Епігенетика: визначення, як це працює, приклади

Генетична інформація про організм кодується в ДНК хромосом організму, але на роботу діють інші впливи. Послідовності ДНК складання гена може бути неактивним, або вони можуть бути заблоковані. Характеристики організму визначаються його генами, але чи справді гени створюють закодовану характеристику, називається експресія гена.

Багато факторів можуть впливати на експресію гена, визначаючи, чи ген генерує свою характеристику взагалі або іноді лише слабко. Коли на експресію гена впливають гормони або ферменти, процес називається генною регуляцією.

Епігенетика вивчає молекулярну біологію генної регуляції та ін епігенетичні впливи на експресію гена. В основному будь-який вплив, який модифікує вплив послідовностей ДНК без зміни коду ДНК, є предметом епігенетики.

Епігенетика це процес, за допомогою якого генетичні інструкції, що містяться в ДНК на організми перебувають під впливом негенетичні фактори. Основним методом епігенетичних процесів є контроль експресії генів. Деякі механізми контролю є тимчасовими, але інші є більш постійними і можуть передаватися у спадок через

Ген виражає себе, роблячи копію самого себе і відправляючи копію в клітину для отримання білка, кодованого в його послідовностях ДНК. Білок, окремо або в поєднанні з іншими білками, виробляє специфічну характеристику організму. Якщо ген заблоковано виробляти білок, характеристика організму не з’явиться.

Епігенетика розглядає, як гену можна заблокувати вироблення білка, і як його можна знову ввімкнути, якщо він заблокований. Серед багатьох епігенетичні механізми що можуть впливати на експресію генів:

• Деактивуючий ген.
• Зупинення гена від виготовлення копії.
• Зупинка скопійованого гена з виробляючи білок.
• Блокування функція білка.
• Розставання білок, перш ніж він зможе працювати.

Епігенетика вивчає, як експресуються гени, що впливає на їх експресію та механізми, що контролюють гени. Він розглядає рівень впливу над генетичним шаром і те, як цей шар визначає епігенетичні зміни як виглядає організм і як він поводиться.

Хоча всі клітини організму мають однаковий геном, клітини виконують різні функції залежно від того, як вони регулюють свої гени. На рівні організму організми можуть мати однаковий генетичний код, але виглядати і поводитися по-різному. Наприклад, у випадку з людиною однояйцеві близнюки мають однаковий людський геном, але виглядатимуть і поводитимуться дещо інакше, залежно від цього епігенетичні зміни.

Такі епігенетичні ефекти можуть змінюватися залежно від багатьох внутрішніх та зовнішніх факторів, включаючи наступне:

• Гормони
• Фактори зростання
• Нейромедіатори
• Фактори транскрипції
• Хімічні подразники
• Стимули навколишнього середовища
  

Кожен з них може бути епігенетичними факторами, що сприяють або порушують експресію генів у клітинах. Такий епігенетичний контроль є ще одним способом регулювання експресії генів без зміни основного генетичного коду.

У кожному випадку загальна експресія гена змінюється. Внутрішні та зовнішні фактори необхідні або для експресії генів, або вони можуть блокувати одну із стадій. Якщо необхідний фактор, такий як фермент, необхідний для виробництва білка, відсутній, білок не може вироблятися.

Якщо присутній блокуючий фактор, відповідна стадія експресії гена не може функціонувати, і експресія відповідного гена блокується. Епігенетика означає, що ознака, кодована в послідовностях ДНК гена, може не з’являтися в організмі.

Геном кодується в тонких довгих молекулах послідовностей ДНК, які необхідно щільно намотати у складну структуру хроматину, щоб увійти в крихітні клітинні ядра.

Для експресії гена ДНК копіюється через механізм транскрипції. Частина a Подвійна спіраль ДНК який містить ген, що експресується, злегка розмотується, і молекула РНК робить копію послідовностей ДНК, що складають ген.

Молекули ДНК намотуються навколо спеціальних білків, які називаються гістонами. Гістони можна змінювати так, щоб ДНК намотувалася більш-менш щільно.

Такий модифікації гістону може призвести до того, що молекули ДНК намотуються настільки щільно, що механізм транскрипції, що складається з особливих ферментів та амінокислот, не може досягти копіюваного гена. Обмеження доступу до гена за допомогою модифікації гістону призводить до епігенетичного контролю гена.

На додаток до обмеження доступу до генів, білки гістону можуть бути змінені, щоб більш-менш щільно зв'язуватися з молекулами ДНК, намотаними навколо них у хроматин структура. Такі модифікації гістонів впливають на механізм транскрипції, функція якого полягає у створенні РНК-копії генів, що експресуються.

Модифікації гістону, які впливають на експресію генів таким чином, включають наступне:

• Метилювання - додає метильну групу до гістонів, збільшуючи зв’язування з ДНК та зменшуючи експресію генів.
• Фосфорилювання - додає фосфатні групи до гістонів. Вплив на експресію генів залежить від взаємодії з метилуванням та ацетилюванням.
• Ацетилювання - ацетилювання гістону зменшує зв'язування та підвищує експресію генів. Ацетильні групи додають за допомогою гістону ацетилтрансфераз (HAT).
• Деацетилювання - видаляє ацетильні групи, підвищує зв'язування та зменшує експресію генів за допомогою гистондеацетилази.

Коли гістони змінюються для збільшення зв’язування, генетичний код для певного гена не може бути транскрибований, і ген не експресується. Коли зв'язування зменшується, можна зробити більше генетичних копій, або зробити їх легше. Потім специфічний ген експресується все більше і більше виробляється його закодованого білка.

Після того, як послідовності ДНК гена копіюються в Послідовність РНК, Молекула РНК залишає ядро. Білок, закодований у генетичній послідовності, може вироблятися на дрібноклітинних фабриках, які називаються рибосомами.

Ланцюжок операцій такий:

1. Транскрипція ДНК в РНК
2. Молекула РНК залишає ядро
3. РНК знаходить рибосоми в клітині
4. Трансляція послідовності РНК у білкові ланцюги
5. Виробництво білка

Дві ключові функції молекули РНК - це транскрипція та трансляція. На додаток до РНК, яка використовується для копіювання та передачі послідовностей ДНК, клітини можуть продукувати інтерференційна РНК або іРНК. Це короткі нитки послідовностей РНК, які називаються некодирующая РНК оскільки вони не мають послідовностей, що кодують гени.

Їх функція полягає у втручанні в транскрипцію та трансляцію, зменшуючи експресію генів. Таким чином, іРНК має епігенетичний ефект.

Під час метилювання ДНК викликаються ферменти ДНК-метилтрансферази приєднують метильні групи до молекул ДНК. Щоб активувати ген і розпочати процес транскрипції, білок повинен прикріпитися до молекули ДНК біля самого початку. Метильні групи розміщуються в місцях, де зазвичай приєднується білок транскрипції, блокуючи таким чином функцію транскрипції.

Коли клітини діляться, послідовності ДНК геному клітини копіюються в процесі, який називається Реплікація ДНК. Той самий процес використовується для створення сперма і яєчні клітини у вищих організмів.

Багато факторів, що регулюють експресію генів, втрачаються під час копіювання ДНК, але багато моделей метилювання ДНК відтворюється в скопійованих молекулах ДНК. Це означає, що регуляція експресії генів, спричинена Метилювання ДНК може передаватися у спадок навіть якщо основні послідовності ДНК залишаються незмінними.

Оскільки метилювання ДНК реагує на епігенетичні фактори, такі як навколишнє середовище, дієта, хімічні речовини, стрес, забруднення, вибір способу життя та опромінення, епігенетичні реакції від впливу таких факторів можуть успадковуватися через ДНК метилювання. Це означає, що крім генеалогічних впливів, особистість формується поведінкою батьків та факторами навколишнього середовища, яким вони піддавалися.

Клітини мають гени, що сприяють розвитку поділ клітин а також гени, які пригнічують швидкий, неконтрольований ріст клітин, наприклад у пухлинах. Гени, що викликають ріст пухлин, називаються онкогени і називаються ті, що запобігають пухлинам гени-супресори пухлини.

Рак людини може бути викликаний підвищеною експресією онкогенів у поєднанні з блокованою експресією генів супресорів пухлини. Якщо модель метилювання ДНК, що відповідає цій експресії гена, успадковується, потомство може мати підвищену сприйнятливість до раку.

У випадку колоректальний рак, дефектна схема метилювання ДНК може передаватися від батьків до нащадків. Згідно з дослідженням і роботою А. 1983 р. Файнберг та Б. Фогельштейн, модель метилювання ДНК у хворих на рак прямої кишки показала посилене метилювання та блокування генів супресорів пухлини із зниженим метилюванням онкогенів.

Епігенетика також може бути використана для допомоги лікувати генетичні захворювання. При синдромі Тендітного Х відсутній ген Х-хромосоми, який продукує ключовий регуляторний білок. Відсутність білка означає, що білок BRD4, який пригнічує інтелектуальний розвиток, виробляється в надлишку безконтрольно. Препарати, які інгібують експресію BRD4, можуть застосовуватися для лікування захворювання.

Епігенетика має великий вплив на захворювання, але вона може впливати і на інші риси організму, такі як поведінка.

У дослідженні 1988 року в Університеті Макгілл Майкл Міні зауважив, що щури, матері яких доглядали за ними, облизуючи та звертаючи на них увагу, переросли в спокійних дорослих. Щури, матері яких їх ігнорували, стали дорослими занепокоєннями. Аналіз мозкової тканини показав, що поведінка матерів спричинила зміни в метилювання клітин мозку у дитинчат щурів. Відмінності у нащадків щурів були результатом епігенетичних ефектів.

Інші дослідження вивчали вплив голоду. Коли матері були піддані голоду під час вагітності, як це було в Голландії в 1944 і 1945 роках, їх діти мали вищу частоту ожиріння та ішемічної хвороби порівняно з матерями, яким не піддавались голод. Вищі ризики простежувались через зменшення метилювання ДНК гена, що продукує інсуліноподібний фактор росту. Такий епігенетичні ефекти може передаватися у спадок протягом декількох поколінь.

Ефекти поведінки, які можуть передаватися від батьків дітям і надалі, можуть включати наступне:

• Дієта батьків може вплинути на психічне здоров'я потомства.
• Вплив забруднення навколишнього середовища у батьків може вплинути на дитячу астму.
• Історія харчування матері може вплинути на розмір немовлят.
• Вживання надлишку алкоголю батьками чоловічої статі може спричинити агресію у нащадків.
• Вплив батьків на кокаїн може вплинути на пам’ять.

Ці ефекти є результатами змін у метилюванні ДНК, що передаються нащадкам, але якщо ці фактори можуть змінити метилювання ДНК у батьків, фактори, які переживають діти, можуть змінити власну ДНК метилювання. На відміну від генетичного коду, метилювання ДНК у дітей може змінюватися внаслідок поведінки та впливу навколишнього середовища в подальшому житті.

Коли на метилювання ДНК впливає поведінка, метилові сліди на ДНК, де можуть приєднуватися метильні групи, можуть змінюватися і впливати на експресію генів таким чином. Хоча багато досліджень, що стосуються експресії генів, датуються багато років тому, лише недавно результати були пов'язані з зростаючий обсяг епігенетичних досліджень. Це дослідження показує, що роль епігенетики може мати настільки сильний вплив на організми, як основний генетичний код.