Epigenetica: definitie, hoe het werkt, voorbeelden

De genetische informatie voor een organisme is gecodeerd in het DNA van de chromosomen van het organisme, maar er zijn andere invloeden aan het werk. De DNA sequenties die een gen vormen, zijn mogelijk niet actief of zijn mogelijk geblokkeerd. De kenmerken van een organisme worden bepaald door zijn genen, maar of de genen daadwerkelijk de gecodeerde eigenschap creëren, wordt genoemd genexpressie.

Veel factoren kunnen genexpressie beïnvloeden en bepalen of het gen zijn karakteristiek helemaal of soms slechts zwak produceert. Wanneer genexpressie wordt beïnvloed door hormonen of enzymen, wordt het proces genregulatie genoemd.

Epigenetica bestudeert de moleculaire biologie van genregulatie en de andere epigenetische invloeden op genexpressie. In principe is elke invloed die het effect van DNA-sequenties wijzigt zonder de DNA-code te veranderen onderwerp van epigenetica.

Epigenetica is het proces waardoor genetische instructies in de DNA van organismen worden beïnvloed door

Een gen drukt zichzelf uit door een kopie van zichzelf te maken en de kopie de cel in te sturen om het eiwit te produceren dat in zijn DNA-sequenties wordt gecodeerd. Het eiwit, alleen of in combinatie met andere eiwitten, produceert een specifiek organisme-kenmerk. Als het gen wordt geblokkeerd om het eiwit te produceren, zal het organisme-kenmerk niet verschijnen.

Epigenetica bekijkt hoe het gen kan worden geblokkeerd om zijn eiwit te produceren en hoe het weer kan worden ingeschakeld als het wordt geblokkeerd. Onder de velen epigenetische mechanismen die genexpressie kunnen beïnvloeden zijn de volgende:

• Deactiveren het gen.
• Het gen stoppen van een kopie maken.
• Het gekopieerde gen stoppen van het produceren van het eiwit.
• Blokkeren van de functie van eiwit.
• Uit elkaar gaan het eiwit voordat het kan werken.

Epigenetica bestudeert hoe genen tot expressie worden gebracht, wat hun expressie beïnvloedt en de mechanismen die genen aansturen. Er wordt gekeken naar de invloedslaag boven de genetische laag en hoe deze laag bepaalt epigenetische veranderingen in hoe een organisme eruit ziet en hoe het zich gedraagt.

Hoewel alle cellen in een organisme hetzelfde genoom hebben, nemen de cellen verschillende functies aan op basis van hoe ze hun genen reguleren. Op organismeniveau kunnen organismen dezelfde genetische code hebben, maar er anders uitzien en zich anders gedragen. In het geval van mensen hebben identieke tweelingen bijvoorbeeld hetzelfde menselijke genoom, maar zullen ze er iets anders uitzien en zich iets anders gedragen, afhankelijk van epigenetische veranderingen.

Dergelijke epigenetische effecten kunnen variëren afhankelijk van vele interne en externe factoren, waaronder de volgende:

• Hormonen
• Groeifactoren
• Neurotransmitters
• Transcriptiefactoren
• Chemische stimuli
• omgevingsstimuli
  

Elk van deze kunnen epigenetische factoren zijn die genexpressie in de cellen bevorderen of verstoren. zo'n epigenetische controle is een andere manier om genexpressie te reguleren zonder de onderliggende genetische code te veranderen.

In elk geval wordt de algehele genexpressie veranderd. De interne en externe factoren zijn ofwel vereist voor genexpressie, of ze kunnen een van de stadia blokkeren. Als een vereiste factor, zoals een enzym dat nodig is voor eiwitproductie, ontbreekt, kan het eiwit niet worden geproduceerd.

Als er een blokkerende factor aanwezig is, kan het overeenkomstige genexpressiestadium niet functioneren en wordt de expressie van het betreffende gen geblokkeerd. Epigenetica betekent dat een eigenschap die is gecodeerd in de DNA-sequenties van een gen mogelijk niet in het organisme voorkomt.

Het genoom is gecodeerd in dunne, lange moleculen van DNA-sequenties die strak in een gecompliceerde chromatinestructuur moeten worden gewikkeld om in kleine celkernen te passen.

Om een ​​gen tot expressie te brengen, wordt het DNA gekopieerd via a transcriptiemechanisme. Het deel van een DNA dubbele helix dat het tot expressie te brengen gen bevat, wordt lichtjes afgewikkeld en een RNA-molecuul maakt een kopie van de DNA-sequenties waaruit het gen bestaat.

De DNA-moleculen zijn gewikkeld rond speciale eiwitten die histonen worden genoemd. De histonen kunnen worden veranderd zodat het DNA min of meer strak wordt gewikkeld.

zo'n histon-modificaties kunnen ertoe leiden dat DNA-moleculen zo strak worden gewikkeld dat het transcriptiemechanisme, dat bestaat uit speciale enzymen en aminozuren, het te kopiëren gen niet kan bereiken. Het beperken van de toegang tot een gen door middel van histonmodificatie resulteert in epigenetische controle van het gen.

Naast het beperken van de toegang tot genen, kunnen histon-eiwitten worden veranderd om min of meer stevig te binden aan de DNA-moleculen die eromheen zijn gewikkeld in de chromatine structuur. Dergelijke histonmodificaties beïnvloeden het transcriptiemechanisme waarvan de functie is om een ​​RNA-kopie te maken van de genen die tot expressie moeten worden gebracht.

Histon-modificaties die de genexpressie op deze manier beïnvloeden, zijn onder meer:

• methylering - voegt een methylgroep toe aan histonen, verhoogt de binding aan DNA en vermindert de genexpressie.
• Fosforylering - voegt fosfaatgroepen toe aan histonen. Het effect op genexpressie hangt af van interactie met methylering en acetylering.
• Acetyleatie - histonacetylering vermindert de binding en reguleert de genexpressie. De acetylgroepen worden toegevoegd met histonacetyltransferasen (HAT's).
• De-acetylering - verwijdert acetylgroepen, verhoogt binding en vermindert genexpressie met histondeacetylase.

Wanneer histonen worden veranderd om de binding te vergroten, kan de genetische code voor een specifiek gen niet worden getranscribeerd en wordt het gen niet tot expressie gebracht. Wanneer binding wordt verminderd, kunnen meer genetische kopieën worden gemaakt, of kunnen ze gemakkelijker worden gemaakt. Het specifieke gen wordt dan tot expressie gebracht en er wordt steeds meer van zijn gecodeerde eiwit geproduceerd.

Nadat de DNA-sequenties van een gen zijn gekopieerd naar een RNA-sequentie, de RNA-molecuul verlaat de kern. Het eiwit dat in de genetische sequentie wordt gecodeerd, kan worden geproduceerd door kleine celfabrieken die ribosomen worden genoemd.

De keten van operaties is als volgt:

1. DNA-transcriptie naar RNA
2. RNA-molecuul verlaat de kern
3. RNA vindt ribosomen in de cel
4. RNA-sequentietranslatie naar eiwitketens
5. Eiwitproductie

De twee belangrijkste functies van een RNA-molecuul zijn transcriptie en translatie. Naast het RNA dat wordt gebruikt om de DNA-sequenties te kopiëren en over te dragen, kunnen cellen interferentie RNA of iRNA. Dit zijn korte strengen van RNA-sequenties die niet-coderend RNA omdat ze geen sequenties hebben die voor genen coderen.

Hun functie is om te interfereren met transcriptie en translatie, waardoor genexpressie wordt verminderd. Op deze manier heeft iRNA een epigenetische werking.

Tijdens DNA-methylatie worden enzymen genoemd DNA-methyltransferasen hechten methylgroepen aan DNA-moleculen. Om een ​​gen te activeren en het transcriptieproces te starten, moet een eiwit zich nabij het begin aan het DNA-molecuul hechten. De methylgroepen worden geplaatst op de plaatsen waar een transcriptie-eiwit normaal zou hechten, waardoor de transcriptiefunctie wordt geblokkeerd.

Wanneer cellen zich delen, worden de DNA-sequenties van het genoom van de cel gekopieerd in een proces genaamd DNA-replicatie. Hetzelfde proces wordt gebruikt om te creëren sperma en eicellen in hogere organismen.

Veel van de factoren die genexpressie reguleren, gaan verloren wanneer het DNA wordt gekopieerd, maar veel van de DNA-methyleringspatronen worden gerepliceerd in de gekopieerde DNA-moleculen. Dit betekent dat de regulatie van genexpressie veroorzaakt door DNA-methylatie kan worden overgeërfd ook al blijven de onderliggende DNA-sequenties onveranderd.

Omdat DNA-methylatie reageert op epigenetische factoren zoals omgeving, voeding, chemicaliën, stress, vervuiling, levensstijlkeuzes en straling, kunnen de epigenetische reacties van blootstelling aan dergelijke factoren worden geërfd via DNA methylering. Dit betekent dat een individu, naast genealogische invloeden, wordt gevormd door het gedrag van de ouders en de omgevingsfactoren waaraan zij zijn blootgesteld.

Cellen hebben genen die bevorderen celverdeling evenals genen die snelle, ongecontroleerde celgroei onderdrukken, zoals in tumoren. Genen die de groei van tumoren veroorzaken, worden genoemd oncogenen en degenen die tumoren voorkomen worden genoemd tumorsuppressorgenen.

Menselijke kankers kunnen worden veroorzaakt door de verhoogde expressie van oncogenen in combinatie met de geblokkeerde expressie van tumorsuppressorgenen. Als het DNA-methylatiepatroon dat overeenkomt met deze genexpressie wordt geërfd, kunnen de nakomelingen een verhoogde vatbaarheid voor kanker hebben.

In het geval van colorectale kanker, kan een defect DNA-methylatiepatroon van ouders op nakomelingen worden doorgegeven. Volgens een studie en paper uit 1983 van A. Feinberg en B. Vogelstein toonde het DNA-methylatiepatroon van colorectale kankerpatiënten verhoogde methylatie en blokkering van tumorsuppressorgenen met een verminderde methylatie van oncogenen.

Epigenetica kan ook worden gebruikt om te helpen genetische ziekten behandelen. Bij het fragiele X-syndroom ontbreekt een X-chromosoomgen dat een belangrijk regulerend eiwit produceert. De afwezigheid van het eiwit betekent dat het BRD4-eiwit, dat de intellectuele ontwikkeling remt, op een ongecontroleerde manier in overmaat wordt geproduceerd. Geneesmiddelen die de expressie van BRD4 remmen, kunnen worden gebruikt om de ziekte te behandelen.

Epigenetica heeft een grote invloed op ziekte, maar het kan ook andere eigenschappen van organismen beïnvloeden, zoals gedrag.

In een onderzoek uit 1988 aan de McGill University merkte Michael Meany op dat ratten van wie de moeder voor hen zorgde door ze te likken en aandacht aan hen te schenken, zich ontwikkelden tot kalme volwassenen. Ratten van wie de moeder hen negeerde, werden angstige volwassenen. Een analyse van hersenweefsel toonde aan dat het gedrag van de moeders veranderingen veroorzaakte in de methylering van hersencellen bij de babyratten. De verschillen in nakomelingen van ratten waren het resultaat van epigenetische effecten.

Andere studies hebben gekeken naar het effect van hongersnood. Toen moeders tijdens de zwangerschap werden blootgesteld aan hongersnood, zoals het geval was in Nederland in 1944 en 1945, kinderen hadden een hogere incidentie van obesitas en hart- en vaatziekten in vergelijking met moeders die niet werden blootgesteld aan hongersnood. De hogere risico's waren terug te voeren op verminderde DNA-methylatie van een gen dat een insuline-achtige groeifactor produceert. zo'n epigenetische effecten kan over meerdere generaties worden geërfd.

Effecten van gedrag dat van ouders op kinderen en verder kan worden overgedragen, kunnen het volgende omvatten:

• Het dieet van ouders kan de geestelijke gezondheid van het nageslacht beïnvloeden.
• Blootstelling van het milieu aan vervuiling bij ouders kan van invloed zijn op astma bij kinderen.
• De voedingsgeschiedenis van de moeder kan de geboortegrootte van de baby beïnvloeden.
• Overmatig alcoholgebruik door de mannelijke ouder kan agressie veroorzaken bij het nageslacht.
• Blootstelling van ouders aan cocaïne kan het geheugen beïnvloeden.

Deze effecten zijn het resultaat van veranderingen in de DNA-methylatie die worden doorgegeven aan het nageslacht, maar als deze factoren kunnen DNA-methylatie bij ouders veranderen, de factoren die de kinderen ervaren, kunnen hun eigen DNA veranderen methylering. In tegenstelling tot de genetische code kan DNA-methylatie bij kinderen worden veranderd door gedrag en blootstelling aan de omgeving op latere leeftijd.

Wanneer DNA-methylatie wordt beïnvloed door gedrag, kunnen de methylmarkeringen op DNA waar de methylgroepen zich aan kunnen hechten, op die manier de genexpressie veranderen en beïnvloeden. Hoewel veel van de onderzoeken die betrekking hebben op genexpressie dateren van vele jaren geleden, zijn de resultaten pas recentelijk in verband gebracht met een groeiende hoeveelheid epigenetisch onderzoek. Dit onderzoek toont aan dat de rol van epigenetica een even krachtige invloed kan hebben op organismen als de onderliggende genetische code.