ეპიგენეტიკა: განმარტება, როგორ მუშაობს, მაგალითები

ორგანიზმის გენეტიკური ინფორმაცია კოდირებულია ორგანიზმის ქრომოსომების დნმ-ში, მაგრამ მოქმედებს სხვა გავლენებიც. დნმ თანმიმდევრობა გენის შედგენა შეიძლება არ იყოს აქტიური, ან ისინი დაბლოკილი იყოს. ორგანიზმის მახასიათებლებს მისი გენები განსაზღვრავს, მაგრამ სინამდვილეში ქმნიან თუ არა გენები დაშიფრულ მახასიათებლებს, ამას ეწოდება გენის გამოხატვა.

მრავალ ფაქტორს შეუძლია გავლენა მოახდინოს გეენის გამოხატვაზე, განსაზღვრავს, წარმოქმნის თუ არა გენი თავის მახასიათებელს საერთოდ, ან ზოგჯერ მხოლოდ სუსტად. როდესაც გენის გამოხატვაზე გავლენას ახდენს ჰორმონები ან ფერმენტები, ამ პროცესს გენური რეგულაცია ეწოდება.

ეპიგენეტიკა სწავლობს გენების რეგულირების მოლეკულურ ბიოლოგიას და სხვა ეპიგენეტიკური გავლენა გენის გამოხატვაზე. ძირითადად ნებისმიერი გავლენა, რომელიც ცვლის დნმ-ის მიმდევრობის მოქმედებას დნმ-ის კოდის შეცვლის გარეშე, წარმოადგენს ეპიგენეტიკის საგანს.

ეპიგენეტიკა არის პროცესი, რომლის დროსაც გენეტიკური ინსტრუქციები შეიცავს დნმ ორგანიზმებზე გავლენას ახდენს არა გენეტიკური ფაქტორები

გენი გამოხატავს თავის თავს ასლის გაკეთებით და ასლის გაგზავნით უჯრედში, რათა წარმოიქმნას მისი დნმ თანმიმდევრობებში კოდირებული ცილა. ცილა, ან მარტო, ან სხვა ცილებთან ერთად, წარმოქმნის სპეციფიკურ ორგანიზმის მახასიათებელს. თუ გენი დაიბლოკება პროტეინის წარმოებაში, ორგანიზმის მახასიათებელი არ გამოჩნდება.

ეპიგენეტიკა უყურებს იმას, თუ როგორ შეიძლება დაიბლოკოს გენი მისი პროტეინის წარმოებაში და როგორ შეიძლება მისი ჩართვა დაბლოკვის შემთხვევაში. მრავალთა შორის ეპიგენეტიკური მექანიზმები რომელსაც შეუძლია გავლენა მოახდინოს გენების გამოხატვაზე შემდეგია:

• გამორთვა გენი
• გენიდან გაჩერება ასლის დამზადება.
• კოპირებული გენის გაჩერება პროტეინის წარმოებას.
• დაბლოკვა ცილის ფუნქცია.
• დაშლა ცილა სანამ ის მუშაობს.

ეპიგენეტიკა სწავლობს, თუ როგორ გამოხატავენ გენებს, რა გავლენას ახდენს მათ გამოხატვაზე და მექანიზმებზე, რომლებიც აკონტროლებენ გენებს. იგი ათვალიერებს გავლენის შრეს გენეტიკური ფენის ზემოთ და როგორ განსაზღვრავს ეს ფენა ეპიგენეტიკური ცვლილებები როგორ გამოიყურება ორგანიზმი და როგორ იქცევა იგი.

მიუხედავად იმისა, რომ ორგანიზმის ყველა უჯრედს აქვს ერთი და იგივე გენომი, უჯრედები იღებენ სხვადასხვა ფუნქციებს იმის საფუძველზე, თუ როგორ არეგულირებენ მათ გენებს. ორგანიზმის დონეზე, ორგანიზმებს შეიძლება ჰქონდეთ იგივე გენეტიკური კოდი, მაგრამ განსხვავებულად გამოიყურებიან და იქცევიან. მაგალითად, ადამიანის შემთხვევაში, ერთნაირ ტყუპებს აქვთ იგივე ადამიანის გენომი, მაგრამ ისინი ოდნავ განსხვავებულად გამოიყურებიან და იქცევიან, ეს დამოკიდებულია ეპიგენეტიკური ცვლილებები.

ასეთი ეპიგენეტური ეფექტები შეიძლება განსხვავდებოდეს მრავალი შინაგანი და გარეგანი ფაქტორის გათვალისწინებით, მათ შორის შემდეგიდან:

• ჰორმონები
• ზრდის ფაქტორები
• ნეიროტრანსმიტერები
• ტრანსკრიფციის ფაქტორები
• ქიმიური სტიმულები
• გარემოს სტიმულები
  

თითოეული ეს შეიძლება იყოს ეპიგენეტიკური ფაქტორი, რომელიც ხელს უწყობს ან არღვევს უჯრედებში გენის გამოხატვას. ისეთი ეპიგენეტიკური კონტროლი გენის გამოხატვის დარეგულირების კიდევ ერთი გზაა ძირითადი გენეტიკური კოდის შეცვლის გარეშე.

თითოეულ შემთხვევაში, გენების ექსპრესია იცვლება. შიდა და გარე ფაქტორები ან გენის გამოხატვისთვისაა საჭირო, ან მათ შეიძლება დაბლოკოს რომელიმე ეტაპი. თუ არ არის საჭირო ისეთი ფაქტორი, როგორიცაა ფერმენტი, რომელიც საჭიროა ცილის წარმოებისთვის, ცილის წარმოება შეუძლებელია.

დაბლოკვის ფაქტორის არსებობის შემთხვევაში, შესაბამისი გენის გამოხატვის ეტაპი ვერ ფუნქციონირებს და შესაბამისი გენის გამოხატვა იბლოკება. ეპიგენეტიკა ნიშნავს, რომ ორგანიზმში შეიძლება არ აღმოჩნდეს თვისება, რომელიც კოდირებულია გენის დნმ-ის მიმდევრობებში.

გენომი დაშიფრულია დნმ-ის მიმდევრობის თხელ, გრძელ მოლეკულებში, რომლებიც მჭიდროდ უნდა დაიხუროს რთული ქრომატინის სტრუქტურაში, რომ მოთავსდეს წვრილ უჯრედის ბირთვებში.

გენის გამოსახატავად დნმ-ის კოპირება ხდება a ტრანსკრიფციის მექანიზმი. ნაწილი ა დნმ ორმაგი სპირალი რომელიც შეიცავს გამოხატულ გენს ოდნავ იხსნება და რნმ-ის მოლეკულა ქმნის დნმ-ის მიმდევრობის ასლს, რომელიც ქმნის გენს.

დნმ-ის მოლეკულები ჭრიან სპეციალურ ცილებს, რომლებსაც ჰისტონები ეწოდება. ჰისტონის შეცვლა შეიძლება ისე, რომ დნმ მეტ-ნაკლებად მჭიდროდ დაიჭრას.

ისეთი ჰისტონის მოდიფიკაციები შეიძლება გამოიწვიოს დნმ-ის მოლეკულების ისე მჭიდროდ დაჭრა, რომ ტრანსკრიფციის მექანიზმი, რომელიც შედგება სპეციალური ფერმენტებისგან და ამინომჟავებისგან, ვერ აღწევს კოპირების გენამდე. გეტზე წვდომის შეზღუდვა ჰისტონის მოდიფიკაციის შედეგად იწვევს გენის ეპიგენეტიკურ კონტროლს.

გენების ხელმისაწვდომობის შეზღუდვის გარდა, ჰისტონის ცილები შეიძლება შეიცვალოს, რომ მეტ-ნაკლებად მჭიდროდ დაუკავშირდეს მათ გარშემო ჭრილ დნმ-ის მოლეკულებს ქრომატინი სტრუქტურა ჰისტონის ასეთი მოდიფიკაცია გავლენას ახდენს ტრანსკრიფციის მექანიზმზე, რომლის ფუნქციაა გამოხატული გენების RNA ასლის გაკეთება.

ჰისტონის მოდიფიკაციები, რომლებიც ამ გზით გავლენას ახდენს გენის გამოხატვაზე, მოიცავს შემდეგს:

• მეთილირება - ჰისტონს უმატებს მეთილის ჯგუფს, ზრდის დნმ-სთან შეკავშირებას და ამცირებს გენის ექსპრესიას.
• ფოსფორილაცია - ჰისტონს უმატებს ფოსფატის ჯგუფებს. გენის ექსპრესიაზე გავლენა დამოკიდებულია მეთილიტაციასთან და აცეტილაციასთან ურთიერთქმედებაზე.
• აცეტილიზაცია - ჰისტონის აცეტილაცია ამცირებს სავალდებულო სავალდებულოობას და აწესრიგებს გენის გამოხატვას. აცეტილის ჯგუფებს ემატება ჰისტონის აცეტილტრანსფერაზებით (HATs).
• დე-აცეტილაცია - აშორებს აცეტილის ჯგუფებს, ზრდის სავალდებულოობას და ამცირებს გენის ექსპრესიას ჰისტონის დეაცეტილაზასთან.

როდესაც ჰისტონები იცვლება სავალდებულოობის გაზრდის მიზნით, კონკრეტული გენის გენეტიკური კოდი ვერ გადაიწერება და გენი არ არის გამოხატული. როდესაც სავალდებულოობა შემცირდება, შეიძლება გაკეთდეს უფრო მეტი გენეტიკური ასლი, ან მათი დამზადება უფრო მარტივად შეიძლება. სპეციფიკური გენი შემდეგ უფრო გამოხატულია მისი კოდირებული ცილის უფრო მეტი რაოდენობა.

გენის დნმ-ის მიმდევრობის კოპირების შემდეგ RNA თანმიმდევრობა, რნმ მოლეკულა ტოვებს ბირთვს. გენეტიკური თანმიმდევრობით დაშიფრული ცილა შეიძლება წარმოიქმნას მცირე უჯრედების ქარხნებში, რომლებსაც რიბოსომები ეწოდება.

ოპერაციების ჯაჭვი შემდეგია:

1. დნმ ტრანსკრიფცია RNA– ზე
2. რნმ მოლეკულა ტოვებს ბირთვს
3. რნმ უჯრედში აღმოაჩენს რიბოსომებს
4. RNA თანმიმდევრობის თარგმანი ცილოვან ჯაჭვებზე
5. ცილების წარმოება

RNA მოლეკულის ორი ძირითადი ფუნქციაა ტრანსკრიფცია და თარგმანი. RNA– ს გარდა, რომელიც გამოიყენება დნმ – ის მიმდევრობის კოპირებასა და გადასაცემად, უჯრედებს შეუძლიათ წარმოქმნან ჩარევის RNA ან iRNA. ეს არის RNA თანმიმდევრობის მოკლე ძაფები, რომლებსაც უწოდებენ არაკოდირებული RNA რადგან მათ არ აქვთ რაიმე თანმიმდევრობა, რომლებიც გენებს აკოდირებენ.

მათი ფუნქციაა ტრანსკრიფციასა და თარგმანში ჩარევა, რაც ამცირებს გენის გამოხატვას. ამ გზით, iRNA– ს აქვს ეპიგენეტიკური ეფექტი.

დნმ-ის მეთილირების დროს ფერმენტები ე.წ. დნმ მეთილტრანსფერაზები მეთილის ჯგუფებს ანიჭებენ დნმ-ის მოლეკულებს. გენის გასააქტიურებლად და ტრანსკრიფციის პროცესის დასაწყებად, ცილა უნდა დაერთოს დნმ-ის მოლეკულას დასაწყისთან. მეთილის ჯგუფები მოთავსებულია იმ ადგილებზე, სადაც ჩვეულებრივ დამაკავშირებელი იქნება ტრანსკრიფციული ცილა, რითაც იბლოკება ტრანსკრიფციის ფუნქცია.

როდესაც უჯრედები იყოფა, უჯრედის გენომის დნმ-ის მიმდევრობები კოპირდება პროცესში, რომელსაც ე.წ. დნმ-ის რეპლიკაცია. იგივე პროცესი გამოიყენება შექმნისთვის სპერმატოზოიდი და კვერცხუჯრედები მაღალ ორგანიზმებში.

ბევრი ფაქტორი, რომლებიც არეგულირებენ გენების ექსპრესიას, იკარგება დნმ – ის კოპირებისას, მაგრამ დნმ – ის მეთილირების მრავალი ნიმუში ტირაჟირდება დნმ – ის კოპირებულ მოლეკულებში. ეს ნიშნავს, რომ გენების ექსპრესიის რეგულირება გამოწვეულია დნმ-ის მეთილირება შეიძლება მემკვიდრეობით გადაეცეს მიუხედავად იმისა, რომ ფუძემდებლური დნმ თანმიმდევრობა უცვლელი რჩება.

იმის გამო, რომ დნმ-ის მეთილირება რეაგირებს ეპიგენეტიკურ ფაქტორებზე, როგორიცაა გარემო, დიეტა, ქიმიკატები, სტრესი, დაბინძურება, ცხოვრების წესის არჩევანი და რადიაცია, ეპიგენეტიკური რეაქციები ამგვარი ფაქტორების ზემოქმედების შედეგად შეიძლება მემკვიდრეობით გადაეცეთ დნმ-ს საშუალებით მეთილირება. ეს ნიშნავს, რომ გენეალოგიური გავლენის გარდა, ინდივიდს აყალიბებს მშობლების ქცევა და გარემო ფაქტორები, რომლებზეც ისინი ექვემდებარებიან.

უჯრედებს აქვთ გენი, რომლებიც ხელს უწყობენ უჯრედის დაყოფა ასევე გენები, რომლებიც თრგუნავენ უჯრედების სწრაფ, უკონტროლო ზრდას, მაგალითად, სიმსივნეებში. გენებს, რომლებიც იწვევენ სიმსივნის ზრდას, ეწოდება ონკოგენები და ის, ვინც ხელს უშლის სიმსივნეებს, ეწოდება სიმსივნის დამთრგუნველი გენები.

ადამიანის კიბო შეიძლება გამოწვეული იყოს ონკოგენების გაზრდილი გამოხატულებით, რასაც თან ახლავს სიმსივნის დამთრგუნველი გენების დაბლოკილი გამოხატულება. თუ ამ გენური ექსპრესიის შესაბამისი დნმ მეთილირების ნიმუში მემკვიდრეობით გადაეცემა, შთამომავლებს შეიძლება ჰქონდეთ გაზრდილი მგრძნობელობა კიბოს მიმართ.

Იმ შემთხვევაში მსხვილი ნაწლავის კიბო, მშობლებისგან შთამომავლობის გაუმართავი დნმ – ის მეთოდი შეიძლება გადაეცეს. 1983 წელს ჩატარებული გამოკვლევისა და ნაშრომის თანახმად, ა. ფეინბერგმა და ბ. ვოგელშტეინმა, მსხვილი ნაწლავის კიბოთი დაავადებულთა დნმ-ის მეთილირების ნიმუში აჩვენა გაზრდილი მეთილიზაცია და სიმსივნის დამთრგუნველი გენების ბლოკირება ონკოგენების შემცირებული მეთილირებით.

ეპიგენეტიკა ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას დასახმარებლად მკურნალობა გენეტიკური დაავადებები. მყიფე X სინდრომის დროს არ არსებობს X- ქრომოსომის გენი, რომელიც წარმოქმნის საკვანძო მარეგულირებელ ცილას. ცილის არარსებობა ნიშნავს, რომ BRD4 ცილა, რომელიც აფერხებს ინტელექტუალურ განვითარებას, წარმოიქმნება ჭარბი რაოდენობით უკონტროლო მეთოდით. მედიკამენტები, რომლებიც თრგუნავს BRD4 გამოხატვას, შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაავადების სამკურნალოდ.

ეპიგენეტიკას აქვს დიდი გავლენა დაავადებაზე, მაგრამ მას ასევე შეუძლია გავლენა მოახდინოს ორგანიზმის სხვა მახასიათებლებზე, როგორიცაა ქცევა.

1988 წელს მაკგილის უნივერსიტეტში ჩატარებულ კვლევაში, მაიკლ მენიმ დააკვირდა, რომ ვირთხები, რომელთა დედებიც უვლიდნენ მათ ლიზვით და მათზე ყურადღებით, მშვიდი მოზრდილებად იქცნენ. ვირთხები, რომელთა დედებმაც არ გაითვალისწინეს, შეშფოთდნენ მოზრდილებად. ტვინის ქსოვილის ანალიზმა აჩვენა, რომ დედების ქცევამ ცვლილებები გამოიწვია ტვინის უჯრედების მეთილირება ახალშობილ ვირთხებში. ვირთხების შთამომავლობაში სხვაობა ეპიგენეტური ეფექტის შედეგი იყო.

სხვა გამოკვლევებმა შეისწავლა შიმშილის გავლენა. როდესაც ორსულობის დროს დედები შიმშილს განიცდიდნენ, როგორც ეს მოხდა ჰოლანდიაში 1944 და 1945 წლებში ბავშვებს ჰქონდათ ჭარბი სიმსუქნე და კორონარული დაავადება, ვიდრე დედები, რომლებიც არ ექვემდებარებოდნენ შიმშილი უფრო მეტი რისკი იყო ინსულინის მსგავსი ზრდის ფაქტორის გამომუშავებელი გენის დნმ-მეთილირების შემცირება. ისეთი ეპიგენეტიკური ეფექტები შეიძლება მემკვიდრეობით გადაეცეს რამდენიმე თაობას.

ქცევის შედეგები, რომელიც შეიძლება მშობლებისგან შვილებზე გადავიდეს და შემდეგ, მოიცავს შემდეგს:

• მშობლების დიეტამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს შთამომავლების ფსიქიკურ ჯანმრთელობაზე.
• მშობლებში გარემოს დაბინძურებამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს ბავშვთა ასთმაზე.
• დედის კვების ისტორიამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს ჩვილის ზომაზე.
• მამრობითი სქესის მშობლის მიერ ჭარბი ალკოჰოლის მიღებამ შეიძლება გამოიწვიოს აგრესია შთამომავლობაში.
• მშობლების კოკაინის ზემოქმედებამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს მეხსიერებაზე.

ეს შედეგები არის დნმ-ის მეთილირების ცვლილების შედეგები, რომელიც გადაეცემა შთამომავლებს, მაგრამ თუ ამ ფაქტორებს შეუძლიათ შეცვალონ დნმ-ის მეთილირება მშობლებში, იმ ფაქტორებს, რომლებსაც ბავშვები განიცდიან, შეუძლიათ შეცვალონ საკუთარი დნმ მეთილირება. გენეტიკური კოდისგან განსხვავებით, ბავშვებში დნმ-ის მეთილირება შეიძლება შეიცვალოს ქცევით და გარემოს ზემოქმედებით შემდგომ ცხოვრებაში.

როდესაც დნმ მეთილიზაციაზე გავლენას ახდენს ქცევა, მეთილის ნიშნები დნმ-ზე, სადაც შეიძლება დაერთოს მეთილის ჯგუფები, შეიძლება შეიცვალოს და გავლენა მოახდინოს გეენის გამოხატვაზე ამ გზით. მიუხედავად იმისა, რომ მრავალი გამოკვლევა, რომლებიც ეხება გენების გამოხატვას, მრავალი წლის წინ იწყება, მაგრამ სულ ახლახანს მოხდა შედეგების დაკავშირება ეპიგენეტიკური კვლევების მზარდი მოცულობა. ეს კვლევა აჩვენებს, რომ ეპიგენეტიკის როლი შეიძლება ისეთივე ძლიერი გავლენა იქონიოს ორგანიზმებზე, როგორც ძირითადი გენეტიკური კოდი.