Organizmo genetinė informacija yra užkoduota organizmo chromosomų DNR, tačiau darbe yra ir kitų įtakų. DNR sekos sudaryti geną gali būti neaktyvūs arba jie gali būti užblokuoti. Organizmo savybes lemia jo genai, tačiau vadinama, ar genai iš tikrųjų kuria užkoduotą savybę genų ekspresija.
Daugelis veiksnių gali turėti įtakos genų ekspresijai, nustatant, ar genas apskritai gamina jam būdingas savybes, ar kartais tik silpnai. Kai genų raiškai įtakos turi hormonai ar fermentai, procesas vadinamas genų reguliavimu.
Epigenetika tiria molekulinę genų reguliavimo biologiją ir kita epigenetinės įtakos apie genų raišką. Iš esmės bet kokia įtaka, modifikuojanti DNR sekų poveikį, nekeičiant DNR kodo, yra epigenetikos objektas.
Epigenetika: apibrėžimas ir apžvalga
Epigenetika yra procesas, kurio metu genetinės instrukcijos yra DNR organizmų veikia ne genetiniai veiksniai. Pagrindinis epigenetinių procesų metodas yra genų ekspresijos kontrolė. Kai kurie kontrolės mechanizmai yra laikini, tačiau kiti yra nuolatiniai ir gali būti paveldimi epigenetinis paveldėjimas.
Genas išreiškia save pasidarydamas savo kopiją ir išsiųsdamas ją į ląstelę, kad gautų baltymą, užkoduotą jo DNR sekose. Baltymai atskirai arba kartu su kitais baltymais sukuria specifinį organizmui būdingą požymį. Jei genui blokuojama gaminti baltymą, organizmo charakteristika nepasirodys.
Epigenetika nagrinėja, kaip galima blokuoti geną gaminant baltymą ir kaip jį vėl įjungti, jei jis yra užblokuotas. Tarp daugelio epigenetiniai mechanizmai gali turėti įtakos genų raiškai:
- Išjungiama genas.
- Sustabdyti geną nuo darant kopiją.
- Nukopijuoto geno sustabdymas nuo gaminantis baltymus.
- Blokavimas baltymo funkcija.
- Išsiskyrimas baltymas, kol jis dar negali veikti.
Epigenetika tiria, kaip reiškiasi genai, kas daro įtaką jų raiškai ir genus valdantiems mechanizmams. Jis žiūri į įtakos sluoksnį virš genetinio sluoksnio ir į tai, kaip šis sluoksnis nustato epigenetiniai pokyčiai kaip atrodo organizmas ir kaip jis elgiasi.
Kaip veikia epigenetinė modifikacija
Nors visos organizmo ląstelės turi tą patį genomą, ląstelės užima skirtingas funkcijas, atsižvelgdamos į tai, kaip jos reguliuoja savo genus. Organizmo lygmenyje organizmai gali turėti tą patį genetinį kodą, tačiau atrodo ir elgiasi skirtingai. Pavyzdžiui, žmonių atveju identiški dvyniai turi tą patį žmogaus genomą, tačiau, atsižvelgiant į tai, jie atrodys ir elgsis šiek tiek kitaip epigenetiniai pakitimai.
Toks epigenetinis poveikis gali skirtis priklausomai nuo daugelio vidinių ir išorinių veiksnių, įskaitant šiuos:
- Hormonai
- Augimo veiksniai
- Neuromediatoriai
- Transkripcijos veiksniai
- Cheminiai dirgikliai
- Aplinkos dirgikliai
Kiekvienas iš jų gali būti epigenetiniai veiksniai, skatinantys ar sutrikdantys genų ekspresiją ląstelėse. Toks epigenetinė kontrolė yra dar vienas būdas reguliuoti genų ekspresiją nekeičiant pagrindinio genetinio kodo.
Kiekvienu atveju keičiama bendra genų ekspresija. Vidiniai ir išoriniai veiksniai yra būtini genų ekspresijai arba gali blokuoti vieną iš etapų. Jei nėra reikiamo faktoriaus, pavyzdžiui, fermento, reikalingo baltymų gamybai, baltymų pasigaminti negalima.
Jei yra blokuojantis faktorius, atitinkama geno ekspresijos stadija negali veikti, o atitinkamo geno ekspresija yra blokuojama. Epigenetika reiškia, kad bruožas, užkoduotas geno DNR sekose, organizme gali nepasireikšti.
Epigenetiniai DNR prieigos apribojimai
Genomas yra užkoduotas plonose, ilgose DNR sekos molekulėse, kurios turi būti tvirtai suvyniotos sudėtingoje chromatino struktūroje, kad tilptų į mažus ląstelių branduolius.
Norėdami išreikšti geną, DNR nukopijuojama per a transkripcijos mechanizmas. A dalis DNR dviguba spiralė kuriame yra ekspresuojamas genas, šiek tiek atsukamas ir RNR molekulė padaro geną sudarančių DNR sekų kopiją.
DNR molekulės suvyniotos aplink specialius baltymus, vadinamus histonais. Histonus galima pakeisti taip, kad DNR būtų suvyniota daugiau ar mažiau stipriai.
Toks histono modifikacijos gali taip stipriai suvynioti DNR molekules, kad transkripcijos mechanizmas, sudarytas iš specialių fermentų ir aminorūgščių, negali pasiekti kopijavimo geno. Ribojant prieigą prie geno, modifikuojant histoną, gaunama epigenetinė geno kontrolė.
Papildomos epigenetinės histono modifikacijos
Be to, kad apriboti prieigą prie genų, histono baltymai gali būti keičiami, kad daugiau ar mažiau tvirtai prisijungtų prie aplink juos suvyniotų DNR molekulių. chromatinas struktūra. Tokios histono modifikacijos veikia transkripcijos mechanizmą, kurio funkcija yra padaryti ekspresuojamų genų RNR kopiją.
Histonų modifikacijos, turinčios įtakos genų ekspresijai tokiu būdu, yra šios:
- Metilinimas - prideda metilo grupę į histonus, padidindamas prisijungimą prie DNR ir sumažindamas genų ekspresiją.
- Fosforilinimas - prideda fosfatų grupių į histonus. Poveikis genų raiškai priklauso nuo sąveikos su metilinimu ir acetilinimu.
- Acetilinimas - histono acetilinimas sumažina prisijungimą ir padidina genų ekspresiją. Acetilo grupės pridedamos su histono acetiltransferazėmis (HAT).
- Dezacetilinimas - pašalina acetilo grupes, padidina prisijungimą ir sumažina genų ekspresiją naudojant histono deacetilazę.
Pakeitus histonus, kad padidėtų prisijungimas, konkretaus geno genetinio kodo negalima perrašyti ir genas nėra išreikštas. Sumažinus rišimąsi, galima padaryti daugiau genetinių kopijų arba jas lengviau. Tada specifinis genas yra ekspresuojamas, ir pagaminama vis daugiau jo koduojamo baltymo.
RNR gali trukdyti genų raiškai
Po to, kai geno DNR sekos nukopijuojamos į RNR seka, RNR molekulė palieka branduolį. Genetinėje sekoje užkoduotą baltymą gali gaminti mažų ląstelių gamyklos, vadinamos ribosomomis.
Operacijų grandinė yra tokia:
- DNR transkripcija į RNR
- RNR molekulė palieka branduolį
- RNR ląstelėje randa ribosomų
- RNR sekos vertimas į baltymų grandines
- Baltymų gamyba
Dvi pagrindinės RNR molekulės funkcijos yra transkripcija ir transliacija. Be RNR, naudojamos kopijuoti ir perduoti DNR sekas, ląstelės gali gaminti trukdžių RNR arba iRNR. Tai yra trumpos RNR sekos, vadinamos nekoduojanti RNR nes jie neturi jokių genus koduojančių sekų.
Jų funkcija yra trukdyti transkripcijai ir transliacijai, sumažinant genų ekspresiją. Tokiu būdu iRNR turi epigenetinį poveikį.
DNR metilinimas yra pagrindinis genų raiškos veiksnys
DNR metilinimo metu fermentai vadinami DNR metiltransferazės prijungti metilo grupes prie DNR molekulių. Norint suaktyvinti geną ir pradėti transkripcijos procesą, baltymas turi prisijungti prie DNR molekulės netoli pradžios. Metilo grupės dedamos tose vietose, kur paprastai prisijungia transkripcijos baltymas, taip blokuodamas transkripcijos funkciją.
Kai ląstelės dalijasi, ląstelės genomo DNR sekos nukopijuojamos vadinamuoju procesu DNR replikacija. Tas pats procesas naudojamas kuriant spermatozoidai ir kiaušinių ląstelės aukštesniuose organizmuose.
Daugelis veiksnių, reguliuojančių genų ekspresiją, prarandami kopijuojant DNR, tačiau daugybė DNR metilinimo modelių atkartojami nukopijuotose DNR molekulėse. Tai reiškia, kad genų ekspresijos reguliavimas, kurį sukelia DNR metilinimas gali būti paveldimas nors pagrindinės DNR sekos išlieka nepakitusios.
Kadangi DNR metilinimas reaguoja į tokius epigenetinius veiksnius kaip aplinka, mityba, chemikalai, stresas, tarša, gyvenimo būdo pasirinkimas ir radiacija, epigenetinės reakcijos dėl tokių veiksnių poveikio gali būti paveldimos per DNR metilinimas. Tai reiškia, kad be genealoginės įtakos individą formuoja ir tėvų elgesys bei aplinkos veiksniai, su kuriais jie susidūrė.
Epigenetikos pavyzdžiai: ligos
Ląstelės turi genus, kurie skatina ląstelių dalijimasis taip pat genai, slopinantys greitą, nekontroliuojamą ląstelių augimą, pavyzdžiui, navikų. Vadinami genai, sukeliantys navikų augimą onkogenai vadinamos tos, kurios apsaugo nuo navikų naviko slopinimo genai.
Žmogaus vėžį gali sukelti padidėjusi onkogenų ekspresija kartu su užblokuota naviko slopinimo genų ekspresija. Jei paveldima DNR metilinimo schema, atitinkanti šią geno išraišką, palikuonys gali būti labiau linkę į vėžį.
Jeigu storosios žarnos vėžys, sugedęs DNR metilinimo modelis gali būti perduodamas iš tėvų palikuonims. Pagal 1983 m. Tyrimą ir A. darbą. Feinbergas ir B. Vogelšteinas, storosios žarnos vėžiu sergančių pacientų DNR metilinimo modelis parodė padidėjusią naviko slopinimo genų metilaciją ir blokavimą, sumažėjus onkogenų metilinimui.
Taip pat gali būti naudojama epigenetika gydyti genetines ligas. Esant trapiam X sindromui trūksta X-chromosomos geno, kuris gamintų pagrindinį reguliuojantį baltymą. Baltymų nebuvimas reiškia, kad BRD4 baltymai, slopinantys intelekto vystymąsi, yra nekontroliuojami gaminami per daug. Ligai gydyti gali būti naudojami vaistai, slopinantys BRD4 ekspresiją.
Epigenetikos pavyzdžiai: elgesys
Epigenetika daro didelę įtaką ligoms, tačiau ji taip pat gali paveikti kitus organizmo bruožus, tokius kaip elgesys.
1988 m. McGill universiteto tyrime Michaelas Meany pastebėjo, kad žiurkės, kurių motinos jomis rūpinosi laižydamos ir atkreipdamos dėmesį, išaugo iš ramų suaugusiųjų. Žiurkės, kurių motinos jų nepaisė, tapo sunerimusiais suaugusiaisiais. Smegenų audinio analizė parodė, kad motinų elgesys sukėlė pokyčius smegenų ląstelių metilinimas žiurkių kūdikiams. Žiurkių palikuonių skirtumai atsirado dėl epigenetinio poveikio.
Kituose tyrimuose buvo nagrinėjamas bado poveikis. Kai motinos nėštumo metu patyrė badą, kaip buvo Olandijoje 1944 ir 1945 m., Jų vaikų turėjo daugiau nutukimo ir koronarinių ligų, palyginti su motinomis, kurioms neteko badas. Didesnė rizika buvo siejama su sumažėjusiu į insuliną panašaus augimo faktoriaus geno DNR metilinimu. Toks epigenetinis poveikis gali būti paveldima per kelias kartas.
Elgesio, kurį tėvai gali perduoti vaikams, poveikis gali būti toks:
- Tėvų dieta gali turėti įtakos palikuonių psichinei sveikatai.
- Tėvų daroma aplinka gali paveikti vaiko astmą.
- Motinos mitybos istorija gali turėti įtakos kūdikio gimimo dydžiui.
- Vyras, vartodamas perteklinį alkoholio kiekį, gali sukelti agresiją palikuonims.
- Tėvų poveikis kokainui gali pakenkti atminčiai.
Šie padariniai yra DNR metilinimo pokyčių, perduodamų palikuonims, rezultatai, tačiau jei šie veiksniai gali pakeisti tėvų DNR metilinimą, veiksniai, kuriuos patiria vaikai, gali pakeisti jų pačių DNR metilinimas. Skirtingai nuo genetinio kodo, vaikų DNR metilinimą gali pakeisti elgesys ir poveikis aplinkai vėlesniame amžiuje.
Kai DNR metilinimą veikia elgesys, DNR metilo žymės, kuriose gali prisijungti metilo grupės, gali taip pakeisti ir paveikti genų ekspresiją. Nors daugelis tyrimų, susijusių su genų raiška, buvo atlikti prieš daugelį metų, tik visai neseniai rezultatai buvo susieti su a auganti epigenetinių tyrimų apimtis. Šie tyrimai rodo, kad epigenetikos vaidmuo organizmams gali turėti tokią pat didelę įtaką kaip pagrindinis genetinis kodas.