Epigenetika: definícia, ako to funguje, príklady

Genetická informácia pre organizmus je zakódovaná v DNA chromozómov organizmu, existujú však aj iné vplyvy. The Sekvencie DNA príprava génu nemusí byť aktívna alebo môže byť blokovaná. Charakteristiky organizmu sú určené jeho génmi, ale nazýva sa, či gény skutočne vytvárajú kódovanú charakteristiku génová expresia.

Na génovú expresiu môže mať vplyv veľa faktorov, ktoré určujú, či gén produkuje svoju charakteristiku vôbec alebo niekedy iba slabo. Keď je expresia génov ovplyvnená hormónmi alebo enzýmami, tento proces sa nazýva regulácia génov.

Epigenetika študuje molekulárnu biológiu regulácie génov a ďalšie epigenetické vplyvy o génovej expresii. V zásade akýkoľvek vplyv, ktorý modifikuje účinok sekvencií DNA bez zmeny kódu DNA, je predmetom epigenetiky.

Epigenetika je proces, prostredníctvom ktorého sa genetické pokyny obsiahnuté v DNA organizmov sú ovplyvnené negenetické faktory. Primárnou metódou pre epigenetické procesy je kontrola génovej expresie. Niektoré kontrolné mechanizmy sú dočasné, iné sú trvalejšie a dajú sa dediť prostredníctvom

Gén sa vyjadruje tak, že si urobí kópiu a pošle ju do bunky, aby vytvoril proteín kódovaný v jeho sekvenciách DNA. Proteín, buď samotný, alebo v kombinácii s inými proteínmi, produkuje špecifické vlastnosti organizmu. Ak je génu blokovaný produkcia proteínu, charakteristika organizmu sa neobjaví.

Epigenetika sa zameriava na to, ako je možné blokovať produkciu proteínu génom a ako je možné ho znova zapnúť, ak je blokovaný. Medzi mnohými epigenetické mechanizmy ktoré môžu ovplyvniť génovú expresiu, sú nasledujúce:

• Deaktivuje sa gen.
• Zastavuje sa gén z vytvorenie kópie.
• Zastavuje sa kopírovanie génu z produkujúci proteín.
• Blokovanie funkcia bielkovín.
• Rozísť sa bielkoviny skôr, ako môžu účinkovať.

Epigenetika študuje, ako sú gény exprimované, čo ovplyvňuje ich expresiu a mechanizmy, ktoré gény kontrolujú. Pozerá sa na vrstvu vplyvu nad genetickou vrstvou a na to, ako táto vrstva určuje epigenetické zmeny ako vyzerá organizmus a ako sa správa.

Aj keď všetky bunky v organizme majú rovnaký genóm, bunky preberajú rôzne funkcie podľa toho, ako regulujú svoje gény. Na úrovni organizmu môžu mať organizmy rovnaký genetický kód, ale vyzerajú a správajú sa inak. Napríklad v prípade ľudí majú identické dvojčatá rovnaký ľudský genóm, ale budú vyzerať a správať sa mierne odlišne, v závislosti od toho epigenetické zmeny.

Takéto epigenetické účinky sa môžu líšiť v závislosti od mnohých vnútorných a vonkajších faktorov, vrátane nasledujúcich:

• Hormóny
• Faktory rastu
• Neurotransmitery
• Transkripčné faktory
• Chemické podnety
• Environmentálne podnety
  

Každý z nich môže byť epigenetický faktor, ktorý podporuje alebo narúša génovú expresiu v bunkách. Taký epigenetická kontrola je ďalší spôsob, ako regulovať génovú expresiu bez zmeny základného genetického kódu.

V každom prípade sa zmení celková génová expresia. Na génovú expresiu sú potrebné buď vnútorné, alebo vonkajšie faktory, alebo môžu blokovať jednu z fáz. Ak chýba požadovaný faktor, ako napríklad enzým potrebný na produkciu proteínu, proteín sa nedá vyrobiť.

Ak je prítomný blokujúci faktor, príslušné štádium expresie génu nemôže fungovať a expresia relevantného génu je blokovaná. Epigenetika znamená, že znak, ktorý je zakódovaný v sekvenciách DNA génu, sa nemusí v organizme objaviť.

Genóm je kódovaný v tenkých, dlhých molekulách sekvencií DNA, ktoré musia byť pevne navinuté v komplikovanej štruktúre chromatínu, aby sa zmestili do drobných bunkových jadier.

Na expresiu génu sa DNA kopíruje prostredníctvom a transkripčný mechanizmus. Súčasťou a Dvojitá špirála DNA ktorý obsahuje gén, ktorý sa má exprimovať, sa mierne odvinie a molekula RNA vytvorí kópiu sekvencií DNA tvoriacich gén.

Molekuly DNA sú navinuté okolo špeciálnych proteínov nazývaných históny. Históny je možné meniť tak, aby sa DNA vinula viac alebo menej pevne.

Taký histónové modifikácie môže viesť k tak silnému navinutiu molekúl DNA, že transkripčný mechanizmus tvorený špeciálnymi enzýmami a aminokyselinami nemôže dosiahnuť kopírovaný gén. Obmedzenie prístupu k génu prostredníctvom modifikácie histónom vedie k epigenetickej kontrole génu.

Okrem obmedzenia prístupu k génom môžu byť histónové proteíny zmenené tak, aby sa viac či menej pevne viazali na molekuly DNA navinuté okolo nich v chromatín štruktúra. Takéto histónové modifikácie ovplyvňujú transkripčný mechanizmus, ktorého funkciou je vytvoriť RNA kópiu génov, ktoré sa majú exprimovať.

Medzi modifikácie histónu, ktoré ovplyvňujú génovú expresiu týmto spôsobom, patria nasledujúce:

• Metylácia - pridáva metylovú skupinu k histónom, zvyšuje väzbu na DNA a znižuje génovú expresiu.
• Fosforylácia - pridáva fosfátové skupiny k histónom. Účinok na génovú expresiu závisí od interakcie s metyláciou a acetyláciou.
• Acetylácia - acetylácia histónov znižuje väzbu a zvyšuje reguláciu génovej expresie. K acetylovým skupinám sa pridajú histón-acetyltransferázy (HAT).
• De-acetylácia - odstraňuje acetylové skupiny, zvyšuje väzbu a znižuje génovú expresiu s histón-deacetylázou.

Keď sa históny zmenia, aby sa zvýšila väzba, genetický kód pre konkrétny gén nemožno transkribovať a gén nie je exprimovaný. Ak je väzba znížená, je možné vytvoriť viac genetických kópií alebo ich možno vytvoriť jednoduchšie. Špecifický gén je potom exprimovaný stále viac a viac svojho produkovaného kódovaného proteínu.

Potom, čo sú sekvencie DNA génu skopírované do Sekvencia RNA, Molekula RNA opúšťa jadro. Proteín kódovaný v genetickej sekvencii môžu produkovať továrne na malé bunky nazývané ribozómy.

Reťazec operácií je nasledovný:

1. Prepis DNA na RNA
2. Molekula RNA opúšťa jadro
3. RNA nachádza ribozómy v bunke
4. Preklad sekvencie RNA na proteínové reťazce
5. Produkcia bielkovín

Dve kľúčové funkcie molekuly RNA sú transkripcia a translácia. Okrem RNA použitej na kopírovanie a prenos sekvencií DNA môžu bunky produkovať interferenčná RNA alebo iRNA. Jedná sa o krátke vlákna nazývané sekvencie RNA nekódujúca RNA pretože nemajú žiadne sekvencie kódujúce gény.

Ich funkciou je interferovať s transkripciou a transláciou a znižovať tak génovú expresiu. Týmto spôsobom má iRNA epigenetický účinok.

Počas metylácie DNA tzv DNA metyltransferázy pripájať metylové skupiny k molekulám DNA. Na aktiváciu génu a zahájenie transkripčného procesu sa musí blízko molekuly pripojiť k molekule DNA proteín. Metylové skupiny sú umiestnené na miestach, kde by sa transkripčný proteín normálne viazal, čím blokuje transkripčnú funkciu.

Pri delení buniek sa sekvencie DNA genómu bunky kopírujú tzv Replikácia DNA. Rovnaký postup sa používa na vytvorenie spermie a vaječné bunky vo vyšších organizmoch.

Pri kopírovaní DNA sa stratí veľa faktorov, ktoré regulujú génovú expresiu, ale v kopírovaných molekulách DNA sa replikuje veľa vzorov metylácie DNA. To znamená, že regulácia génovej expresie spôsobená Metylácia DNA sa môže dediť aj keď základné sekvencie DNA zostávajú nezmenené.

Pretože metylácia DNA reaguje na epigenetické faktory, ako sú životné prostredie, strava, chemikálie, stres, znečistenie, výber životného štýlu a ožarovanie, epigenetické reakcie po vystavení týmto faktorom možno dediť prostredníctvom DNA metylácia. To znamená, že okrem genealogických vplyvov je jednotlivec formovaný aj správaním rodičov a environmentálnymi faktormi, ktorým bol vystavený.

Bunky majú podporované gény bunkové delenie rovnako ako gény, ktoré potláčajú rýchly a nekontrolovaný rast buniek, napríklad v nádoroch. Gény, ktoré spôsobujú množenie nádorov, sa nazývajú onkogény a tie, ktoré zabraňujú vzniku nádorov, sa nazývajú gény potlačujúce nádor.

Ľudské rakoviny môžu byť spôsobené zvýšenou expresiou onkogénov spojenou s blokovanou expresiou tumor supresorových génov. Ak sa zdedí metylačný model DNA zodpovedajúci tejto génovej expresii, potomstvo môže mať zvýšenú náchylnosť na rakovinu.

V prípade kolorektálny karcinóm, chybný metylačný vzor DNA sa môže preniesť z rodičov na potomkov. Podľa štúdie a článku A. z roku 1983 Feinberg a B. Vogelstein, model metylácie DNA u pacientov s kolorektálnym karcinómom, ukázal zvýšenú metyláciu a blokovanie tumor supresorových génov so zníženou metyláciou onkogénov.

Na pomoc možno použiť aj epigenetiku liečiť genetické choroby. U syndrómu fragilného X chýba gén chromozómu X, ktorý produkuje kľúčový regulačný proteín. Absencia proteínu znamená, že proteín BRD4, ktorý inhibuje intelektuálny vývoj, sa produkuje v nadmernom množstve nekontrolovaným spôsobom. Na liečenie choroby sa môžu použiť lieky, ktoré inhibujú expresiu BRD4.

Epigenetika má zásadný vplyv na choroby, ale môže ovplyvňovať aj iné vlastnosti organizmu, napríklad správanie.

V štúdii z roku 1988 na McGillovej univerzite Michael Meany pozoroval, že z potkanov, ktorých matky sa o nich starali olizovaním a venovaním pozornosti, sa vyvinuli pokojní dospelí. Z potkanov, ktorých matky ich ignorovali, sa stali úzkostliví dospelí. Analýza mozgového tkaniva ukázala, že správanie matiek spôsobilo zmeny v metylácia mozgových buniek u potkanov. Rozdiely u potomkov potkanov boli výsledkom epigenetických účinkov.

Ďalšie štúdie sa zaoberali účinkom hladomoru. Keď boli matky počas tehotenstva vystavené hladu, ako to bolo v Holandsku v rokoch 1944 a 1945, ich deti mali vyšší výskyt obezity a koronárnych chorôb v porovnaní s matkami, ktoré neboli vystavené hladomor. Vyššie riziká sa zistili pri zníženej metylácii DNA génu produkujúceho rastový faktor podobný inzulínu. Taký epigenetické účinky možno dediť po niekoľkých generáciách.

Účinky správania, ktoré sa môžu prenášať z rodičov na deti a ďalej, môžu zahŕňať nasledujúce:

• Rodičovská strava môže mať vplyv na duševné zdravie potomstva.
• Vystavenie životného prostredia znečisteniu u rodičov môže mať vplyv na detskú astmu.
• História výživy matiek môže mať vplyv na veľkosť narodenia dieťaťa.
• Konzumácia nadmerného množstva alkoholu rodičom mužského pohlavia môže u potomkov spôsobiť agresiu.
• Vystavenie rodičov kokaínu môže mať vplyv na pamäť.

Tieto účinky sú výsledkom zmien v metylácii DNA prenesených na potomkov, ale pokiaľ tieto faktory môžu zmeniť metyláciu DNA u rodičov, faktory, ktoré deti zažívajú, môžu zmeniť ich vlastnú DNA metylácia. Na rozdiel od genetického kódu môže byť metylácia DNA u detí zmenená správaním a expozíciou životného prostredia v neskoršom živote.

Keď je metylácia DNA ovplyvnená správaním, môžu sa metylové značky na DNA, na ktorú sa môžu metylové skupiny pripojiť, meniť a ovplyvňovať génovú expresiu týmto spôsobom. Aj keď mnohé zo štúdií zaoberajúcich sa génovou expresiou pochádzajú z doby pred mnohými rokmi, až nedávno sa výsledky spájali s a rastúci objem epigenetického výskumu. Tento výskum ukazuje, že úloha epigenetiky môže mať na organizmy rovnako silný vplyv ako základný genetický kód.