Epigenetyka: definicja, jak to działa, przykłady

Informacja genetyczna organizmu jest zakodowana w DNA chromosomów organizmu, ale działają też inne czynniki. Sekwencje DNA tworzenie genu może nie być aktywne lub może być zablokowane. Cechy organizmu są określane przez jego geny, ale to, czy geny faktycznie tworzą zakodowaną cechę, nazywa się Ekspresja genu.

Wiele czynników może wpływać na ekspresję genów, decydując o tym, czy gen wytwarza w ogóle swoją charakterystykę, czy czasami tylko słabo. Kiedy na ekspresję genów wpływają hormony lub enzymy, proces ten nazywa się regulacją genów.

Epigenetyka zajmuje się biologią molekularną regulacji genów i innych wpływy epigenetyczne na ekspresję genów. W zasadzie każdy wpływ, który modyfikuje działanie sekwencji DNA bez zmiany kodu DNA, jest przedmiotem epigenetyki.

Epigenetyka to proces, przez który instrukcje genetyczne zawarte w DNA organizmów jest pod wpływem czynniki niegenetyczne. Podstawową metodą procesów epigenetycznych jest kontrola ekspresji genów. Niektóre mechanizmy kontrolne są tymczasowe, ale inne są bardziej trwałe i można je dziedziczyć poprzez

Gen wyraża się, tworząc swoją kopię i wysyłając ją do komórki w celu wytworzenia białka zakodowanego w jego sekwencjach DNA. Białko, samo lub w połączeniu z innymi białkami, daje specyficzną charakterystykę organizmu. Jeśli gen nie może produkować białka, nie pojawi się charakterystyka organizmu.

Epigenetyka analizuje, w jaki sposób gen może zostać zablokowany przed wytwarzaniem białka i jak można go ponownie włączyć, jeśli zostanie zablokowany. Wśród wielu mechanizmy epigenetyczne które mogą wpływać na ekspresję genów są następujące:

• Dezaktywacja gen.
• Zatrzymanie genu przed robienie kopii.
• Zatrzymanie skopiowanego genu z produkcja białka.
• Blokowanie funkcja białka.
• Zerwać białko, zanim zacznie działać.

Epigenetyka bada, w jaki sposób geny są wyrażane, co wpływa na ich ekspresję i mechanizmy kontrolujące geny. Przygląda się warstwie wpływu nad warstwą genetyczną i temu, jak ta warstwa determinuje zmiany epigenetyczne jak wygląda organizm i jak się zachowuje.

Chociaż wszystkie komórki w organizmie mają ten sam genom, komórki przyjmują różne funkcje w zależności od tego, jak regulują swoje geny. Na poziomie organizmu organizmy mogą mieć ten sam kod genetyczny, ale wyglądać i zachowywać się inaczej. Na przykład w przypadku ludzi bliźnięta jednojajowe mają ten sam ludzki genom, ale będą wyglądać i zachowywać się nieco inaczej, w zależności od zmiany epigenetyczne.

Takie efekty epigenetyczne mogą się różnić w zależności od wielu czynników wewnętrznych i zewnętrznych, w tym następujących:

• Hormony
• Czynniki wzrostowe
• Neuroprzekaźniki
• Czynniki transkrypcyjne
• Bodźce chemiczne
• Bodźce środowiskowe
  

Każdy z nich może być czynnikami epigenetycznymi, które promują lub zakłócają ekspresję genów w komórkach. Taki kontrola epigenetyczna to kolejny sposób regulowania ekspresji genów bez zmiany podstawowego kodu genetycznego.

W każdym przypadku zmienia się ogólna ekspresja genów. Czynniki wewnętrzne i zewnętrzne są albo wymagane do ekspresji genów, albo mogą blokować jeden z etapów. Jeśli brakuje wymaganego czynnika, takiego jak enzym potrzebny do produkcji białka, białko nie może zostać wyprodukowane.

Jeśli obecny jest czynnik blokujący, odpowiedni etap ekspresji genu nie może funkcjonować, a ekspresja odpowiedniego genu jest zablokowana. Epigenetyka oznacza, że ​​cecha zakodowana w sekwencjach DNA genu może nie występować w organizmie.

Genom jest zakodowany w cienkich, długich cząsteczkach sekwencji DNA, które muszą być ciasno zwinięte w skomplikowaną strukturę chromatyny, aby dopasować się do jądra maleńkich komórek.

Aby dokonać ekspresji genu, DNA jest kopiowane przez a mechanizm transkrypcji. Część Podwójna helisa DNA który zawiera gen, który ma ulegać ekspresji, jest lekko rozwinięty, a cząsteczka RNA tworzy kopię sekwencji DNA tworzących gen.

Cząsteczki DNA są owinięte wokół specjalnych białek zwanych histonami. Histony można zmienić tak, że DNA jest mniej lub bardziej ciasno nawinięte.

Taki modyfikacje histonów może skutkować tak ciasnym nawinięciem cząsteczek DNA, że mechanizm transkrypcji złożony ze specjalnych enzymów i aminokwasów nie może dotrzeć do genu, który ma zostać skopiowany. Ograniczenie dostępu do genu poprzez modyfikację histonów skutkuje kontrolą epigenetyczną genu.

Oprócz ograniczania dostępu do genów, białka histonowe można zmienić tak, aby wiązały się mniej lub bardziej ściśle z cząsteczkami DNA owiniętymi wokół nich w chromatyna Struktura. Takie modyfikacje histonów wpływają na mechanizm transkrypcji, którego funkcją jest tworzenie kopii RNA eksprymowanych genów.

Modyfikacje histonów, które wpływają w ten sposób na ekspresję genów, obejmują:

• Metylacja - dodaje grupę metylową do histonów, zwiększając wiązanie z DNA i zmniejszając ekspresję genów.
• Fosforylacja - dodaje grupy fosforanowe do histonów. Wpływ na ekspresję genów zależy od interakcji z metylacją i acetylacją.
• Acetylowanie - acetylacja histonów zmniejsza wiązanie i zwiększa ekspresję genów. Grupy acetylowe dodaje się z acetylotransferazami histonowymi (HAT).
• Deacetylacja - usuwa grupy acetylowe, zwiększa wiązanie i zmniejsza ekspresję genów za pomocą deacetylazy histonowej.

Kiedy histony są zmieniane w celu zwiększenia wiązania, kod genetyczny określonego genu nie może zostać przepisany, a gen nie ulega ekspresji. Gdy wiązanie jest zmniejszone, można wykonać więcej kopii genetycznych lub można je wykonać łatwiej. Specyficzny gen jest następnie wyrażany, a coraz więcej jego kodowanego białka jest produkowane.

Po skopiowaniu sekwencji DNA genu do Sekwencja RNA, Cząsteczka RNA opuszcza jądro. Białko zakodowane w sekwencji genetycznej może być produkowane przez małe fabryki komórek zwane rybosomami.

Łańcuch operacji przedstawia się następująco:

1. Transkrypcja DNA do RNA
2. Cząsteczka RNA opuszcza jądro
3. RNA znajduje rybosomy w komórce
4. Translacja sekwencji RNA do łańcuchów białkowych
5. Produkcja białka

Dwie kluczowe funkcje cząsteczki RNA to transkrypcja i translacja. Oprócz RNA używanego do kopiowania i przenoszenia sekwencji DNA, komórki mogą wytwarzać interferencyjne RNA lub iRNA. Są to krótkie nici sekwencji RNA zwane niekodujący RNA ponieważ nie mają żadnych sekwencji kodujących geny.

Ich funkcją jest zakłócanie transkrypcji i translacji, zmniejszając ekspresję genów. W ten sposób iRNA ma działanie epigenetyczne.

Podczas metylacji DNA enzymy zwane metylotransferazy DNA przyłączać grupy metylowe do cząsteczek DNA. Aby aktywować gen i rozpocząć proces transkrypcji, białko musi przyłączyć się do cząsteczki DNA w pobliżu początku. Grupy metylowe są umieszczane w miejscach, w których normalnie przyłącza się białko transkrypcyjne, blokując w ten sposób funkcję transkrypcji.

Kiedy komórki dzielą się, sekwencje DNA genomu komórki są kopiowane w procesie zwanym replikacja DNA. Ten sam proces jest używany do tworzenia sperma i komórki jajowe w organizmach wyższych.

Wiele czynników regulujących ekspresję genów jest traconych podczas kopiowania DNA, ale wiele wzorców metylacji DNA jest replikowanych w skopiowanych cząsteczkach DNA. Oznacza to, że regulacja ekspresji genów spowodowana przez Metylację DNA można dziedziczyć nawet jeśli podstawowe sekwencje DNA pozostają niezmienione.

Ponieważ metylacja DNA reaguje na czynniki epigenetyczne, takie jak środowisko, dieta, chemikalia, stres, zanieczyszczenia, wybory stylu życia i promieniowanie, reakcje epigenetyczne wynikające z ekspozycji na takie czynniki mogą być dziedziczone przez DNA metylacja. Oznacza to, że oprócz wpływów genealogicznych, jednostkę kształtują zachowania rodziców i czynniki środowiskowe, na które byli narażeni.

Komórki mają geny, które promują podział komórek a także geny, które hamują szybki, niekontrolowany wzrost komórek, takich jak nowotwory. Geny powodujące wzrost guzów nazywane są are onkogeny a te, które zapobiegają nowotworom, nazywają się geny supresorowe guza.

Nowotwory u ludzi mogą być spowodowane zwiększoną ekspresją onkogenów w połączeniu z zablokowaniem ekspresji genów supresorowych nowotworów. Jeśli wzorzec metylacji DNA odpowiadający tej ekspresji genu jest dziedziczny, potomstwo może mieć zwiększoną podatność na raka.

W przypadku rak jelita grubego, wadliwy wzorzec metylacji DNA może być przekazywany z rodziców na potomstwo. Według badania i artykułu z 1983 roku A. Feinberga i B. Vogelstein, wzorzec metylacji DNA pacjentów z rakiem jelita grubego wykazał zwiększoną metylację i blokowanie genów supresorowych guza ze zmniejszoną metylacją onkogenów.

Pomocna może być również epigenetyka leczyć choroby genetyczne. W zespole łamliwego chromosomu X brakuje genu chromosomu X, który wytwarza kluczowe białko regulatorowe. Brak białka oznacza, że ​​białko BRD4, które hamuje rozwój intelektualny, jest wytwarzane w nadmiarze w niekontrolowany sposób. Do leczenia choroby można stosować leki hamujące ekspresję BRD4.

Epigenetyka ma duży wpływ na choroby, ale może również wpływać na inne cechy organizmu, takie jak zachowanie.

W badaniu z 1988 roku na McGill University Michael Meany zaobserwował, że szczury, których matki opiekowały się nimi, liżąc i zwracając na nie uwagę, wykształciły się w spokojnych dorosłych. Szczury, których matki ignorowały, stały się niespokojnymi dorosłymi. Analiza tkanki mózgowej wykazała, że ​​zachowanie matek powodowało zmiany w metylacja komórek mózgowych w małych szczurach. Różnice w potomstwie szczurów były wynikiem efektów epigenetycznych.

Inne badania dotyczyły skutków głodu. Kiedy matki były narażone na głód w czasie ciąży, jak miało to miejsce w Holandii w 1944 i 1945 roku, ich dzieci miały większą częstość występowania otyłości i choroby wieńcowej w porównaniu z matkami nie narażonymi na głód. Wyższe ryzyko przypisano zmniejszonej metylacji DNA genu wytwarzającego insulinopodobny czynnik wzrostu. Taki efekty epigenetyczne może być dziedziczona przez kilka pokoleń.

Skutki zachowania, które mogą być przekazywane z rodziców na dzieci i dalej, mogą obejmować:

• Dieta rodziców może wpływać na zdrowie psychiczne potomstwa.
• Narażenie rodziców na zanieczyszczenia środowiskowe może wpływać na astmę dziecięcą.
• Historia żywienia matki może wpływać na wielkość urodzeniową niemowlęcia.
• Spożywanie nadmiaru alkoholu przez rodzica płci męskiej może powodować agresję u potomstwa.
• Narażenie rodziców na kokainę może wpływać na pamięć.

Efekty te są wynikiem zmian w metylacji DNA przeniesionych na potomstwo, ale jeśli te czynniki mogą: zmienić metylację DNA u rodziców, czynniki, których doświadczają dzieci, mogą zmienić ich własne DNA metylacja. W przeciwieństwie do kodu genetycznego, metylacja DNA u dzieci może zostać zmieniona przez zachowanie i ekspozycję środowiskową w późniejszym życiu.

Kiedy na metylację DNA wpływa zachowanie, znaczniki metylowe na DNA, do których mogą przyłączać się grupy metylowe, mogą się zmienić i w ten sposób wpływać na ekspresję genów. Chociaż wiele badań dotyczących ekspresji genów datuje się wiele lat temu, dopiero niedawno wyniki powiązano z rosnący wolumen badań epigenetycznych. Badania te pokazują, że rola epigenetyki może mieć równie silny wpływ na organizmy, jak leżący u ich podstaw kod genetyczny.