Epigeneetika: määratlus, kuidas see töötab, näited

Organismi geneetiline teave on kodeeritud organismi kromosoomide DNA-s, kuid tööl on ka muid mõjusid. The DNA järjestused geeni moodustamine ei pruugi olla aktiivne või nad võivad olla blokeeritud. Organismi omadused määratakse selle geenide järgi, kuid kas geenid tegelikult loovad kodeeritud tunnuse, nimetatakse geeniekspressioon.

Geeniekspressiooni võivad mõjutada paljud tegurid, määrates kindlaks, kas geen toodab üldse tema omadusi või mõnikord ainult nõrgalt. Kui geeniekspressiooni mõjutavad hormoonid või ensüümid, nimetatakse seda protsessi geeniregulatsiooniks.

Epigeneetika uurib geeniregulatsiooni molekulaarbioloogiat ja muud epigeneetilised mõjud geeniekspressioonist. Põhimõtteliselt on igasugune mõju, mis modifitseerib DNA järjestuste mõju ilma DNA koodi muutmata, epigeneetika objektiks.

Epigeneetika on protsess, mille kaudu DNA organismidest mõjutavad mitte-geneetilised tegurid. Epigeneetiliste protsesside peamine meetod on geeniekspressiooni kontroll. Mõned kontrollimehhanismid on ajutised, kuid teised on püsivamad ja nende kaudu saab pärida

Geen väljendab ennast, tehes endast koopia ja saates koopia rakku, et toota selle DNA järjestustes kodeeritud valku. Valk, kas üksi või koos teiste valkudega, tekitab spetsiifilise organismi omaduse. Kui geenil on valgu tootmine blokeeritud, ei ilmu organismi omadus.

Epigeneetika uurib, kuidas saab geeni blokeerida oma valgu tootmisel ja kuidas seda blokeerimise korral uuesti sisse lülitada. Paljude seas epigeneetilised mehhanismid geeniekspressiooni mõjutavad on järgmised:

• Deaktiveeriv geen.
• Geeni peatamine koopia tegemine.
• Kopeeritud geeni peatamine valgu tootmine.
• Blokeerimine valgu funktsioon.
• Lahkuminema valk enne, kui see tööle saab.

Epigeneetika uurib, kuidas geenid avalduvad, mis mõjutab nende ekspressiooni ja mehhanisme, mis geene kontrollivad. See vaatleb geneetilise kihi kohal olevat mõjukihti ja seda, kuidas see kiht määrab epigeneetilised muutused kuidas organism välja näeb ja kuidas ta käitub.

Kuigi kõigil organismi rakkudel on sama genoom, võtavad rakud oma geenide reguleerimise põhjal erinevaid funktsioone. Organismi tasandil võib organismidel olla sama geneetiline kood, kuid nad näevad välja ja käituvad erinevalt. Näiteks inimeste puhul on identsetel kaksikutel sama inimese genoom, kuid nad näevad välja ja käituvad sõltuvalt sellest veidi erinevalt epigeneetilised muutused.

Sellised epigeneetilised mõjud võivad varieeruda sõltuvalt paljudest sise- ja välisteguritest, sealhulgas järgmistest:

• Hormoonid
• Kasvutegurid
• Neurotransmitterid
• Transkriptsioonifaktorid
• Keemilised stiimulid
• Keskkonna stiimulid
  

Kõik need võivad olla epigeneetilised tegurid, mis soodustavad või häirivad rakkude geeniekspressiooni. Sellised epigeneetiline kontroll on veel üks viis geeniekspressiooni reguleerimiseks ilma geneetilise koodi muutmata.

Igal juhul muudetakse üldist geeniekspressiooni. Geeniekspressiooniks on vaja kas sise- ja välistegureid või võivad need ühe etapi blokeerida. Kui puudub vajalik faktor, näiteks valgu tootmiseks vajalik ensüüm, ei saa valku toota.

Blokeeriva faktori olemasolu korral ei saa vastav geeniekspressiooni staadium toimida ja vastava geeni ekspressioon on blokeeritud. Epigeneetika tähendab, et geeni DNA järjestustesse kodeeritud tunnus ei pruugi organismis ilmneda.

Genoom on kodeeritud õhukestes pikkades DNA järjestuste molekulides, mis peavad keerulises kromatiinstruktuuris olema tihedalt keritud, et mahtuda pisikestesse rakutuumadesse.

Geeni ekspresseerimiseks kopeeritakse DNA a kaudu transkriptsioonimehhanism. Osa a DNA topeltheeliks mis sisaldab ekspresseeritavat geeni, keritakse kergelt lahti ja RNA molekul teeb koopia geeni moodustavatest DNA järjestustest.

DNA molekulid on keritud ümber spetsiaalsete valkude, mida nimetatakse histoonideks. Histoone saab muuta nii, et DNA on enam-vähem tihedalt haavatud.

Sellised histooni modifikatsioonid võib põhjustada DNA molekulide haavamise nii tihedalt, et spetsiaalsetest ensüümidest ja aminohapetest koosnev transkriptsioonimehhanism ei jõua kopeeritava geenini. Geenile juurdepääsu piiramine histooni modifitseerimise kaudu annab tulemuseks geeni epigeneetilise kontrolli.

Lisaks geenidele juurdepääsu piiramisele saab histoonvalke muuta nii, et need seonduksid enam-vähem tihedalt nende ümber ümbritsevate DNA molekulidega. kromatiin struktuur. Sellised histooni modifikatsioonid mõjutavad transkriptsioonimehhanismi, mille ülesanne on teha ekspresseeritavatest geenidest RNA koopia.

Sel viisil geeniekspressiooni mõjutavad histooni modifikatsioonid hõlmavad järgmist:

• Metüülimine - lisab histoonidele metüülrühma, suurendades seondumist DNA-ga ja vähendades geeniekspressiooni.
• Fosforüülimine - lisab histoonidele fosfaatrühmi. Mõju geeniekspressioonile sõltub vastasmõjust metüülimise ja atsetüülimisega.
• Atsetüülimine - histooni atsetüülimine vähendab seondumist ja reguleerib geeniekspressiooni. Atsetüülrühmad lisatakse koos histoonatsetüültransferaasidega (HAT).
• Atsetüülimine - eemaldab atsetüülrühmad, suurendab seondumist ja vähendab geeniekspressiooni histoondeatsetülaasiga.

Kui seondumise suurendamiseks histoone muudetakse, ei saa konkreetse geeni geneetilist koodi ümber kirjutada ja geeni ei ekspresseerita. Kui seondumine väheneb, saab teha rohkem geneetilisi koopiaid või neid on lihtsam teha. Seejärel ekspresseeritakse spetsiifilist geeni üha enam selle kodeeritud valku.

Pärast seda, kui geeni DNA järjestused on kopeeritud RNA järjestus, RNA molekul lahkub tuumast. Geneetilises järjestuses kodeeritud valku võivad toota väikesed rakuvabrikud, mida nimetatakse ribosoomideks.

Toimimisahel on järgmine:

1. DNA transkriptsioon RNA-le
2. RNA molekul lahkub tuumast
3. RNA leiab rakust ribosoomid
4. RNA järjestuse translatsioon valguahelateks
5. Valkude tootmine

RNA molekuli kaks põhifunktsiooni on transkriptsioon ja translatsioon. Lisaks DNA järjestuste kopeerimiseks ja ülekandmiseks kasutatavale RNA-le võivad rakud toota interferentsi RNA või iRNA. Need on RNA järjestuste lühikesed ahelad, mida nimetatakse mittekodeeriv RNA kuna neil pole ühtegi järjestust, mis kodeeriks geene.

Nende ülesanne on häirida transkriptsiooni ja translatsiooni, vähendades geeniekspressiooni. Sel viisil on iRNA-l epigeneetiline toime.

DNA metüülimise ajal kutsusid ensüümid DNA metüültransferaasid kinnitage metüülrühmad DNA molekulidele. Geeni aktiveerimiseks ja transkriptsiooniprotsessi alustamiseks peab valk kinnituma DNA molekuli külge alguse lähedal. Metüülrühmad on paigutatud kohtadesse, kuhu transkriptsioonivalk tavaliselt kinnituks, blokeerides seega transkriptsiooni funktsiooni.

Rakkude jagunemisel kopeeritakse raku genoomi DNA järjestused protsessis, mida nimetatakse DNA replikatsioon. Sama protsessi kasutatakse ka loomiseks sperma ja munarakud kõrgemates organismides.

Paljud geeniekspressiooni reguleerivad tegurid kaovad, kui DNA kopeeritakse, kuid paljud DNA metüleerimismustrid korduvad kopeeritud DNA molekulides. See tähendab, et geeniekspressiooni reguleerimine, mis on põhjustatud DNA metüülimine võib olla pärilik kuigi aluseks olevad DNA järjestused jäävad muutumatuks.

Kuna DNA metüülimine reageerib epigeneetilistele teguritele, nagu keskkond, toitumine, kemikaalid, stress, reostus, elustiili valikud ja kiirgus, võib selliste teguritega kokkupuutest tulenevad epigeneetilised reaktsioonid olla päritavad DNA kaudu metüülimine. See tähendab, et lisaks genealoogilistele mõjudele kujundavad indiviidi ka vanemate käitumine ja keskkonnategurid, millega ta kokku puutus.

Rakkudel on geenid, mis soodustavad raku pooldumine samuti geenid, mis pärsivad rakkude kiiret, kontrollimatut kasvu, näiteks kasvajate korral. Kasvajate kasvu põhjustavaid geene nimetatakse onkogeenid ja neid, mis takistavad kasvajaid, nimetatakse kasvaja supressori geenid.

Inimese vähk võib olla põhjustatud onkogeenide suurenenud ekspressioonist koos kasvaja supressorite geenide blokeeritud ekspressiooniga. Kui sellele geeniekspressioonile vastav DNA metüülimismuster on päritud, võib järeltulijatel olla suurenenud vastuvõtlikkus vähile.

Juhul kui pärasoolevähk, võib vigase DNA metüleerimismustri vanematelt järglastele edasi anda. A-i 1983. aasta uuringu ja kirjutise järgi. Feinberg ja B. Kolorektaalse vähiga patsientide DNA metüülimisvorm Vogelstein näitas tuumori supresseerivate geenide suurenenud metüülimist ja blokeerimist koos onkogeenide vähenenud metüülimisega.

Abi saamiseks võib kasutada ka epigeneetikat ravida geneetilisi haigusi. Hapra X sündroomi korral puudub X-kromosoomigeen, mis toodaks võtmetähtsusega regulatiivset valku. Valgu puudumine tähendab, et intellektuaalset arengut pärssivat BRD4 valku toodetakse kontrollimatult üle. Haiguse raviks võib kasutada BRD4 ekspressiooni pärssivaid ravimeid.

Epigeneetikal on suur mõju haigustele, kuid see võib mõjutada ka muid organismi omadusi, näiteks käitumist.

1988. aastal McGilli ülikoolis tehtud uuringus täheldas Michael Meany, et rotid, kelle emad neid lakkudes ja neile tähelepanu pöörates hoolitsesid, kasvasid rahulikeks täiskasvanuteks. Rotid, kelle emad neid eirasid, muutusid murelikeks täiskasvanuteks. Ajukoe analüüs näitas, et emade käitumine põhjustas muutusi ajurakkude metüülimine rottide poegadel. Roti järglaste erinevused tulenesid epigeneetilistest mõjudest.

Teistes uuringutes on vaadeldud näljahäda mõju. Kui emad puutusid raseduse ajal kokku näljahädaga, nagu see juhtus Hollandis 1944. ja 1945. aastal, olid nad lastel esines ülekaalulisust ja südame isheemiatõbe sagedamini kui emadega, kes ei olnud sellega kokku puutunud nälg. Suuremad riskid olid seotud insuliini sarnast kasvufaktorit tootva geeni vähenenud DNA metüleerimisega. Sellised epigeneetiline toime saab pärida mitme põlvkonna vältel.

Vanematelt lastele edasi leviva käitumise tagajärjed võivad hõlmata järgmist:

• Vanemdieet võib mõjutada järglaste vaimset tervist.
• Vanemate kokkupuude keskkonnaga võib mõjutada lapse astmat.
• Ema toitumisajalugu võib mõjutada lapse sündi.
• Meessoost vanema liigne alkoholi tarbimine võib põhjustada järglaste agressiivsust.
• Vanemate kokkupuude kokaiiniga võib mõjutada mälu.

Need mõjud tulenevad järglastele ülekantud DNA metüülimise muutustest, kuid kui need tegurid seda suudavad muuta vanemate DNA metüülimist, laste kogetud tegurid võivad muuta nende enda DNA-d metüülimine. Erinevalt geneetilisest koodist saab laste metüülimist lastel muuta käitumine ja kokkupuude keskkonnaga hilisemas elus.

Kui käitumine mõjutab DNA metüülimist, võivad metüülrühmad DNA-l, kuhu metüülrühmad võivad kinnituda, muuta ja mõjutada geeni ekspressiooni sel viisil. Ehkki paljud geeniekspressiooni käsitlevad uuringud pärinevad paljude aastate tagusest ajast, on tulemused alles hiljuti seotud a epigeneetiliste uuringute kasvav maht. Need uuringud näitavad, et epigeneetika roll võib organismidele mõjuda sama tugevalt kui selle aluseks olev geneetiline kood.