Epigenetika: Definicija, kako to djeluje, primjeri

Genetske informacije za organizam kodirane su u DNK kromosoma organizma, ali na djelu su i drugi utjecaji. The DNA sekvence koji čine gen možda neće biti aktivan ili će biti blokiran. Karakteristike organizma određuju njegovi geni, ali naziva li se genima zapravo stvaranjem kodirane karakteristike ekspresija gena.

Mnogi čimbenici mogu utjecati na ekspresiju gena, određujući stvara li gen uopće svoje osobine ili ponekad samo slabo. Kada na ekspresiju gena utječu hormoni ili enzimi, proces se naziva regulacija gena.

Epigenetika proučava molekularnu biologiju regulacije gena i drugo epigenetski utjecaji na ekspresiju gena. U osnovi je svaki utjecaj koji modificira učinak DNA sekvenci bez promjene DNA koda predmet epigenetike.

Epigenetika je postupak kroz koji genetske upute sadržane u DNA organizama pod utjecajem negenetski čimbenici. Primarna metoda za epigenetske procese je kontrola ekspresije gena. Neki su kontrolni mehanizmi privremeni, ali drugi su trajniji i mogu se naslijediti putem epigenetsko nasljeđivanje.

Gen se izražava stvaranjem kopije i slanjem kopije u stanicu kako bi stvorio protein kodiran u svojim DNA sekvencama. Protein, sam ili u kombinaciji s drugim proteinima, stvara specifične karakteristike organizma. Ako se genu onemogući stvaranje proteina, neće se pojaviti karakteristike organizma.

Epigenetika proučava kako gen može zabraniti proizvodnju svojih proteina i kako se može ponovno uključiti ako je blokiran. Među mnogim epigenetski mehanizmi koji mogu utjecati na ekspresiju gena su sljedeći:

• Deaktivacija gen.
• Zaustavljanje gena iz izrada kopije.
• Zaustavljanje kopiranog gena iz proizvodeći protein.
• Blokiranje funkcija bjelančevina.
• Prekid veze protein prije nego što može djelovati.

Epigenetika proučava kako se geni izražavaju, što utječe na njihovu ekspresiju i mehanizme koji kontroliraju gene. Gleda se na sloj utjecaja iznad genetskog sloja i na to kako taj sloj određuje epigenetske promjene u tome kako izgleda organizam i kako se ponaša.

Iako sve stanice u organizmu imaju isti genom, stanice preuzimaju različite funkcije na temelju toga kako reguliraju svoje gene. Na razini organizma, organizmi mogu imati isti genetski kod, ali različito izgledaju i ponašaju se. Na primjer, u slučaju ljudi, jednojajčani blizanci imaju isti ljudski genom, ali izgledat će i ponašati se ponešto drugačije, ovisno o tome epigenetske promjene.

Takvi epigenetski učinci mogu se razlikovati ovisno o mnogim unutarnjim i vanjskim čimbenicima, uključujući sljedeće:

• Hormoni
• Faktori rasta
• Neurotransmiteri
• Čimbenici transkripcije
• Kemijski podražaji
• Podražaji iz okoline
  

Svaki od njih može biti epigenetski čimbenik koji potiče ili narušava ekspresiju gena u stanicama. Takva epigenetska kontrola je još jedan način za regulaciju ekspresije gena bez promjene osnovnog genetskog koda.

U svakom se slučaju mijenja ukupna ekspresija gena. Unutarnji i vanjski čimbenici potrebni su za ekspresiju gena ili mogu blokirati jednu od faza. Ako nedostaje potreban čimbenik kao što je enzim potreban za proizvodnju proteina, protein se ne može proizvesti.

Ako je prisutan faktor blokiranja, odgovarajući stupanj ekspresije gena ne može funkcionirati, a ekspresija relevantnog gena je blokirana. Epigenetika znači da se osobina koja je kodirana u DNA sekvencama gena možda neće pojaviti u organizmu.

Genom je kodiran u tankim, dugim molekulama DNA sekvenci koje se moraju čvrsto namotati u složenu strukturu kromatina da bi se uklopile u male stanične jezgre.

Da bi ekspresirao gen, DNA se kopira putem a mehanizam transkripcije. Dio a DNA dvostruka zavojnica koji sadrži gen koji se želi eksprimirati, lagano se odmotava, a molekula RNA pravi kopiju sekvenci DNA koja čine gen.

Molekule DNA namotane su oko posebnih proteina koji se nazivaju histoni. Histoni se mogu mijenjati tako da je DNA više-manje čvrsto namotana.

Takva modifikacije histona može dovesti do toga da molekule DNA budu toliko čvrsto namotane da mehanizam transkripcije, koji se sastoji od posebnih enzima i aminokiselina, ne može doći do gena za kopiranje. Ograničavanje pristupa genu modifikacijom histona rezultira epigenetskom kontrolom gena.

Osim što ograničavaju pristup genima, histonski proteini mogu se mijenjati kako bi se više ili manje čvrsto vezali za molekule DNA namotane oko njih u kromatin struktura. Takve modifikacije histona utječu na mehanizam transkripcije čija je funkcija stvaranje RNA kopije gena koji se trebaju eksprimirati.

Modifikacije histona koje na ovaj način utječu na ekspresiju gena uključuju sljedeće:

• Metilacija - dodaje metilnu skupinu histonima, povećavajući vezanje na DNA i smanjujući ekspresiju gena.
• Fosforilacija - dodaje fosfatne skupine u histone. Učinak na ekspresiju gena ovisi o interakciji s metilacijom i acetilacijom.
• Acetilecija - acetilacija histona smanjuje vezanje i povećava regulaciju ekspresije gena. Acetilne skupine dodaju se s histon acetiltransferazama (HAT).
• De-acetilacija - uklanja acetilne skupine, povećava vezanje i smanjuje ekspresiju gena s histon deacetilazom.

Kada se histoni promijene radi povećanja vezanja, genetski kod za određeni gen ne može se transkribirati i gen se ne izražava. Kad se vezanje smanji, može se napraviti više genetskih kopija ili se može lakše. Tada se specifični gen eksprimira i stvara se sve više i više njegovih kodiranih proteina.

Nakon što se DNA sekvence gena kopiraju u RNA sekvenca, Molekula RNA ostavlja jezgru. Protein kodiran u genetskom slijedu mogu proizvesti male stanične tvornice zvane ribosomi.

Lanac operacija je sljedeći:

1. Transkripcija DNA u RNA
2. Molekula RNA napušta jezgru
3. RNA pronalazi ribosome u stanici
4. Prijevod sekvence RNA u proteinske lance
5. Proizvodnja proteina

Dvije ključne funkcije molekule RNA su transkripcija i translacija. Uz RNA koja se koristi za kopiranje i prijenos DNA sekvenci, stanice mogu stvarati interferencijska RNA ili iRNA. To su kratke niti RNA sekvenci tzv nekodirajuća RNA jer nemaju nijedan slijed koji kodira gene.

Njihova je funkcija ometati transkripciju i translaciju, smanjujući ekspresiju gena. Na taj način iRNA ima epigenetski učinak.

Tijekom metilacije DNA, enzimi tzv DNA metiltransferaze vežu metilne skupine na molekule DNA. Da bi aktivirao gen i započeo proces transkripcije, protein se mora vezati za molekulu DNA blizu početka. Metilne skupine smještene su na mjestima gdje bi se normalno mogao vezati transkripcijski protein, blokirajući tako transkripcijsku funkciju.

Kad se stanice podijele, DNA sekvence genoma stanice kopiraju se u procesu tzv Replikacija DNA. Isti se postupak koristi za stvaranje sperma i jajne stanice u višim organizmima.

Mnogi se čimbenici koji reguliraju ekspresiju gena gube kad se DNK kopira, ali puno se uzoraka metilacije DNA replicira u kopiranim molekulama DNA. To znači da je regulacija ekspresije gena uzrokovana Metilacija DNA može se naslijediti iako temeljne sekvence DNA ostaju nepromijenjene.

Budući da metilacija DNA reagira na epigenetske čimbenike kao što su okoliš, prehrana, kemikalije, stres, zagađenje, odabir načina života i zračenje, epigenetske reakcije izlaganja takvim čimbenicima mogu se naslijediti putem DNA metilacija. To znači da se, pored genealoških utjecaja, pojedinca oblikuje i ponašanjem roditelja te čimbenicima okoline kojima je bila izložena.

Stanice imaju gene koji promoviraju dijeljenje stanica kao i geni koji suzbijaju brzi, nekontrolirani rast stanica, poput tumora. Nazvani su geni koji uzrokuju rast tumora onkogeni a nazivaju se oni koji sprečavaju tumore geni supresori tumora.

Ljudski karcinomi mogu biti uzrokovani povećanom ekspresijom onkogena zajedno s blokiranom ekspresijom gena za supresiju tumora. Ako se naslijedi obrazac metilacije DNA koji odgovara ovom ekspresiju gena, potomci mogu imati povećanu osjetljivost na rak.

U slučaju Rak debelog crijeva, neispravan obrazac metilacije DNA može se prenijeti s roditelja na potomstvo. Prema studiji i radu A. iz 1983. godine. Feinberg i B. Vogelstein, obrazac metilacije DNA pacijenata s karcinomom debelog crijeva pokazao je povećanu metilaciju i blokiranje gena za supresiju tumora uz smanjenu metilaciju onkogena.

Epigenetika se također može koristiti za pomoć liječiti genetske bolesti. U sindromu krhkog X nedostaje gen X-kromosoma koji proizvodi ključni regulatorni protein. Odsutnost proteina znači da se protein BRD4, koji inhibira intelektualni razvoj, proizvodi nekontrolirano u suvišku. Lijekovi koji inhibiraju ekspresiju BRD4 mogu se koristiti za liječenje bolesti.

Epigenetika ima velik utjecaj na bolest, ali može utjecati i na druge osobine organizma poput ponašanja.

U studiji iz 1988. godine na Sveučilištu McGill, Michael Meany primijetio je da su se štakori čije su se majke brinule za njih ližući i obraćajući pažnju na njih razvili u smirene odrasle osobe. Štakori čije su ih majke ignorirale postali su uznemireni odrasli. Analiza moždanog tkiva pokazala je da je ponašanje majki uzrokovalo promjene u metilacija moždanih stanica kod beba štakora. Razlike u potomstvu štakora rezultat su epigenetskih učinaka.

Druga su istraživanja proučavala učinak gladi. Kad su majke bile izložene gladi tijekom trudnoće, kao što je bio slučaj u Nizozemskoj 1944. i 1945., njihova djeca su imala veću učestalost pretilosti i koronarne bolesti u odnosu na majke kojima nisu bile izložene glad. Veći su rizici praćeni smanjenom metilacijom DNA gena koji proizvodi faktor rasta sličan inzulinu. Takva epigenetski učinci može se naslijediti tijekom nekoliko generacija.

Učinci ponašanja koji se mogu prenijeti s roditelja na djecu i nadalje mogu uključivati ​​sljedeće:

• Prehrana roditelja može utjecati na mentalno zdravlje potomaka.
• Izloženost okoliša zagađenju kod roditelja može utjecati na dječju astmu.
• Povijest prehrane majke može utjecati na veličinu rođenja dojenčadi.
• Konzumacija viška alkohola od strane muškog roditelja može izazvati agresiju kod potomaka.
• Izloženost roditelja kokainu može utjecati na pamćenje.

Ti su učinci rezultat promjene u metilaciji DNA koja se prenosi na potomstvo, ali ako ti čimbenici mogu promijeniti metilaciju DNA kod roditelja, čimbenici koje djeca doživljavaju mogu promijeniti vlastitu DNK metilacija. Za razliku od genetskog koda, metilacija DNA u djece može se promijeniti ponašanjem i izloženošću okolišu u kasnijem životu.

Kada ponašanje metilacije utječe na metilaciju DNA, metilni tragovi na DNA na koje se metilne skupine mogu vezati mogu se na taj način promijeniti i utjecati na ekspresiju gena. Iako mnoga istraživanja koja se bave ekspresijom gena datiraju od prije mnogo godina, tek su nedavno rezultati povezani s sve veći obujam epigenetskih istraživanja. Ovo istraživanje pokazuje da uloga epigenetike može imati toliko snažan utjecaj na organizme koliko i temeljni genetski kod.