Epigenetica: definiție, modul în care funcționează, exemple

Informațiile genetice pentru un organism sunt codificate în ADN-ul cromozomilor organismului, dar există și alte influențe la locul de muncă. Secvențe ADN alcătuirea unei gene poate să nu fie activă sau să fie blocată. Caracteristicile unui organism sunt determinate de genele sale, dar dacă genele creează efectiv caracteristica codificată se numește expresia genelor.

Mulți factori pot influența exprimarea genelor, determinând dacă gena își produce caracteristica sau chiar uneori doar slab. Când expresia genică este influențată de hormoni sau enzime, procesul se numește reglarea genelor.

Epigenetica studiază biologia moleculară a reglării genelor și cealaltă influențele epigenetice asupra expresiei genice. Practic, orice influență care modifică efectul secvențelor ADN fără a schimba codul ADN este un subiect pentru epigenetică.

Epigenetica este procesul prin care instrucțiunile genetice conținute în ADN de organisme sunt influențate de factori non-genetici

O genă se exprimă făcând o copie a sa și trimitând copia în celulă pentru a produce proteina codificată în secvențele sale de ADN. Proteina, fie singură, fie în combinație cu alte proteine, produce o caracteristică specifică a organismului. Dacă gena este blocată să producă proteina, caracteristica organismului nu va apărea.

Epigenetica se uită la modul în care gena poate fi blocată de la producerea proteinelor sale și la modul în care poate fi repornită dacă este blocată. Dintre multe mecanisme epigenetice care pot influența expresia genelor sunt următoarele:

• Dezactivarea gena.
• Oprirea genei de la făcând o copie.
• Oprirea genei copiate de la producând proteina.
• Blocarea funcția proteinei.
• Despărțire proteina înainte de a putea funcționa.

Epigenetica studiază modul în care sunt exprimate genele, ce influențează exprimarea lor și mecanismele care controlează genele. Se uită la stratul de influență de deasupra stratului genetic și la modul în care se determină acest strat modificări epigenetice în ce arată un organism și cum se comportă.

Deși toate celulele dintr-un organism au același genom, celulele își asumă funcții diferite pe baza modului în care își reglează genele. La nivel de organism, organismele pot avea același cod genetic, dar arată și se comportă diferit. În cazul oamenilor, de exemplu, gemenii identici au același genom uman, dar vor arăta și se vor comporta ușor diferit, în funcție de alterări epigenetice.

Astfel de efecte epigenetice pot varia în funcție de mulți factori interni și externi, inclusiv următorii:

• Hormoni
• Factori de creștere
• Neurotransmițători
• Factori de transcriere
• Stimuli chimici
• Stimuli de mediu
  

Fiecare dintre aceștia pot fi factori epigenetici care promovează sau perturbă expresia genelor în celule. Astfel de controlul epigenetic este un alt mod de a regla expresia genelor fără a modifica codul genetic subiacent.

În fiecare caz, expresia generală a genei este modificată. Factorii interni și externi sunt fie necesari pentru exprimarea genelor, fie pot bloca una dintre etape. Dacă un factor necesar, cum ar fi o enzimă necesară pentru producția de proteine, este absent, proteina nu poate fi produsă.

Dacă este prezent un factor de blocare, stadiul corespunzător de exprimare a genei nu poate funcționa și expresia genei relevante este blocată. Epigenetica înseamnă că o trăsătură care este codificată în secvențele ADN ale unei gene poate să nu apară în organism.

Genomul este codificat în molecule subțiri, lungi, de secvențe de ADN care trebuie înfășurate strâns într-o structură complicată a cromatinei pentru a se încadra în nuclee celulare minuscule.

Pentru a exprima o genă, ADN-ul este copiat prin intermediul unui mecanism de transcriere. Partea unui ADN dublu helix care conține gena care trebuie exprimată este derulată ușor și o moleculă de ARN face o copie a secvențelor de ADN care alcătuiesc gena.

Moleculele ADN sunt înfășurate în jurul unor proteine ​​speciale numite histone. Histonele pot fi schimbate astfel încât ADN-ul să fie înfășurat mai mult sau mai puțin strâns.

Astfel de modificări histonice poate duce la înfășurarea moleculelor de ADN atât de strâns încât mecanismul de transcripție, format din enzime speciale și aminoacizi, nu poate ajunge la gena de copiat. Limitarea accesului la o genă prin modificarea histonelor are ca rezultat controlul epigenetic al genei.

Pe lângă limitarea accesului la gene, proteinele histonice pot fi schimbate pentru a se lega mai mult sau mai puțin strâns de moleculele de ADN înfășurate în jurul lor în cromatină structura. Astfel de modificări ale histonelor afectează mecanismul de transcripție a cărui funcție este de a face o copie ARN a genelor care urmează să fie exprimate.

Modificările histonice care afectează expresia genelor în acest mod includ următoarele:

• Metilare - adaugă o grupare metil la histone, crescând legarea la ADN și reducând expresia genelor.
• Fosforilarea - adaugă grupări fosfat la histone. Efectul asupra expresiei genelor depinde de interacțiunea cu metilarea și acetilarea.
• Acetileația - acetilarea histonei reduce legarea și reglează în sus expresia genelor. Grupurile acetil sunt adăugate cu histon acetiltransferaze (HAT).
• De-acetilare - elimină grupările acetil, crește legarea și reduce expresia genelor cu histon deacetilaza.

Când histonele sunt schimbate pentru a crește legarea, codul genetic pentru o genă specifică nu poate fi transcris și gena nu este exprimată. Când legarea este redusă, se pot face mai multe copii genetice sau pot fi făcute mai ușor. Gena specifică este apoi exprimată din ce în ce mai multă proteină codificată este produsă.

După ce secvențele ADN ale unei gene sunt copiate într-un Secvența ARN, Molecula de ARN părăsește nucleul. Proteina codificată în secvența genetică poate fi produsă de fabrici de celule mici numite ribozomi.

Lanțul de operațiuni este după cum urmează:

1. Transcrierea ADN la ARN
2. Molecula de ARN părăsește nucleul
3. ARN găsește ribozomi în celulă
4. Traducerea secvenței ARN în lanțuri proteice
5. Producția de proteine

Cele două funcții cheie ale unei molecule de ARN sunt transcrierea și traducerea. Pe lângă ARN-ul folosit pentru a copia și transfera secvențele ADN, celulele pot produce ARN de interferență sau ARNr. Acestea sunt șiruri scurte de secvențe de ARN numite ARN necodificator deoarece nu au secvențe care codifică gene.

Funcția lor este de a interfera cu transcrierea și traducerea, reducând expresia genelor. În acest fel, iARN are un efect epigenetic.

În timpul metilării ADN-ului, enzimele se numesc ADN metiltransferaze atașează grupări metil la moleculele ADN. Pentru a activa o genă și a începe procesul de transcripție, o proteină trebuie să se atașeze la molecula de ADN aproape de început. Grupările metil sunt plasate în locațiile în care s-ar atașa în mod normal o proteină de transcripție, blocând astfel funcția de transcripție.

Când celulele se divid, secvențele ADN ale genomului celulei sunt copiate într-un proces numit Replicarea ADN-ului. Același proces este folosit pentru a crea spermă și celulele ou în organismele superioare.

Mulți dintre factorii care reglează expresia genelor se pierd atunci când ADN-ul este copiat, dar o mulțime de modele de metilare a ADN-ului sunt reproduse în moleculele de ADN copiate. Aceasta înseamnă că reglarea expresiei genice cauzată de Metilarea ADN-ului poate fi moștenită chiar dacă secvențele ADN subiacente rămân neschimbate.

Deoarece metilarea ADN răspunde la factori epigenetici precum mediul, dieta, substanțele chimice, stresul, poluarea, alegerile stilului de viață și radiațiile, reacțiile epigenetice de la expunerea la astfel de factori pot fi moștenite prin ADN metilare. Aceasta înseamnă că, pe lângă influențele genealogice, un individ este modelat de comportamentul părinților și de factorii de mediu la care au fost expuși.

Celulele au gene care promovează diviziune celulara precum și gene care suprimă creșterea rapidă, necontrolată a celulelor, cum ar fi tumorile. Genele care cauzează creșterea tumorilor sunt numite oncogene iar cele care previn tumorile sunt numite gene supresoare tumorale.

Cancerele umane pot fi cauzate de expresia crescută a oncogenelor cuplată cu expresia blocată a genelor supresoare tumorale. Dacă modelul de metilare a ADN corespunzător acestei expresii genetice este moștenit, descendenții pot avea o susceptibilitate crescută la cancer.

În cazul în care cancer colorectal, un model defect de metilare a ADN-ului poate fi transmis de la părinți la descendenți. Potrivit unui studiu și lucrare din 1983 de A. Feinberg și B. Vogelstein, modelul de metilare a ADN-ului pacienților cu cancer colorectal a arătat o metilare crescută și blocarea genelor supresoare tumorale cu o metilare scăzută a oncogenelor.

Epigenetica poate fi folosită și pentru a ajuta tratarea bolilor genetice. În Sindromul X fragil, lipsește o genă a cromozomului X care produce o proteină reglatoare cheie. Absența proteinei înseamnă că proteina BRD4, care inhibă dezvoltarea intelectuală, este produsă în exces într-un mod necontrolat. Medicamentele care inhibă expresia BRD4 pot fi utilizate pentru tratarea bolii.

Epigenetica are o influență majoră asupra bolilor, dar poate afecta și alte trăsături ale organismului, cum ar fi comportamentul.

Într-un studiu realizat în 1988 la Universitatea McGill, Michael Meany a observat că șobolanii ale căror mame le îngrijeau lingându-le și acordându-le atenție s-au transformat în adulți calmi. Șobolani ale căror mame le ignoră au devenit adulți anxioși. O analiză a țesutului cerebral a arătat că comportamentul mamelor a provocat modificări în metilarea celulelor creierului la șobolanii bebeluși. Diferențele la descendenții șobolanilor au fost rezultatul efectelor epigenetice.

Alte studii au analizat efectul foametei. Când mamele au fost expuse la foamete în timpul sarcinii, așa cum a fost cazul în Olanda în 1944 și 1945, lor copiii au avut o incidență mai mare a obezității și a bolilor coronariene în comparație cu mamele care nu au fost expuse foamete. Riscurile mai mari au fost determinate de metilarea ADN redusă a unei gene care produce un factor de creștere asemănător insulinei. Astfel de efecte epigenetice poate fi moștenit de-a lungul mai multor generații.

Efectele comportamentului care pot fi transmise de la părinți la copii și mai departe pot include următoarele:

• Dieta părinților poate influența sănătatea mintală a descendenților.
• Expunerea mediului la poluare la părinți poate afecta astmul copilului.
• Istoria nutriției mamei poate afecta dimensiunea nașterii sugarului.
• Consumul de alcool în exces de către părintele bărbat poate provoca agresivitatea descendenților.
• Expunerea părinților la cocaină poate afecta memoria.

Aceste efecte sunt rezultatele modificărilor metilării ADN-ului transmise descendenților, dar dacă acești factori pot schimbă metilarea ADN-ului la părinți, factorii pe care îi experimentează copiii își pot schimba propriul ADN metilare. Spre deosebire de codul genetic, metilarea ADN-ului la copii poate fi modificată prin comportament și expunerea la mediu în viața ulterioară.

Atunci când metilarea ADN-ului este afectată de comportament, semnele de metil de pe ADN-ul la care se pot atașa grupările metil se pot schimba și influența expresia genelor în acest fel. Deși multe dintre studiile care se referă la expresia genelor datează de acum mulți ani, abia mai recent rezultatele au fost legate de a volum în creștere de cercetare epigenetică. Această cercetare arată că rolul epigeneticii poate fi o influență la fel de puternică asupra organismelor ca și codul genetic subiacent.