Epigenetics: ความหมาย, วิธีการทำงาน, ตัวอย่าง

ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตถูกเข้ารหัสใน DNA ของโครโมโซมของสิ่งมีชีวิต แต่มีอิทธิพลอื่นๆ ในที่ทำงาน ลำดับดีเอ็นเอ การสร้างยีนอาจไม่ทำงานหรืออาจถูกบล็อก ลักษณะของสิ่งมีชีวิตถูกกำหนดโดยยีนของมัน แต่ไม่ว่าจะเป็นยีนที่สร้างลักษณะที่เข้ารหัสหรือไม่นั้นเรียกว่า การแสดงออกของยีน.

หลายปัจจัยสามารถมีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีน โดยกำหนดว่ายีนสร้างคุณลักษณะของมันเลยหรือบางครั้งเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เมื่อการแสดงออกของยีนได้รับอิทธิพลจากฮอร์โมนหรือเอนไซม์ กระบวนการนี้เรียกว่าการควบคุมยีน

Epigenetics ศึกษาอณูชีววิทยาของการควบคุมยีนและอื่น ๆ อิทธิพลของอีพีเจเนติกส์ เกี่ยวกับการแสดงออกของยีน โดยพื้นฐานแล้วอิทธิพลใดๆ ที่ปรับเปลี่ยนผลกระทบของลำดับดีเอ็นเอโดยไม่เปลี่ยนรหัสดีเอ็นเอถือเป็นหัวข้อของอีพีเจเนติกส์

Epigenetics เป็นกระบวนการที่คำสั่งทางพันธุกรรมที่มีอยู่ใน ดีเอ็นเอ ของสิ่งมีชีวิตได้รับอิทธิพลจาก ปัจจัยที่ไม่ใช่พันธุกรรม. วิธีการหลักสำหรับกระบวนการ epigenetic คือการควบคุมการแสดงออกของยีน กลไกการควบคุมบางอย่างเป็นแบบชั่วคราว แต่กลไกอื่นๆ นั้นถาวรกว่าและสามารถสืบทอดได้ผ่าน การถ่ายทอดทางพันธุกรรม.

ยีนแสดงออกโดยการสร้างสำเนาของตัวเองและส่งสำเนาออกไปในเซลล์เพื่อผลิตโปรตีนที่เข้ารหัสในลำดับดีเอ็นเอของมัน โปรตีนไม่ว่าจะเพียงอย่างเดียวหรือร่วมกับโปรตีนอื่น ๆ จะสร้างลักษณะเฉพาะของสิ่งมีชีวิต หากยีนถูกขัดขวางไม่ให้ผลิตโปรตีน ลักษณะของสิ่งมีชีวิตจะไม่ปรากฏ

Epigenetics พิจารณาว่ายีนสามารถปิดกั้นไม่ให้ผลิตโปรตีนได้อย่างไร และจะเปิดใช้งานอีกครั้งได้อย่างไรหากถูกบล็อก ท่ามกลางผู้คนมากมาย กลไกอีพีเจเนติกส์ ที่สามารถมีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีนได้ดังต่อไปนี้:

• กำลังปิดใช้งาน ยีน
• หยุดยีนจาก การทำสำเนา.
• หยุดยีนที่คัดลอกมาจาก ผลิตโปรตีน.
• การปิดกั้น หน้าที่ของโปรตีน.
• เลิกกัน โปรตีนก่อนที่จะทำงานได้

Epigenetics ศึกษาวิธีการแสดงออกของยีน สิ่งที่มีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีน และกลไกที่ควบคุมยีน พิจารณาชั้นอิทธิพลเหนือชั้นพันธุกรรมและดูว่าชั้นนี้กำหนดอย่างไร การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม epi ว่าสิ่งมีชีวิตมีลักษณะอย่างไรและมีพฤติกรรมอย่างไร

แม้ว่าเซลล์ทั้งหมดในสิ่งมีชีวิตจะมีจีโนมเหมือนกัน แต่เซลล์ก็มีหน้าที่แตกต่างกันตามวิธีที่พวกมันควบคุมยีนของพวกมัน ในระดับสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตอาจมีรหัสพันธุกรรมเหมือนกัน แต่มีลักษณะและพฤติกรรมต่างกัน ในกรณีของมนุษย์ ตัวอย่างเช่น ฝาแฝดที่เหมือนกันมีจีโนมมนุษย์เหมือนกัน แต่จะมีลักษณะและพฤติกรรมแตกต่างกันเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับ การเปลี่ยนแปลงของอีพีเจเนติก

ผลกระทบของอีพีเจเนติกส์ดังกล่าวอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยภายในและภายนอกหลายประการ รวมถึงปัจจัยต่อไปนี้:

• ฮอร์โมน
• ปัจจัยการเจริญเติบโต
• สารสื่อประสาท
• ปัจจัยการถอดความ
• สารเคมีกระตุ้น Chemical
• สิ่งเร้าจากสิ่งแวดล้อม
  

สิ่งเหล่านี้สามารถเป็นปัจจัยอีพิเจเนติกที่ส่งเสริมหรือขัดขวางการแสดงออกของยีนในเซลล์ เช่น การควบคุม epigeneticetic เป็นอีกวิธีหนึ่งในการควบคุมการแสดงออกของยีนโดยไม่เปลี่ยนรหัสพันธุกรรม

ในแต่ละกรณี การแสดงออกของยีนโดยรวมจะเปลี่ยนไป ปัจจัยภายในและภายนอกจำเป็นสำหรับการแสดงออกของยีนหรืออาจปิดกั้นขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่ง หากไม่มีปัจจัยที่จำเป็น เช่น เอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการผลิตโปรตีน จะไม่สามารถผลิตโปรตีนได้

หากมีปัจจัยขัดขวาง ระยะการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องจะไม่สามารถทำงานได้ และการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องจะถูกบล็อก Epigenetics หมายความว่าลักษณะที่เข้ารหัสในลำดับดีเอ็นเอของยีนอาจไม่ปรากฏในสิ่งมีชีวิต

จีโนมถูกเข้ารหัสในลำดับดีเอ็นเอที่บางและยาวซึ่งต้องพันแน่นในโครงสร้างโครมาตินที่ซับซ้อนเพื่อให้พอดีกับนิวเคลียสของเซลล์ขนาดเล็ก

เพื่อแสดงยีน DNA จะถูกคัดลอกผ่าน a กลไกการถอดความ. ส่วนของ ดีเอ็นเอเกลียวคู่ ที่มียีนที่จะแสดงออกมาจะคลายออกเล็กน้อย และโมเลกุลอาร์เอ็นเอจะสร้างสำเนาของลำดับดีเอ็นเอที่ประกอบขึ้นเป็นยีน

โมเลกุล DNA พันรอบโปรตีนพิเศษที่เรียกว่าฮิสโตน ฮิสโตนสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อให้ดีเอ็นเอมีบาดแผลมากหรือน้อย

เช่น การปรับเปลี่ยนฮิสโตน สามารถส่งผลให้โมเลกุลดีเอ็นเอถูกพันกันแน่นจนกลไกการถอดรหัสซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์พิเศษและกรดอะมิโนไม่สามารถไปถึงยีนที่จะคัดลอกได้ การจำกัดการเข้าถึงยีนผ่านการปรับเปลี่ยนฮิสโตนส่งผลให้เกิดการควบคุมยีนอีพีเจเนติกส์

นอกเหนือจากการจำกัดการเข้าถึงยีนแล้ว โปรตีนฮิสโตนยังสามารถเปลี่ยนแปลงเพื่อผูกมัดกับโมเลกุลดีเอ็นเอที่พันรอบพวกมันใน โครมาติน โครงสร้าง. การปรับเปลี่ยนฮิสโตนดังกล่าวส่งผลต่อกลไกการถอดรหัสซึ่งมีหน้าที่ในการสร้างสำเนา RNA ของยีนที่จะแสดง

การดัดแปลงฮิสโตนที่ส่งผลต่อการแสดงออกของยีนในลักษณะนี้ ได้แก่ :

• เมทิลเลชั่น - เพิ่มกลุ่มเมธิลให้กับฮิสโตน เพิ่มความผูกพันกับ DNA และลดการแสดงออกของยีน
• ฟอสฟอรีเลชั่น - เพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับฮิสโตน ผลต่อการแสดงออกของยีนขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์กับเมทิลเลชั่นและอะซิติเลชั่น
• Acetyleation - histone acetylation ช่วยลดการจับและควบคุมการแสดงออกของยีน หมู่อะเซทิลถูกเติมด้วยฮิสโตน อะซิติลทรานสเฟอเรส (HATs)
• ดี-อะซิติเลชั่น - กำจัดกลุ่มอะซิติล เพิ่มการจับ และลดการแสดงออกของยีนด้วยฮิสโตน ดีอะซิติเลส

เมื่อฮิสโตนเปลี่ยนไปเพื่อเพิ่มการผูกมัด รหัสพันธุกรรมของยีนบางตัวจะไม่สามารถถ่ายทอดออกมาได้ และยีนจะไม่แสดงออก เมื่อการผูกมัดลดลง สามารถสร้างสำเนาทางพันธุกรรมได้มากขึ้น หรือสร้างได้ง่ายขึ้น จากนั้นยีนที่จำเพาะจะถูกแสดงออกมากขึ้นเรื่อยๆ ของโปรตีนที่เข้ารหัสนั้นถูกผลิตขึ้น

หลังจากที่ลำดับ DNA ของยีนถูกคัดลอกไปยัง an ลำดับอาร์เอ็นเอ, ที่ โมเลกุลอาร์เอ็นเอ ออกจากนิวเคลียส โปรตีนที่เข้ารหัสในลำดับพันธุกรรมสามารถผลิตได้โดยโรงงานเซลล์ขนาดเล็กที่เรียกว่าไรโบโซม

ห่วงโซ่การดำเนินงานมีดังนี้:

1. การถอดรหัส DNA เป็น RNA
2. โมเลกุล RNA ออกจากนิวเคลียส
3. RNA พบไรโบโซมในเซลล์
4. การแปลลำดับ RNA เป็นสายโปรตีน
5. การผลิตโปรตีน

หน้าที่หลักสองประการของโมเลกุลอาร์เอ็นเอคือการถอดความและการแปล นอกจาก RNA ที่ใช้ในการคัดลอกและถ่ายโอนลำดับ DNA แล้ว เซลล์ยังสามารถผลิตได้ การรบกวน RNA หรือ iRNA. เหล่านี้คือสายสั้นของลำดับ RNA ที่เรียกว่า ไม่เข้ารหัส RNA เพราะมันไม่มีลำดับใดๆ ที่เข้ารหัสยีน

หน้าที่ของพวกเขาคือรบกวนการถอดความและการแปล ลดการแสดงออกของยีน ด้วยวิธีนี้ iRNA มีผลอีพีเจเนติกส์

ระหว่าง DNA methylation เอ็นไซม์เรียกว่า ดีเอ็นเอ เมทิลทรานสเฟอเรส ยึดกลุ่มเมธิลกับโมเลกุลดีเอ็นเอ เพื่อกระตุ้นยีนและเริ่มต้นกระบวนการถอดรหัส โปรตีนจะต้องยึดติดกับโมเลกุลดีเอ็นเอในช่วงเริ่มต้น หมู่เมทิลถูกวางไว้ในตำแหน่งที่โดยปกติแล้วโปรตีนการถอดรหัสจะยึดติด ดังนั้นจึงขัดขวางฟังก์ชันการถอดรหัส

เมื่อเซลล์แบ่งตัว ลำดับดีเอ็นเอของจีโนมของเซลล์จะถูกคัดลอกในกระบวนการที่เรียกว่า การจำลองดีเอ็นเอ. ใช้กระบวนการเดียวกันในการสร้าง อสุจิ และเซลล์ไข่ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูง

ปัจจัยหลายอย่างที่ควบคุมการแสดงออกของยีนจะหายไปเมื่อ DNA ถูกคัดลอก แต่รูปแบบ DNA methylation จำนวนมากถูกจำลองแบบในโมเลกุล DNA ที่คัดลอกมา ซึ่งหมายความว่าการควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกิดจาก DNA methylation สามารถสืบทอดได้ แม้ว่าลำดับดีเอ็นเอพื้นฐานจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

เนื่องจาก DNA methylation ตอบสนองต่อปัจจัยอีพีเจเนติก เช่น สิ่งแวดล้อม อาหาร สารเคมี ความเครียด มลภาวะ การเลือกรูปแบบการใช้ชีวิตและการฉายรังสี ปฏิกิริยาอีพีเจเนติกจากการสัมผัสกับปัจจัยดังกล่าวสามารถถ่ายทอดผ่าน DNA เมทิลเลชั่น ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากอิทธิพลลำดับวงศ์ตระกูลแล้ว บุคคลยังมีรูปร่างตามพฤติกรรมของพ่อแม่และปัจจัยแวดล้อมที่พวกเขาสัมผัส

เซลล์มียีนที่ส่งเสริม การแบ่งเซลล์ เช่นเดียวกับยีนที่ยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์อย่างรวดเร็วและไม่สามารถควบคุมได้ เช่น ในเนื้องอก ยีนที่ก่อให้เกิดการเติบโตของเนื้องอกเรียกว่า เนื้องอก และที่ป้องกันเนื้องอกเรียกว่า are ยีนต้านเนื้องอก.

มะเร็งในมนุษย์อาจเกิดจากการแสดงออกที่เพิ่มขึ้นของยีนมะเร็งควบคู่ไปกับการแสดงออกที่ปิดกั้นของยีนต้านเนื้องอก ถ้ารูปแบบ DNA methylation ที่สอดคล้องกับการแสดงออกของยีนนี้ได้รับการถ่ายทอด ลูกหลานอาจมีความไวต่อมะเร็งเพิ่มขึ้น

ในกรณีของ มะเร็งลำไส้อาจมีการส่งต่อรูปแบบ DNA methylation ที่ผิดพลาดจากพ่อแม่สู่ลูก จากการศึกษาและบทความในปี 1983 โดย A. ไฟน์เบิร์กและบี Vogelstein รูปแบบ DNA methylation ของผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักแสดงให้เห็น methylation ที่เพิ่มขึ้นและการปิดกั้นยีนต้านเนื้องอกด้วย methylation ของ oncogenes ที่ลดลง

สามารถใช้ Epigenetics เพื่อช่วยได้เช่นกัน รักษาโรคทางพันธุกรรม. ใน Fragile X Syndrome ยีน X-chromosome ที่ผลิตโปรตีนควบคุมหลักหายไป การขาดโปรตีนหมายความว่าโปรตีน BRD4 ซึ่งยับยั้งการพัฒนาทางปัญญานั้นถูกผลิตออกมามากเกินไปในรูปแบบที่ไม่สามารถควบคุมได้ ยาที่ยับยั้งการแสดงออกของ BRD4 สามารถใช้รักษาโรคได้

Epigenetics มีอิทธิพลอย่างมากต่อโรค แต่ก็สามารถส่งผลกระทบต่อลักษณะอื่น ๆ ของร่างกายเช่นพฤติกรรม

ในการศึกษาปี 1988 ที่มหาวิทยาลัย McGill Michael Meany สังเกตว่าหนูที่มารดาดูแลพวกมันด้วยการเลียและให้ความสนใจกับพวกมันพัฒนาเป็นผู้ใหญ่ที่สงบ หนูที่มารดาละเลยพวกเขากลายเป็นผู้ใหญ่ที่วิตกกังวล จากการวิเคราะห์เนื้อเยื่อสมองพบว่าพฤติกรรมของมารดาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน in methylation ของเซลล์สมอง ในลูกหนู ความแตกต่างในลูกหลานของหนูเป็นผลมาจากผลกระทบของอีพีเจเนติกส์

การศึกษาอื่น ๆ ได้ศึกษาผลกระทบของการกันดารอาหาร เมื่อมารดาต้องเผชิญกับการกันดารอาหารระหว่างตั้งครรภ์ เช่นเดียวกับในฮอลแลนด์ในปี ค.ศ. 1944 และ 1945 ของพวกเขา เด็กมีอุบัติการณ์โรคอ้วนและโรคหลอดเลือดหัวใจสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับมารดาที่ไม่ได้สัมผัส ความอดอยาก ความเสี่ยงที่สูงขึ้นนั้นสืบเนื่องมาจากการลดลงของ DNA methylation ของยีนที่สร้างปัจจัยการเจริญเติบโตคล้ายอินซูลิน เช่น ผลกระทบ epigenetic สามารถสืบทอดได้หลายชั่วอายุคน

ผลกระทบจากพฤติกรรมที่อาจถ่ายทอดจากพ่อแม่สู่ลูกและต่อๆ ไป ได้แก่

• อาหารของผู้ปกครองสามารถส่งผลต่อสุขภาพจิตของลูกหลานได้
• การสัมผัสกับมลภาวะในสิ่งแวดล้อมในผู้ปกครองอาจส่งผลต่อโรคหอบหืดในเด็ก
• ประวัติโภชนาการของมารดาอาจส่งผลต่อขนาดทารกแรกเกิด
• การบริโภคเครื่องดื่มแอลกอฮอล์มากเกินไปโดยผู้ปกครองชายอาจทำให้เกิดการรุกรานในลูกหลาน
• การที่พ่อแม่ได้รับโคเคนอาจส่งผลต่อความจำ

ผลกระทบเหล่านี้เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงของ DNA methylation ที่ส่งต่อไปยังลูกหลาน แต่ถ้าปัจจัยเหล่านี้สามารถ เปลี่ยน DNA methylation ในพ่อแม่ ปัจจัยที่เด็กประสบสามารถเปลี่ยน DNA ของตัวเองได้ เมทิลเลชั่น ดีเอ็นเอเมทิลเลชันในเด็กสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยพฤติกรรมและการสัมผัสสิ่งแวดล้อมต่างจากรหัสพันธุกรรม

เมื่อเมทิลเลชันของดีเอ็นเอได้รับผลกระทบจากพฤติกรรม เมทิลจะทำเครื่องหมายบนดีเอ็นเอซึ่งกลุ่มเมทิลอาจยึดติดสามารถเปลี่ยนแปลงและมีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีนในลักษณะนั้น แม้ว่าการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับการแสดงออกของยีนเมื่อหลายปีก่อน แต่เมื่อไม่นานมานี้ ผลลัพธ์ก็เชื่อมโยงกับ ปริมาณการวิจัย epigenetic ที่เพิ่มขึ้น. งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าบทบาทของอีพีเจเนติกส์อาจมีอิทธิพลต่อสิ่งมีชีวิตเช่นเดียวกับรหัสพันธุกรรมพื้นฐาน