Epigenetics: Määritelmä, miten se toimii, esimerkkejä

Organismin geneettinen informaatio koodataan organismin kromosomien DNA: han, mutta työssä on muitakin vaikutteita. DNA-sekvenssit geenin muodostaminen ei ehkä ole aktiivista tai ne voivat olla tukossa. Organismin ominaisuudet määräytyvät sen geenien perusteella, mutta kutsutaan, muodostavatko geenit koodatun ominaisuuden geenien ilmentyminen.

Monet tekijät voivat vaikuttaa geenien ilmentymiseen ja määrittää, tuottaako geeni lainkaan ominaisuutensa vai joskus vain heikosti. Kun hormonit tai entsyymit vaikuttavat geenien ilmentymiseen, prosessia kutsutaan geenisäätelyksi.

Epigenetics tutkii geenisäätelyn molekyylibiologiaa ja muuta epigeneettiset vaikutteet geenien ilmentymisestä. Periaatteessa mikä tahansa vaikutus, joka muuttaa DNA-sekvenssien vaikutusta muuttamatta DNA-koodia, on epigeneettisen aiheen kohde.

Epigenetics on prosessi, jonka kautta DNA organismeihin vaikuttaa ei-geneettiset tekijät. Ensisijainen menetelmä epigeneettisissä prosesseissa on geeniekspression hallinta. Jotkut valvontamekanismit ovat väliaikaisia, mutta toiset pysyvämpiä ja ne voidaan periä kautta

Geeni ilmaisee itsensä tekemällä kopion itsestään ja lähettämällä kopion soluun DNA-sekvensseihinsä koodatun proteiinin tuottamiseksi. Proteiini, joko yksinään tai yhdessä muiden proteiinien kanssa, tuottaa spesifisen organismin ominaispiirteen. Jos geenin estetään tuottamasta proteiinia, organismin ominaisuus ei tule näkyviin.

Epigenetics tarkastelee, miten geeni voidaan estää tuottamasta proteiiniaan ja kuinka se voidaan kytkeä takaisin päälle, jos se on tukossa. Monien joukossa epigeneettiset mekanismit jotka voivat vaikuttaa geenien ilmentymiseen ovat seuraavat:

• Deaktivointi geeni.
• Geenin pysäyttäminen kopion tekeminen.
• Kopioidun geenin pysäyttäminen tuottaa proteiinia.
• Estäminen proteiinin toiminta.
• Hajoaminen proteiini ennen kuin se voi toimia.

Epigenetics tutkii, miten geenit ilmentyvät, mikä vaikuttaa niiden ilmentymiseen ja mekanismeihin, jotka kontrolloivat geenejä. Se tarkastelee geneettisen kerroksen yläpuolella olevaa vaikutuskerrosta ja sitä, miten tämä kerros määrittää epigeneettiset muutokset miltä organismi näyttää ja miten se käyttäytyy.

Vaikka kaikilla organismin soluilla on sama genomi, soluilla on erilaiset toiminnot sen perusteella, miten ne säätelevät geenejä. Organismitasolla organismeilla voi olla sama geneettinen koodi, mutta ne näyttävät ja käyttäytyvät eri tavalla. Esimerkiksi ihmisten tapauksessa identtisillä kaksosilla on sama ihmisen genomi, mutta ne näyttävät ja käyttäytyvät hieman eri tavalla riippuen epigeneettiset muutokset.

Tällaiset epigeneettiset vaikutukset voivat vaihdella riippuen monista sisäisistä ja ulkoisista tekijöistä, mukaan lukien seuraavat:

• Hormonit
• Kasvutekijät
• Välittäjäaineet
• Transkriptiotekijät
• Kemialliset ärsykkeet
• Ympäristön ärsykkeet
  

Jokainen näistä voi olla epigeneettinen tekijä, joka edistää tai häiritsee geenien ilmentymistä soluissa. Tällainen epigeneettinen kontrolli on toinen tapa säätää geeniekspressiota muuttamatta taustalla olevaa geneettistä koodia.

Kummassakin tapauksessa yleinen geeniekspressio muuttuu. Sisäiset ja ulkoiset tekijät ovat joko välttämättömiä geeniekspressiolle, tai ne voivat estää yhden vaiheista. Jos vaadittavaa tekijää, kuten proteiinintuotantoon tarvittavaa entsyymiä, ei ole, proteiinia ei voida tuottaa.

Jos estotekijä on läsnä, vastaava geeniekspressiovaihe ei voi toimia, ja asiaankuuluvan geenin ilmentyminen estetään. Epigeneettisyys tarkoittaa, että geenin DNA-sekvensseihin koodattu ominaisuus ei välttämättä näy organismissa.

Genomi koodataan ohuissa, pitkissä DNA-sekvenssimolekyyleissä, jotka on haavoitettava tiukasti monimutkaisessa kromatiinirakenteessa, jotta ne sopivat pieniin solutumiin.

Geenin ilmentämiseksi DNA kopioidaan a: n kautta transkriptiomekanismi. Osa a DNA kaksoiskierre joka sisältää ekspressoitavan geenin, kelautuu hieman ja RNA-molekyyli tekee kopion geenin muodostavista DNA-sekvensseistä.

DNA-molekyylit kierretään erityisten proteiinien, nimeltään histonit, ympärille. Histonit voidaan vaihtaa siten, että DNA on haavoitettu enemmän tai vähemmän tiukasti.

Tällainen histonimuutokset voi johtaa DNA-molekyylien käämitykseen niin tiukasti, että erityisistä entsyymeistä ja aminohapoista muodostuva transkriptiomekanismi ei pääse kopioitavaan geeniin. Geeniin pääsyn rajoittaminen histonimodifikaation avulla johtaa geenin epigeneettiseen säätelyyn.

Geenien saatavuuden rajoittamisen lisäksi histoniproteiineja voidaan muuttaa sitoutumaan enemmän tai vähemmän tiukasti niiden ympärillä haavoitettuihin DNA-molekyyleihin. kromatiini rakenne. Tällaiset histonimuutokset vaikuttavat transkriptiomekanismiin, jonka tehtävänä on tehdä RNA-kopio ekspressoitavista geeneistä.

Tällä tavalla geeniekspressioon vaikuttavat histonimuutokset sisältävät seuraavat:

• Metylointi - lisää metyyliryhmän histoneihin, mikä lisää sitoutumista DNA: han ja vähentää geenien ilmentymistä.
• Fosforylaatio - lisää fosfaattiryhmiä histoneihin. Vaikutus geeniekspressioon riippuu vuorovaikutuksesta metylaation ja asetyloinnin kanssa.
• Asetyylisijoitus - histoniasetylaatio vähentää sitoutumista ja säätelee geeniekspressiota. Asetyyliryhmät lisätään histoniasetyylitransferaasien (HAT) kanssa.
• Deasetylointi - poistaa asetyyliryhmiä, lisää sitoutumista ja vähentää geeniekspressiota histonideasetylaasilla.

Kun histoneja vaihdetaan sitoutumisen lisäämiseksi, tietyn geenin geneettistä koodia ei voida transkriptoida eikä geeniä ekspressoida. Kun sitoutuminen vähenee, voidaan tehdä enemmän tai helpommin geneettisiä kopioita. Sitten spesifinen geeni ilmentyy yhä enemmän sen koodatusta proteiinista.

Kun geenin DNA-sekvenssit on kopioitu RNA-sekvenssi, RNA-molekyyli lähtee ytimestä. Geneettisessä sekvenssissä koodattu proteiini voidaan tuottaa pienillä solutehtailla, joita kutsutaan ribosomeiksi.

Toimintaketju on seuraava:

1. DNA-transkriptio RNA: han
2. RNA-molekyyli lähtee ytimestä
3. RNA löytää solusta ribosomeja
4. RNA-sekvenssin translaatio proteiiniketjuihin
5. Proteiinin tuotanto

RNA-molekyylin kaksi keskeistä tehtävää ovat transkriptio ja translaatio. DNA-sekvenssien kopioimiseen ja siirtämiseen käytetyn RNA: n lisäksi solut voivat tuottaa häiriö-RNA tai iRNA. Nämä ovat lyhyitä RNA-sekvenssejä, joita kutsutaan ei-koodaava RNA koska heillä ei ole geenejä koodaavia sekvenssejä.

Niiden tehtävänä on häiritä transkriptiota ja translaatiota, mikä vähentää geenien ilmentymistä. Tällä tavoin iRNA: lla on epigeneettinen vaikutus.

DNA-metylaation aikana entsyymejä kutsutaan DNA-metyylitransferaasit kiinnitä metyyliryhmiä DNA-molekyyleihin. Geenin aktivoimiseksi ja transkriptioprosessin aloittamiseksi proteiinin on kiinnittyttävä DNA-molekyyliin lähellä aloitusta. Metyyliryhmät sijoitetaan kohtiin, joihin transkriptioproteiini normaalisti kiinnittyisi, estäen siten transkriptiotoiminnon.

Kun solut jakautuvat, solun genomin DNA-sekvenssit kopioidaan prosessissa, jota kutsutaan DNA kopiointi. Samaa prosessia käytetään luomiseen sperma ja munasolut korkeammissa organismeissa.

Monet tekijät, jotka säätelevät geenien ilmentymistä, menetetään, kun DNA kopioidaan, mutta monet DNA: n metylaatiomalleista replikoituvat kopioiduissa DNA-molekyyleissä. Tämä tarkoittaa, että geeniekspression säätely johtuu DNA-metylaatio voidaan periä vaikka taustalla olevat DNA-sekvenssit pysyvät muuttumattomina.

Koska DNA-metylaatio reagoi epigeneettisiin tekijöihin, kuten ympäristöön, ruokavalioon, kemikaaleihin, stressiin, saastumiseen, elämäntapavalinnat ja säteily, epigeneettiset reaktiot altistumisesta tällaisille tekijöille voidaan periä DNA: n kautta metylointi. Tämä tarkoittaa, että sukututkimusten lisäksi yksilön muokkaavat vanhempien käyttäytyminen ja ympäristötekijät, joille he altistuvat.

Soluilla on geenejä, jotka edistävät solujen jakautuminen samoin kuin geenit, jotka estävät nopean, hallitsemattoman solukasvun, kuten kasvaimissa. Geenejä, jotka aiheuttavat kasvainten kasvua, kutsutaan onkogeenit ja niitä, jotka estävät kasvaimia, kutsutaan tuumorisuppressorigeenit.

Ihmisen syövät voivat johtua onkogeenien lisääntyneestä ilmentymisestä yhdessä tuumorisuppressorigeenien estetyn ilmentymisen kanssa. Jos tätä geeniekspressiota vastaava DNA-metylaatiokuvio peritään, jälkeläisillä voi olla lisääntynyt alttius syöpälle.

Siinä tapauksessa että peräsuolen syöpä, viallinen DNA-metylaatiokuvio voidaan siirtää vanhemmilta jälkeläisille. A: n vuonna 1983 tekemän tutkimuksen ja paperin mukaan. Feinberg ja B. Vogelstein, paksusuolen syöpäpotilaiden DNA-metylaatiokuvio osoitti lisääntynyttä metylaatiota ja tuumorisuppressorigeenien estämistä pienentämällä onkogeenien metylaatiota.

Epigeneticsia voidaan käyttää myös apuna hoitaa geneettisiä sairauksia. Herkkä X -oireyhtymässä puuttuu X-kromosomigeeni, joka tuottaa tärkeän säätelyproteiinin. Proteiinin puuttuminen tarkoittaa sitä, että älyllistä kehitystä estävä BRD4-proteiini tuotetaan ylimääräisenä hallitsemattomalla tavalla. Lääkkeitä, jotka estävät BRD4: n ilmentymistä, voidaan käyttää taudin hoitoon.

Epigenetikalla on suuri vaikutus sairauksiin, mutta se voi vaikuttaa myös muihin organismin piirteisiin, kuten käyttäytymiseen.

Vuonna 1988 McGillin yliopistossa tehdyssä tutkimuksessa Michael Meany havaitsi, että rotista, joiden äidit huolehtivat heistä nuolemalla ja kiinnittäen huomiota niihin, kehittyi rauhallisia aikuisia. Rotat, joiden äidit eivät huomanneet heitä, muuttuivat ahdistuneiksi aikuisiksi. Aivokudoksen analyysi osoitti, että äitien käyttäytyminen aiheutti muutoksia aivokudoksessa aivosolujen metylaatio rotilla. Rotan jälkeläisten erot johtuivat epigeneettisistä vaikutuksista.

Muut tutkimukset ovat tarkastelleet nälänhädän vaikutusta. Kun äidit altistettiin nälänhädälle raskauden aikana, kuten Hollannissa tapahtui vuosina 1944 ja 1945, heidän lapsilla oli suurempi liikalihavuus ja sepelvaltimotauti kuin äideihin, joille ei ole altistunut nälänhätä. Suuremmat riskit seurattiin insuliinin kaltaista kasvutekijää tuottavan geenin vähentyneeseen DNA-metylaatioon. Tällainen epigeneettiset vaikutukset voidaan periä useiden sukupolvien ajan.

Vanhemmilta lapsille välittyvästä käyttäytymisestä voi seurata seuraavia vaikutuksia:

• Vanhempien ruokavalio voi vaikuttaa jälkeläisten mielenterveyteen.
• Vanhempien altistuminen ympäristön pilaantumiselle voi vaikuttaa lasten astmaan.
• Äidin ravintohistoria voi vaikuttaa lapsen syntymäkokoon.
• Ylimääräisen alkoholin käyttö vanhempana voi aiheuttaa aggressiota jälkeläisille.
• Vanhempien kokaiinille altistuminen voi vaikuttaa muistiin.

Nämä vaikutukset ovat seurauksia DNA: n metylaation muutoksista, jotka siirtyvät jälkeläisille, mutta jos nämä tekijät voivat muuttaa DNA: n metylaatiota vanhemmilla, lasten kokemat tekijät voivat muuttaa omaa DNA: ta metylointi. Toisin kuin geneettinen koodi, DNA: n metylaatiota lapsilla voidaan muuttaa käyttäytymisellä ja ympäristöaltistuksella myöhemmässä elämässä.

Kun käyttäytyminen vaikuttaa DNA: n metylaatioon, DNA: n metyylimerkit, joihin metyyliryhmät voivat kiinnittyä, voivat muuttaa ja vaikuttaa geenien ilmentymiseen tällä tavalla. Vaikka monet geeniekspressiota käsittelevät tutkimukset ovat peräisin monta vuotta sitten, vasta vasta äskettäin tulokset on liitetty a kasvava epigeneettisen tutkimuksen määrä. Tämä tutkimus osoittaa, että epigenetikan rooli voi vaikuttaa yhtä voimakkaasti organismeihin kuin taustalla oleva geneettinen koodi.