Egy szervezet genetikai információja a szervezet kromoszómáinak DNS-ében van kódolva, de más hatások is működnek. A DNS-szekvenciák egy gén felépítése nem biztos, hogy aktív, vagy blokkolva vannak. Egy szervezet jellemzőit a génjei határozzák meg, de hogy a gének valóban létrehozzák-e a kódolt jellemzőt, azt meg kell nevezni génexpresszió.
Számos tényező befolyásolhatja a génexpressziót, meghatározva, hogy a gén egyáltalán termeli-e a jellemzőjét, vagy néha csak gyengén. Amikor a génexpressziót hormonok vagy enzimek befolyásolják, a folyamatot génszabályozásnak nevezzük.
Epigenetika tanulmányozza a génszabályozás molekuláris biológiáját és a másik epigenetikus hatások a génexpresszióról. Alapvetően minden olyan hatás, amely a DNS-szekvenciák hatását a DNS-kód megváltoztatása nélkül módosítja, az epigenetika tárgya.
Epigenetika: Definíció és áttekintés
Epigenetika az a folyamat, amelyen keresztül a DNS az organizmusok befolyásolják nem genetikai tényezők. Az epigenetikai folyamatok elsődleges módszere a génexpresszió szabályozása. Egyes ellenőrzési mechanizmusok ideiglenesek, de mások állandóbbak és öröklődhetnek
Egy gén úgy fejezi ki magát, hogy másolatot készít magáról, és a másolatot kiküldi a sejtbe, hogy előállítsa a DNS-szekvenciájában kódolt fehérjét. A fehérje, akár önmagában, akár más fehérjékkel kombinálva, egy specifikus organizmusra jellemző. Ha a gént blokkolják a fehérje termelésében, akkor a szervezet jellemzői nem jelennek meg.
Az epigenetika azt vizsgálja, hogy a gént hogyan lehet blokkolni a fehérje termelésében, és hogyan lehet visszakapcsolni, ha blokkolva van. A sok közül epigenetikus mechanizmusok amelyek befolyásolhatják a génexpressziót, a következők:
- Kikapcsolás a gén.
- A gén leállítása másolat készítése.
- A másolt gén leállítása termeli a fehérjét.
- A. Blokkolása a fehérje működése.
- Szakítani a fehérje, mielőtt működhet.
Az epigenetika azt vizsgálja, hogy a gének hogyan fejeződnek ki, mi befolyásolja azok expresszióját és a géneket szabályozó mechanizmusokat. Megvizsgálja a genetikai réteg feletti befolyásréteget és azt, hogy ez a réteg hogyan határoz meg epigenetikai változások hogyan néz ki egy szervezet és hogyan viselkedik.
Hogyan működik az epigenetikus módosítás
Bár egy szervezetben minden sejtnek ugyanaz a genomja, a sejtek különböző funkciókat töltenek be attól függően, hogy miként szabályozzák génjeiket. Szervezeti szinten az organizmusoknak lehet azonos genetikai kódja, de másképp néznek ki és viselkednek. Például emberek esetében az azonos ikreknek ugyanaz az emberi genomjuk, de ettől függően kissé másképp fog kinézni és viselkedni epigenetikai változások.
Az ilyen epigenetikai hatások számos belső és külső tényezőtől függően változhatnak, beleértve a következőket:
- Hormonok
- Növekedési tényezők
- Neurotranszmitterek
- Átírási tényezők
- Kémiai ingerek
- Környezeti ingerek
Ezek mindegyike lehet epigenetikus tényező, amely elősegíti vagy megzavarja a sejtekben a génexpressziót. Ilyen epigenetikus kontroll a gén expressziójának egy másik módja a mögöttes genetikai kód megváltoztatása nélkül.
Mindegyik esetben a teljes génexpresszió megváltozik. A belső és külső tényezők vagy szükségesek a génexpresszióhoz, vagy blokkolhatják az egyik stádiumot. Ha hiányzik egy szükséges faktor, például a fehérje előállításához szükséges enzim, akkor a fehérje nem állítható elő.
Ha blokkoló faktor van jelen, akkor a megfelelő génexpressziós szakasz nem működhet, és a megfelelő gén expressziója blokkolva van. Az epigenetika azt jelenti, hogy a gén DNS-szekvenciáiban kódolt tulajdonság nem jelenhet meg a szervezetben.
A DNS-hozzáférés epigenetikai korlátai
A genom vékony, hosszú DNS-szekvenciák molekuláiban van kódolva, amelyeket szorosan meg kell tekerni egy bonyolult kromatinszerkezetben, hogy apró sejtmagokba illeszkedjenek.
Egy gén expresszálásához a DNS-t a transzkripciós mechanizmus. Az a része DNS kettős spirál amely az expresszálandó gént tartalmazza, kissé letekerik, és egy RNS-molekula másolja a gént alkotó DNS-szekvenciákat.
A DNS-molekulák speciális fehérjék köré tekerednek, amelyeket hisztonoknak hívnak. A hisztonokat úgy lehet megváltoztatni, hogy a DNS többé-kevésbé szorosan feltekeredjen.
Ilyen hiszton módosítások DNS-molekulákat olyan szorosan feltekerhet, hogy a speciális enzimekből és aminosavakból álló transzkripciós mechanizmus nem éri el a másolni kívánt gént. A génhez való hozzáférés korlátozása hisztonmódosítással a gén epigenetikus kontrollját eredményezi.
További epigenetikus hiszton módosítások
A génekhez való hozzáférés korlátozása mellett a hisztonfehérjék megváltoztathatók, hogy többé-kevésbé szorosan kötődjenek a körülöttük a kromatin szerkezet. Az ilyen hisztonmódosítások befolyásolják azt a transzkripciós mechanizmust, amelynek feladata az expresszálandó gének RNS-másolatának elkészítése.
A génexpressziót ily módon befolyásoló hisztonmódosítások a következők:
- Metilezés - metilcsoportot ad a hisztonokhoz, fokozva a DNS-hez való kötődést és csökkentve a génexpressziót.
- Foszforilezés - foszfátcsoportokat ad a hisztonokhoz. A génexpresszióra gyakorolt hatás a metilezéssel és az acetilezéssel való kölcsönhatástól függ.
- Acetilezés - a hiszton-acetilezés csökkenti a kötődést és szabályozza a génexpressziót. Az acetilcsoportokat hiszton-acetil-transzferázokkal (HAT) adjuk hozzá.
- Dezacetilezés - eltávolítja az acetilcsoportokat, növeli a kötődést és csökkenti a génexpressziót hiszton-dezacetilázzal.
Ha a hisztonokat megváltoztatják a kötés növelése érdekében, akkor egy adott gén genetikai kódja nem írható át, és a gén nem expresszálódik. Ha a kötés csökken, több genetikai másolat készíthető, vagy könnyebben elkészíthető. A specifikus gén ekkor expresszálódik, és egyre több kódolt fehérje termelődik.
Az RNS zavarhatja a génexpressziót
Miután egy gén DNS-szekvenciáit egy RNS szekvencia, a RNS molekula elhagyja a magot. A genetikai szekvenciában kódolt fehérjét riboszómának nevezett kis sejtgyárak képesek előállítani.
A műveletek láncolata a következő:
- DNS transzkripció RNS-be
- Az RNS molekula elhagyja a magot
- Az RNS riboszómákat talál a sejtben
- Az RNS szekvencia transzlációja fehérje láncokká
- Fehérjetermelés
Az RNS-molekula két fő funkciója a transzkripció és a transzláció. A DNS-szekvenciák másolásához és átviteléhez használt RNS mellett a sejtek képesek termelni interferencia RNS vagy iRNS. Ezek az úgynevezett RNS-szekvenciák rövid szálai nem kódoló RNS mert nincsenek géneket kódoló szekvenciák.
Feladatuk az, hogy zavarják a transzkripciót és a transzlációt, csökkentve a génexpressziót. Ily módon az iRNS epigenetikus hatást fejt ki.
A DNS-metiláció a génexpresszió egyik fő tényezője
A DNS-metiláció során az enzimek ún DNS-metil-transzferázok metilcsoportokat köt a DNS-molekulákhoz. Egy gén aktiválásához és a transzkripciós folyamat megkezdéséhez egy fehérjének a kezdet közelében kell kapcsolódnia a DNS-molekulához. A metilcsoportokat azokra a helyekre helyezzük el, ahol a transzkripciós fehérje normálisan kapcsolódik, így blokkolva a transzkripciós funkciót.
Amikor a sejtek osztódnak, a sejt genomjának DNS-szekvenciái az úgynevezett folyamatban másolódnak DNS replikáció. Ugyanezt a folyamatot használják a létrehozáshoz sperma és a petesejtek magasabb organizmusokban.
A gén expresszióját szabályozó tényezők közül sok elvész a DNS másolásakor, de a DNS metilációs mintáinak sokasága megismétlődik a másolt DNS molekulákban. Ez azt jelenti, hogy a génexpresszió szabályozása által okozott A DNS-metiláció öröklődhet annak ellenére, hogy az alapul szolgáló DNS-szekvenciák változatlanok maradnak.
Mivel a DNS-metiláció reagál olyan epigenetikus tényezőkre, mint a környezet, az étrend, a vegyi anyagok, a stressz, a szennyezés, életmódválasztás és sugárzás, az ilyen tényezőknek való kitettségből származó epigenetikus reakciók öröklődhetnek a DNS-en keresztül metilezés. Ez azt jelenti, hogy a genealógiai hatások mellett az egyént a szülők viselkedése és a környezeti tényezők alakítják, amelyeknek ki vannak téve.
Epigenetikai példák: Betegségek
A sejteknek vannak génjeik, amelyek elősegítik sejtosztódás valamint olyan gének, amelyek elnyomják a gyors, ellenőrizetlen sejtnövekedést, például tumorokban. Azokat a géneket nevezzük, amelyek a daganatok növekedését okozzák onkogének és azokat, amelyek megakadályozzák a daganatokat, úgy hívjuk tumor szupresszor gének.
Az emberi rákos megbetegedéseket az onkogének fokozott expressziója okozhatja, a tumor szuppresszor gének blokkolt expressziójával párosulva. Ha ennek a génexpressziónak megfelelő DNS-metilációs mintázat öröklődik, az utódok fokozottan hajlamosak lehetnek a rákra.
Abban az esetben colorectalis rák, a hibás DNS-metilációs mintázat átadható a szülőktől az utódoknak. Egy 1983-as tanulmány és A. írása szerint. Feinberg és B. Vogelstein, a vastagbélrákos betegek DNS-metilációs mintázata fokozott metilációt és blokkolást mutatott a tumorszuppresszor géneknél, csökkent onkogének metilációjával.
Az epigenetika szintén segíthet genetikai betegségek kezelése. A törékeny X szindrómában hiányzik egy olyan kulcsfontosságú szabályozó fehérjét termelő X-kromoszóma gén. A fehérje hiánya azt jelenti, hogy az intellektuális fejlődést gátló BRD4 fehérje feleslegesen, kontrollálatlan módon termelődik. A BRD4 expresszióját gátló gyógyszerek alkalmazhatók a betegség kezelésére.
Epigenetikai példák: Viselkedés
Az epigenetika nagy hatással van a betegségekre, de befolyásolhatja más organizmus tulajdonságokat is, például a viselkedést.
A McGill Egyetemen végzett 1988-as tanulmányban Michael Meany megfigyelte, hogy azokból a patkányokból, akiknek anyja nyalogatással és odafigyeléssel gondozta őket, nyugodt felnőttek fejlődtek. Azok a patkányok, akiknek anyja figyelmen kívül hagyta őket, aggódó felnőttekké váltak. Az agyszövet elemzése kimutatta, hogy az anyák viselkedése változásokat okozott a az agysejtek metilezése a csecsemő patkányokban. A patkány utódok közötti különbségek epigenetikai hatások voltak.
Más vizsgálatok az éhínség hatását vizsgálták. Amikor az anyákat terhesség alatt éhínség érte, mint Hollandiában 1944-ben és 1945-ben, akkor az a gyermekeknél gyakoribb volt az elhízás és a koszorúér-betegség, mint azoknak az anyáknak, akiknek nincs kitéve éhínség. A magasabb kockázatokat az inzulinszerű növekedési faktort termelő gén csökkent DNS-metilációja követte. Ilyen epigenetikai hatások több generáción át öröklődhet.
A viselkedésnek a szülőktől a gyermekekig terjedő hatásai a következők lehetnek:
- A szülői étrend befolyásolhatja az utódok mentális egészségét.
- A szülők környezeti szennyezettsége hatással lehet a gyermek asztmájára.
- Az anya táplálkozási története befolyásolhatja a csecsemő születési méretét.
- A férfi szülő felesleges alkoholfogyasztása agressziót okozhat az utódokban.
- A szülők kokainnak való kitettsége befolyásolhatja a memóriát.
Ezek a hatások a DNS-metilációban bekövetkezett változások eredményeként következnek be az utódoknak, de ha ezek a tényezők képesek rá megváltoztathatja a DNS metilációját a szülőknél, a gyermekek által tapasztalt tényezők megváltoztathatják saját DNS-jüket metilezés. A genetikai kódtól eltérően a gyermekek DNS-metilációja viselkedéssel és környezeti kitettséggel megváltoztatható a későbbi életben.
Amikor a viselkedés befolyásolja a DNS metilációját, a metilcsoportok azon a DNS-en, ahol a metilcsoportok kapcsolódhatnak, megváltoztathatják és befolyásolhatják a génexpressziót. Noha a génexpresszióval foglalkozó tanulmányok közül sok évre visszanyúlik, az eredmények csak újabban kapcsolódnak a növekvő mennyiségű epigenetikai kutatás. Ez a kutatás azt mutatja, hogy az epigenetika szerepe ugyanolyan erősen befolyásolhatja az organizmusokat, mint az alapjául szolgáló genetikai kód.