Эпигенетика: определение, как это работает, примеры

Генетическая информация для организма закодирована в ДНК хромосом организма, но действуют и другие факторы. В Последовательности ДНК создание гена может быть неактивным или они могут быть заблокированы. Характеристики организма определяются его генами, но вопрос о том, действительно ли гены создают закодированную характеристику, называется экспрессия гена.

Многие факторы могут влиять на экспрессию гена, определяя, производит ли ген свои характеристики вообще или иногда только слабо. Когда на экспрессию генов влияют гормоны или ферменты, этот процесс называется генной регуляцией.

Эпигенетика изучает молекулярную биологию регуляции генов и другие эпигенетические влияния на экспрессию генов. По сути, любое влияние, изменяющее действие последовательностей ДНК без изменения кода ДНК, является предметом эпигенетики.

Эпигенетика это процесс, посредством которого генетические инструкции, содержащиеся в ДНК организмов подвержены влиянию негенетические факторы. Основным методом эпигенетических процессов является контроль экспрессии генов. Некоторые механизмы контроля являются временными, но другие более постоянными и могут быть унаследованы через

Ген выражает себя, создавая свою копию и посылая копию в клетку, чтобы произвести белок, закодированный в его последовательностях ДНК. Белок, сам по себе или в сочетании с другими белками, дает специфические характеристики организма. Если ген заблокирован для производства белка, характеристика организма не проявляется.

Эпигенетика изучает, как гену можно заблокировать производство белка и как его можно снова включить, если он заблокирован. Среди множества эпигенетические механизмы которые могут влиять на экспрессию генов:

• Деактивация ген.
• Остановка гена от делать копию.
• Остановка скопированного гена из производство белка.
• Блокировка функция белка.
• Разрыв белок, прежде чем он сможет работать.

Эпигенетика изучает, как экспрессируются гены, что влияет на их экспрессию и механизмы, контролирующие гены. Он смотрит на слой влияния над генетическим слоем и на то, как этот слой определяет эпигенетические изменения как выглядит организм и как он себя ведет.

Хотя все клетки в организме имеют один и тот же геном, клетки берут на себя разные функции в зависимости от того, как они регулируют свои гены. На уровне организма организмы могут иметь один и тот же генетический код, но выглядеть и вести себя по-разному. В случае людей, например, однояйцевые близнецы имеют один и тот же человеческий геном, но будут выглядеть и вести себя немного по-разному, в зависимости от эпигенетические изменения.

Такие эпигенетические эффекты могут варьироваться в зависимости от многих внутренних и внешних факторов, включая следующие:

• Гормоны
• Факторы роста
• Нейротрансмиттеры
• Факторы транскрипции
• Химические раздражители
• Экологические стимулы
  

Каждый из них может быть эпигенетическим фактором, способствующим или нарушающим экспрессию генов в клетках. Такой эпигенетический контроль - еще один способ регулировать экспрессию генов без изменения лежащего в основе генетического кода.

В каждом случае изменяется общая экспрессия гена. Внутренние и внешние факторы либо необходимы для экспрессии гена, либо могут блокировать одну из стадий. Если необходимый фактор, такой как фермент, необходимый для производства белка, отсутствует, белок не может быть произведен.

Если присутствует фактор блокировки, соответствующая стадия экспрессии гена не может функционировать, и экспрессия соответствующего гена блокируется. Эпигенетика означает, что признак, который закодирован в последовательностях ДНК гена, может не проявляться в организме.

Геном закодирован в тонких, длинных молекулах последовательностей ДНК, которые должны быть плотно намотаны в сложной структуре хроматина, чтобы соответствовать крошечным ядрам клеток.

Для экспрессии гена ДНК копируется через механизм транскрипции. Часть Двойная спираль ДНК содержащий ген, который должен быть экспрессирован, слегка разматывается, и молекула РНК копирует последовательности ДНК, составляющие ген.

Молекулы ДНК намотаны на особые белки, называемые гистонами. Гистоны можно изменить так, чтобы ДНК была намотана более или менее плотно.

Такой модификации гистонов может привести к тому, что молекулы ДНК будут намотаны настолько плотно, что механизм транскрипции, состоящий из специальных ферментов и аминокислот, не сможет достичь копируемого гена. Ограничение доступа к гену посредством модификации гистона приводит к эпигенетическому контролю над геном.

Помимо ограничения доступа к генам, гистоновые белки могут быть изменены для более или менее прочного связывания с молекулами ДНК, намотанными вокруг них в хроматин состав. Такие модификации гистонов влияют на механизм транскрипции, функция которого состоит в создании копии РНК экспрессируемых генов.

Модификации гистонов, влияющие таким образом на экспрессию генов, включают следующее:

• Метилирование - добавляет метильную группу к гистонам, увеличивая связывание с ДНК и уменьшая экспрессию генов.
• Фосфорилирование - добавляет к гистонам фосфатные группы. Влияние на экспрессию генов зависит от взаимодействия с метилированием и ацетилированием.
• Ацетилирование - ацетилирование гистонов снижает связывание и усиливает экспрессию генов. Ацетильные группы добавляются с помощью гистоновых ацетилтрансфераз (HAT).
• Деацетилирование - удаляет ацетильные группы, увеличивает связывание и снижает экспрессию генов с гистондеацетилазой.

Когда гистоны изменяются для увеличения связывания, генетический код конкретного гена не может быть транскрибирован, и ген не экспрессируется. Когда связывание уменьшается, можно сделать больше генетических копий или их можно будет сделать проще. Затем экспрессируется конкретный ген, вырабатывается все больше и больше кодируемого им белка.

После того, как последовательности ДНК гена скопированы в Последовательность РНК, то Молекула РНК покидает ядро. Белок, закодированный в генетической последовательности, может производиться небольшими клеточными фабриками, называемыми рибосомами.

Цепочка операций следующая:

1. Транскрипция ДНК в РНК
2. Молекула РНК покидает ядро
3. РНК находит рибосомы в клетке
4. Трансляция последовательности РНК в белковые цепи
5. Производство белка

Две ключевые функции молекулы РНК - транскрипция и трансляция. В дополнение к РНК, используемой для копирования и переноса последовательностей ДНК, клетки могут производить интерференционная РНК или же iRNA. Это короткие цепочки последовательностей РНК, называемые некодирующая РНК потому что у них нет последовательностей, кодирующих гены.

Их функция - вмешиваться в транскрипцию и трансляцию, снижая экспрессию генов. Таким образом, iRNA оказывает эпигенетический эффект.

Во время метилирования ДНК ферменты, вызываемые ДНК-метилтрансферазы присоединяют метильные группы к молекулам ДНК. Чтобы активировать ген и запустить процесс транскрипции, белок должен прикрепиться к молекуле ДНК в самом начале. Метильные группы размещаются в местах, где обычно прикрепляется белок транскрипции, тем самым блокируя функцию транскрипции.

Когда клетки делятся, последовательности ДНК генома клетки копируются в процессе, называемом Репликация ДНК. Тот же процесс используется для создания сперма и яйцеклетки у высших организмов.

Многие факторы, регулирующие экспрессию генов, теряются при копировании ДНК, но многие паттерны метилирования ДНК реплицируются в скопированных молекулах ДНК. Это означает, что регуляция экспрессии генов, вызванная Метилирование ДНК может передаваться по наследству даже при том, что лежащие в основе последовательности ДНК остаются неизменными.

Поскольку метилирование ДНК реагирует на эпигенетические факторы, такие как окружающая среда, диета, химические вещества, стресс, загрязнение и т. Д. выбор образа жизни и радиация, эпигенетические реакции от воздействия таких факторов могут быть унаследованы через ДНК метилирование. Это означает, что, помимо генеалогических влияний, личность формируется поведением родителей и факторами окружающей среды, которым они подвергались.

В клетках есть гены, которые способствуют деление клеток а также гены, подавляющие быстрый неконтролируемый рост клеток, например, в опухолях. Гены, вызывающие рост опухолей, называются онкогены и те, которые предотвращают опухоли, называются гены-супрессоры опухолей.

Рак человека может быть вызван повышенной экспрессией онкогенов в сочетании с блокированной экспрессией генов-супрессоров опухолей. Если паттерн метилирования ДНК, соответствующий экспрессии этого гена, передается по наследству, потомство может иметь повышенную предрасположенность к раку.

В случае колоректальный рак, неправильный образец метилирования ДНК может передаваться от родителей к потомству. Согласно исследованию 1983 года и статье А. Файнберг и Б. Фогельштейна, паттерн метилирования ДНК у пациентов с колоректальным раком показал повышенное метилирование и блокирование генов-супрессоров опухоли со сниженным метилированием онкогенов.

Эпигенетика также может помочь лечить генетические заболевания. При синдроме ломкой Х-хромосомы отсутствует ген Х-хромосомы, который продуцирует ключевой регуляторный белок. Отсутствие белка означает, что белок BRD4, который тормозит интеллектуальное развитие, вырабатывается в избытке неконтролируемым образом. Лекарства, подавляющие экспрессию BRD4, можно использовать для лечения заболевания.

Эпигенетика имеет большое влияние на болезнь, но она также может влиять на другие черты организма, такие как поведение.

В исследовании 1988 года, проведенном в Университете Макгилла, Майкл Мини заметил, что крысы, матери которых заботились о них, вылизывая их и уделяя им внимание, превратились в спокойных взрослых. Крысы, чьи матери игнорировали их, стали взволнованными взрослыми. Анализ тканей головного мозга показал, что поведение матери вызывало изменения в метилирование клеток мозга у крысят. Различия в потомстве крыс были результатом эпигенетических эффектов.

Другие исследования изучали влияние голода. Когда матери во время беременности подвергались голоду, как это было в Голландии в 1944 и 1945 годах, их у детей была более высокая частота ожирения и ишемической болезни сердца по сравнению с матерями, не подвергавшимися воздействию голод. Более высокие риски были связаны с уменьшением метилирования ДНК гена, продуцирующего инсулиноподобный фактор роста. Такой эпигенетические эффекты могут передаваться по наследству в течение нескольких поколений.

Последствия поведения, которые могут передаваться от родителей к детям и далее, могут включать следующее:

• Диета родителей может повлиять на психическое здоровье потомства.
• Воздействие загрязнения окружающей среды на родителей может повлиять на астму у детей.
• Анамнез питания матери может повлиять на размер новорожденного.
• Чрезмерное употребление алкоголя родителем мужского пола может вызвать агрессию у потомства.
• Воздействие кокаина на родителей может повлиять на память.

Эти эффекты являются результатом изменений в метилировании ДНК, передаваемых потомству, но если эти факторы могут изменить метилирование ДНК у родителей, факторы, которые испытывают дети, могут изменить их собственную ДНК метилирование. В отличие от генетического кода, метилирование ДНК у детей может быть изменено поведением и воздействием окружающей среды в более позднем возрасте.

Когда на метилирование ДНК влияет поведение, метильные метки на ДНК, к которым могут присоединяться метильные группы, могут изменяться и таким образом влиять на экспрессию генов. Хотя многие исследования, посвященные экспрессии генов, датируются много лет назад, только совсем недавно результаты были связаны с растущий объем эпигенетических исследований. Это исследование показывает, что роль эпигенетики может иметь такое же сильное влияние на организмы, как и лежащий в основе генетический код.