να μην εμφανίζεται στον οργανισμό.
Επιγενετικοί περιορισμοί στην πρόσβαση στο DNA
Το γονιδίωμα κωδικοποιείται σε λεπτά, μακρά μόρια αλληλουχιών DNA που πρέπει να τυλίγονται σφιχτά σε μια περίπλοκη δομή χρωματίνης για να χωρέσουν σε μικροκυτταρικούς πυρήνες.
Για να εκφράσει ένα γονίδιο, το DNA αντιγράφεται μέσω a μηχανισμός μεταγραφής. Το μέρος του α Διπλή έλικα DNA που περιέχει το γονίδιο που θα εκφραστεί είναι ελαφρώς ξετυλιγμένο και ένα μόριο RNA δημιουργεί ένα αντίγραφο των αλληλουχιών DNA που αποτελούν το γονίδιο.
Τα μόρια DNA τυλίγονται γύρω από ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Οι ιστόνες μπορούν να αλλάξουν έτσι ώστε το DNA να τυλίγεται λίγο πολύ σφιχτά.
Τέτοιος τροποποιήσεις ιστόνης μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το μόριο του DNA να τυλίγεται τόσο σφιχτά ώστε ο μηχανισμός μεταγραφής, που αποτελείται από ειδικά ένζυμα και αμινοξέα, δεν μπορεί να φτάσει στο γονίδιο που θα αντιγραφεί. Ο περιορισμός της πρόσβασης σε ένα γονίδιο μέσω τροποποίησης ιστόνης οδηγεί σε επιγενετικό έλεγχο του γονιδίου.
Πρόσθετες επιγενετικές τροποποιήσεις ιστοτόνης
Εκτός από τον περιορισμό της πρόσβασης στα γονίδια, οι πρωτεΐνες ιστόνης μπορούν να αλλάξουν ώστε να δεσμεύονται περισσότερο ή λιγότερο σφιχτά στα μόρια DNA που τυλίγονται γύρω τους στο χρωματίνη δομή. Τέτοιες τροποποιήσεις ιστόνης επηρεάζουν τον μηχανισμό μεταγραφής του οποίου η λειτουργία είναι να δημιουργήσει ένα αντίγραφο RNA των γονιδίων που θα εκφραστούν.
Οι τροποποιήσεις ιστόνης που επηρεάζουν την έκφραση γονιδίων με αυτόν τον τρόπο περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Μεθυλίωση - προσθέτει μια ομάδα μεθυλίου στις ιστόνες, αυξάνοντας τη δέσμευση στο DNA και μειώνοντας την έκφραση του γονιδίου.
- Φωσφορυλίωση - προσθέτει ομάδες φωσφορικών σε ιστόνες. Η επίδραση στην έκφραση του γονιδίου εξαρτάται από την αλληλεπίδραση με μεθυλίωση και ακετυλίωση.
- Ακετυλίωση - η ακετυλίωση ιστόνης μειώνει τη δέσμευση και ρυθμίζει την γονιδιακή έκφραση. Οι ομάδες ακετυλίου προστίθενται με ακετυλοτρανσφεράσες ιστόνης (HATs).
- Αποακετυλίωση - αφαιρεί τις ακετυλομάδες, αυξάνει τη δέσμευση και μειώνει τη γονιδιακή έκφραση με την αποακετυλάση της ιστόνης.
Όταν οι ιστόνες αλλάζουν για να αυξήσουν τη δέσμευση, ο γενετικός κώδικας για ένα συγκεκριμένο γονίδιο δεν μπορεί να μεταγραφεί και το γονίδιο δεν εκφράζεται. Όταν μειώνεται η δέσμευση, μπορούν να δημιουργηθούν περισσότερα γενετικά αντίγραφα ή να γίνουν πιο εύκολα. Το ειδικό γονίδιο στη συνέχεια εκφράζεται όλο και περισσότερο από την κωδικοποιημένη πρωτεΐνη του παράγεται.
Το RNA μπορεί να παρεμβαίνει στη γονιδιακή έκφραση
Μετά την αντιγραφή των αλληλουχιών DNA ενός γονιδίου σε ένα Αλληλουχία RNA, ο Μόριο RNA φεύγει από τον πυρήνα. Η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται στη γενετική αλληλουχία μπορεί να παραχθεί από εργοστάσια μικρών κυττάρων που ονομάζονται ριβοσώματα.
Η αλυσίδα λειτουργιών έχει ως εξής:
- Μεταγραφή DNA σε RNA
- Το μόριο RNA αφήνει τον πυρήνα
- Το RNA βρίσκει ριβοσώματα στο κύτταρο
- Μετάφραση αλληλουχίας RNA σε πρωτεΐνες αλυσίδες
- Παραγωγή πρωτεϊνών
Οι δύο βασικές λειτουργίες ενός μορίου RNA είναι η μεταγραφή και η μετάφραση. Εκτός από το RNA που χρησιμοποιείται για την αντιγραφή και μεταφορά των αλληλουχιών DNA, τα κύτταρα μπορούν να παράγουν παρεμβολή RNA ή iRNA. Αυτά είναι σύντομα σκέλη των ακολουθιών RNA που ονομάζονται μη κωδικοποιητικό RNA επειδή δεν έχουν αλληλουχίες που κωδικοποιούν γονίδια.
Η λειτουργία τους είναι να παρεμβαίνει στη μεταγραφή και τη μετάφραση, μειώνοντας τη γονιδιακή έκφραση. Με αυτόν τον τρόπο, το iRNA έχει επιγενετικό αποτέλεσμα.
Η μεθυλίωση του DNA είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην έκφραση του γονιδίου
Κατά τη διάρκεια της μεθυλίωσης του DNA, τα ένζυμα κάλεσαν Μεθυλτρανσφεράσες DNA συνδέστε ομάδες μεθυλίου σε μόρια DNA. Για να ενεργοποιηθεί ένα γονίδιο και να ξεκινήσει η διαδικασία μεταγραφής, μια πρωτεΐνη πρέπει να προσκολληθεί στο μόριο DNA κοντά στην αρχή. Οι ομάδες μεθυλίου τοποθετούνται στις τοποθεσίες όπου μια πρωτεΐνη μεταγραφής συνήθως προσκολλάται, εμποδίζοντας έτσι τη λειτουργία μεταγραφής.
Όταν τα κύτταρα διαιρούνται, οι αλληλουχίες DNA του γονιδιώματος του κυττάρου αντιγράφονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται Αναπαραγωγή DNA. Η ίδια διαδικασία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία σπέρμα και ωαρίων σε ανώτερους οργανισμούς.
Πολλοί από τους παράγοντες που ρυθμίζουν την γονιδιακή έκφραση χάνονται όταν αντιγράφεται το DNA, αλλά πολλά από τα πρότυπα μεθυλίωσης του DNA αναπαράγονται στα αντιγραμμένα μόρια DNA. Αυτό σημαίνει ότι η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης που προκαλείται από Η μεθυλίωση του DNA μπορεί να κληρονομηθεί παρόλο που οι υποκείμενες αλληλουχίες DNA παραμένουν αμετάβλητες.
Επειδή η μεθυλίωση του DNA ανταποκρίνεται σε επιγενετικούς παράγοντες όπως το περιβάλλον, η διατροφή, τα χημικά, το στρες, η ρύπανση, επιλογές τρόπου ζωής και ακτινοβολία, οι επιγενετικές αντιδράσεις από την έκθεση σε τέτοιους παράγοντες μπορούν να κληρονομηθούν μέσω του DNA μεθυλίωση. Αυτό σημαίνει ότι, εκτός από τις γενεαλογικές επιρροές, ένα άτομο διαμορφώνεται από τη συμπεριφορά των γονέων και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες στους οποίους εκτέθηκαν.
Παραδείγματα Επιγενετικής: Ασθένειες
Τα κύτταρα έχουν γονίδια που προωθούν κυτταρική διαίρεση καθώς και γονίδια που καταστέλλουν την ταχεία, ανεξέλεγκτη ανάπτυξη κυττάρων, όπως σε όγκους. Τα γονίδια που προκαλούν την ανάπτυξη όγκων ονομάζονται ογκογόνα και αυτοί που αποτρέπουν τους όγκους ονομάζονται γονίδια καταστολής όγκων.
Οι καρκίνοι στον άνθρωπο μπορούν να προκληθούν από την αυξημένη έκφραση ογκογονιδίων σε συνδυασμό με την αποκλεισμένη έκφραση γονιδίων καταστολής όγκων. Εάν το πρότυπο μεθυλίωσης DNA που αντιστοιχεί σε αυτήν την γονιδιακή έκφραση κληρονομείται, ο απόγονος μπορεί να έχει αυξημένη ευαισθησία στον καρκίνο.
Σε περίπτωση που καρκίνο του παχέος εντέρου, ένα ελαττωματικό πρότυπο μεθυλίωσης DNA μπορεί να μεταδοθεί από τους γονείς στον απόγονο. Σύμφωνα με μια μελέτη του 1983 και ένα έγγραφο του Α. Feinberg και B. Ο Vogelstein, το πρότυπο μεθυλίωσης DNA ασθενών με καρκίνο του παχέος εντέρου εμφάνισε αυξημένη μεθυλίωση και αποκλεισμό γονιδίων καταστολής όγκου με μειωμένη μεθυλίωση ογκογόνων.
Η επιγενετική μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει θεραπεία γενετικών ασθενειών. Στο σύνδρομο Fragile X, λείπει ένα γονίδιο Χ-χρωμοσώματος που παράγει μια βασική ρυθμιστική πρωτεΐνη. Η απουσία της πρωτεΐνης σημαίνει ότι η πρωτεΐνη BRD4, η οποία αναστέλλει την πνευματική ανάπτυξη, παράγεται υπερβολικά με ανεξέλεγκτο τρόπο. Φάρμακα που αναστέλλουν την έκφραση του BRD4 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία της νόσου.
Παραδείγματα επιγενετικής: Συμπεριφορά
Η επιγενετική έχει σημαντική επίδραση στις ασθένειες, αλλά μπορεί επίσης να επηρεάσει και άλλα χαρακτηριστικά του οργανισμού, όπως η συμπεριφορά.
Σε μια μελέτη του 1988 στο Πανεπιστήμιο McGill, ο Michael Meany παρατήρησε ότι οι αρουραίοι των οποίων οι μητέρες τους φρόντιζαν γλείφοντας και προσέχοντας τους εξελίχθηκαν σε ήρεμους ενηλίκους Οι αρουραίοι των οποίων οι μητέρες τους αγνόησαν έγιναν ανήσυχοι ενήλικες. Μια ανάλυση του εγκεφαλικού ιστού έδειξε ότι η συμπεριφορά των μητέρων προκάλεσε αλλαγές στο μεθυλίωση των εγκεφαλικών κυττάρων στους αρουραίους του μωρού. Οι διαφορές στους απογόνους αρουραίων ήταν το αποτέλεσμα επιγενετικών επιδράσεων.
Άλλες μελέτες εξέτασαν την επίδραση του λιμού. Όταν οι μητέρες εκτέθηκαν σε πείνα κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης, όπως συνέβη στην Ολλανδία το 1944 και το 1945, αυτές Τα παιδιά είχαν υψηλότερα ποσοστά παχυσαρκίας και στεφανιαίας νόσου σε σύγκριση με μητέρες που δεν εκτέθηκαν πείνα. Οι υψηλότεροι κίνδυνοι εντοπίστηκαν σε μειωμένη μεθυλίωση DNA ενός γονιδίου που παράγει έναν ινσουλινοειδές αυξητικό παράγοντα. Τέτοιος επιγενετικές επιδράσεις μπορεί να κληρονομηθεί σε πολλές γενιές.
Οι επιπτώσεις από τη συμπεριφορά που μπορεί να μεταδοθούν από γονείς σε παιδιά και μετά μπορεί να περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Η γονική διατροφή μπορεί να επηρεάσει την ψυχική υγεία των απογόνων.
- Η περιβαλλοντική έκθεση σε γονείς μπορεί να επηρεάσει το άσθμα των παιδιών.
- Το ιστορικό μητρικής διατροφής μπορεί να επηρεάσει το μέγεθος της γέννησης του βρέφους
- Η κατανάλωση υπερβολικής αλκοόλης από τον άνδρα γονέα μπορεί να προκαλέσει επιθετικότητα στους απογόνους.
- Η έκθεση των γονέων σε κοκαΐνη μπορεί να επηρεάσει τη μνήμη.
Αυτά τα αποτελέσματα είναι τα αποτελέσματα αλλαγών στη μεθυλίωση του DNA που μεταδίδονται στους απογόνους, αλλά εάν αυτοί οι παράγοντες μπορούν αλλάξτε τη μεθυλίωση του DNA στους γονείς, οι παράγοντες που βιώνουν τα παιδιά μπορούν να αλλάξουν το δικό τους DNA μεθυλίωση. Σε αντίθεση με τον γενετικό κώδικα, η μεθυλίωση του DNA στα παιδιά μπορεί να αλλάξει από τη συμπεριφορά και την περιβαλλοντική έκθεση στη μετέπειτα ζωή.
Όταν η μεθυλίωση του DNA επηρεάζεται από τη συμπεριφορά, τα σημάδια μεθυλίου στο DNA όπου μπορούν να προσκολληθούν οι ομάδες μεθυλίου μπορούν να αλλάξουν και να επηρεάσουν την γονιδιακή έκφραση με αυτόν τον τρόπο. Αν και πολλές από τις μελέτες που ασχολούνται με την έκφραση γονιδίων χρονολογούνται πριν από πολλά χρόνια, είναι πιο πρόσφατα ότι τα αποτελέσματα έχουν συνδεθεί με ένα αυξανόμενος όγκος επιγενετικής έρευνας. Αυτή η έρευνα δείχνει ότι ο ρόλος της επιγενετικής μπορεί να είναι τόσο ισχυρή επιρροή στους οργανισμούς όσο ο υποκείμενος γενετικός κώδικας.