Sisu
- Epigeneetika: määratlus ja ülevaade
- Kuidas epigeneetiline modifikatsioon töötab
- DNA juurdepääsu epigeneetilised piirangud
- Täiendavad epigeneetilised histooni modifikatsioonid
- RNA võib sekkuda geeniekspressiooni
- DNA metüleerimine on geeniekspressiooni peamine tegur
- Epigeneetika näited: haigused
- Epigeneetika näited: käitumine
Organismi geneetiline teave on kodeeritud organismide kromosoomide DNA-sse, kuid tööl on ka muid mõjusid. Geeni moodustavad DNA järjestused ei pruugi olla aktiivsed või võivad olla blokeeritud. Organismi omadused määratakse selle geenide järgi, kuid seda, kas geenid kodeeritud tunnust tegelikult loovad, kutsutakse üles geeniekspressioon.
Geeniekspressiooni võivad mõjutada paljud tegurid, määrates kindlaks, kas geen annab selle omaduse üldse või mõnikord ainult nõrgalt. Kui geeniekspressiooni mõjutavad hormoonid või ensüümid, nimetatakse seda protsessi geeniregulatsiooniks.
Epigeneetika uurib geeniregulatsiooni molekulaarbioloogiat ja muud epigeneetilised mõjud geeniekspressiooni kohta. Põhimõtteliselt on epigeneetika objektiks igasugune mõju, mis muudab DNA järjestuste mõju ilma DNA koodi muutmata.
Epigeneetika: määratlus ja ülevaade
Epigeneetika on protsess, mille kaudu organismid mõjutavad geneetilisi juhiseid mittegeneetilised tegurid. Epigeneetiliste protsesside peamine meetod on geeniekspressiooni kontrollimine. Mõned kontrollimehhanismid on ajutised, teised aga püsivamad ja neid saab pärida läbi epigeneetiline pärand.
Geen ekspresseerib ennast, tehes ise koopia ja viies selle koopia rakku, et toota selle DNA järjestustes kodeeritud valku. Valk, kas üksi või koos teiste valkudega, tekitab spetsiifilise organismi, mida iseloomustatakse. Kui geeni valgu tootmine blokeeritakse, siis organismi iseloomulikud tunnused ei ilmu.
Epigeneetika uurib, kuidas saab geeni blokeerida selle valgu tootmist ja kuidas seda blokeerimisel uuesti sisse lülitada. Paljude hulgas epigeneetilised mehhanismid mis võivad geeniekspressiooni mõjutada, on järgmised:
Epigeneetika uurib, kuidas geenid ekspresseeruvad, mis mõjutab nende ekspressiooni ja geenide juhtimise mehhanisme. Selles vaadeldakse geneetilise kihi kohal olevat mõjukihti ja seda, kuidas see kiht määrab epigeneetilised muutused kuidas organism välja näeb ja kuidas ta käitub.
Kuidas epigeneetiline modifikatsioon töötab
Ehkki kõigil organismi rakkudel on sama genoom, täidavad rakud erinevaid funktsioone sõltuvalt sellest, kuidas nad oma geene reguleerivad. Organismi tasandil võib organismidel olla sama geneetiline kood, kuid nad näevad välja ja käituvad erinevalt. Näiteks inimeste puhul on identsetel kaksikutel sama genoom, kuid nad näevad välja ja käituvad sõltuvalt sellest pisut erinevalt epigeneetilised muutused.
Selline epigeneetiline toime võib varieeruda sõltuvalt paljudest sisemistest ja välistest teguritest, sealhulgas järgmistest:
Kõik need võivad olla epigeneetilised tegurid, mis soodustavad või häirivad geeniekspressiooni rakkudes. Sellised epigeneetiline kontroll on veel üks viis geeniekspressiooni reguleerimiseks, muutmata selle aluseks olevat geneetilist koodi.
Mõlemal juhul muutub üldine geeniekspressioon. Geeniekspressiooniks on vaja kas sisemisi ja väliseid tegureid, või võivad need blokeerida ühe etapi. Kui puudub vajalik faktor, näiteks valgu tootmiseks vajalik ensüüm, puudub valk.
Blokeeriva teguri olemasolul blokeeritakse vastava geeni ekspressiooni etapi põikfunktsioon ja vastava geeni ekspressioon. Epigeneetika tähendab, et geeni DNA järjestustes kodeeritud omadus ei pruugi organismis ilmneda.
DNA juurdepääsu epigeneetilised piirangud
Genoom on kodeeritud DNA järjestuste õhukestesse pikkadesse molekulidesse, mis tuleb keeruka kromatiini struktuuriga tihedalt haavata, et need mahuksid pisikestesse rakutuumadesse.
Geeni ekspresseerimiseks kopeeritakse DNA a transkriptsiooni mehhanism. DNA topeltheeliksi osa, mis sisaldab ekspresseeritavat geeni, keritakse kergelt lahti ja RNA molekul teeb geeni moodustavate DNA järjestuste koopia.
DNA molekulid keritakse ümber spetsiaalsete valkude, mida nimetatakse histoonideks. Histoone saab muuta nii, et DNA on haavatud enam-vähem tihedalt.
Sellised histooni modifikatsioonid Selle tagajärjel võivad DNA molekulid olla nii tihedalt haavatud, et spetsiaalsetest ensüümidest ja aminohapetest koosnev transkriptsioonimehhanism ei jõuaks kopeeritavasse geeni. Geenile juurdepääsu piiramine histooni modifitseerimise kaudu viib geeni epigeneetilise kontrolli alla.
Täiendavad epigeneetilised histooni modifikatsioonid
Lisaks geenidele juurdepääsu piiramisele saab histooni valke muuta nii, et nad seostuksid enam-vähem tihedalt DNA kromosiini struktuuris ümbritsevate DNA molekulidega. Sellised histooni modifikatsioonid mõjutavad transkriptsioonimehhanismi, mille ülesanne on teha ekspresseeritavatest geenidest RNA koopia.
Histooni modifikatsioonid, mis mõjutavad geeni ekspressiooni, hõlmavad järgmist:
Kui histoone muudetakse seondumise suurendamiseks, transkribeeritakse konkreetse geeni geneetiline kood ja geeni ei ekspresseerita. Kui seondumine väheneb, saab teha rohkem geneetilisi koopiaid või neid on lihtsam teha. Seejärel ekspresseeritakse spetsiifilist geeni üha enam ja enam toodetakse selle kodeeritud valku.
RNA võib sekkuda geeniekspressiooni
Pärast geeni DNA järjestuste kopeerimist RNA järjestus, lahkub tuumast RNA molekul. Geneetilises järjestuses kodeeritud valku võivad toota väikesed rakutehased, mida nimetatakse ribosoomideks.
Toiminguahel on järgmine:
RNA molekuli kaks põhifunktsiooni on transkriptsioon ja translatsioon. Lisaks DNA järjestuste kopeerimiseks ja ülekandmiseks kasutatavale RNA-le saavad rakud toota interferentsi RNA või iRNA. Need on RNA järjestuste lühikesed ahelad, mida nimetatakse mittekodeeriv RNA kuna neil pole geene kodeerivaid järjestusi.
Nende ülesanne on segada transkriptsiooni ja translatsiooni, vähendades geeniekspressiooni. Sel viisil on iRNA-l epigeneetiline toime.
DNA metüleerimine on geeniekspressiooni peamine tegur
DNA metüülimise ajal kutsusid ensüümid DNA metüültransferaasid kinnitage metüülrühmad DNA molekulidele. Geeni aktiveerimiseks ja transkriptsiooniprotsessi alustamiseks peab valk liituma DNA molekuliga stardi lähedal. Metüülrühmad paigutatakse kohtadesse, kuhu transkriptsioonivalk tavaliselt kinnitub, blokeerides sellega transkriptsiooni funktsiooni.
Rakkude jagunemisel kopeeritakse rakkude genoomi DNA järjestused protsessis, mida nimetatakse DNA replikatsioon. Sama protsessi kasutatakse sperma ja munarakkude moodustamiseks kõrgemates organismides.
DNA kopeerimisel kaovad paljud geeniekspressiooni reguleerivad tegurid, kuid kopeeritud DNA molekulides korduvad paljud DNA metülatsioonimustrid. See tähendab, et geeniekspressiooni reguleerimine, mis on põhjustatud DNA metüülimist saab pärida isegi kui aluseks olevad DNA järjestused jäävad muutumatuks.
Kuna DNA metüleerimine reageerib sellistele epigeneetilistele teguritele nagu keskkond, toitumine, kemikaalid, stress, reostus, elustiili valikud ja radiatsioon, saab selliste teguritega kokkupuutest tulenevad epigeneetilised reaktsioonid pärida DNA metüleerimise kaudu. See tähendab, et lisaks genealoogilistele mõjudele kujundab indiviidi ka vanemate käitumine ja keskkonnategurid, millega nad kokku puutusid.
Epigeneetika näited: haigused
Rakkudel on geenid, mis soodustavad rakkude jagunemist, samuti geenid, mis pärsivad kiiret, kontrollimatut rakkude kasvu, näiteks tuumorites. Geenid, mis põhjustavad kasvajate kasvu, nimetatakse onkogeenid ja neid, mis väldivad kasvajaid, nimetatakse kasvaja supressorgeenid.
Inimese vähktõbe võib põhjustada onkogeenide suurenenud ekspressioon koos kasvaja supressorgeenide blokeeritud ekspressiooniga. Kui sellele geeni ekspressioonile vastav DNA metülatsioonimuster on päritav, võib järglastel olla suurem vastuvõtlikkus vähile.
Juhul kui pärasoolevähk, võib vigane DNA metüülimismuster vanematelt järglastele edasi kanduda. A. Feinbergi ja B. Vogelsteini 1983. aasta uuringu ja paberi kohaselt näitas kolorektaalse vähiga patsientide DNA metülatsioonimuster metüleerimise suurenemist ja tuumori supressorigeenide blokeerimist koos onkogeenide vähenenud metüleerimisega.
Abiks võib olla ka epigeneetika ravida geneetilisi haigusi. Fragile X sündroomi korral puudub X-kromosoomi geen, mis toodaks peamist regulatiivset valku. Valgu puudumine tähendab, et intellektuaalset arengut pärssivat BRD4 valku toodetakse kontrollimata viisil üle. Haiguse raviks võib kasutada ravimeid, mis pärsivad BRD4 ekspressiooni.
Epigeneetika näited: käitumine
Epigeneetikal on suur mõju haigusele, kuid see võib mõjutada ka muid organismi tunnuseid, näiteks käitumist.
McGilli ülikoolis 1988. aastal tehtud uuringus täheldas Michael Meany, et rotid, kelle emad hoolitsesid nende eest lakkudes ja neile tähelepanu pöörates, arenesid rahulikuks täiskasvanuks. Rotid, kelle emad neid eirasid, muutusid ärevaks täiskasvanuks. Ajukude analüüs näitas, et emade käitumine põhjustas muutusi vereringes ajurakkude metüleerimine beebirottidel. Rottide järglaste erinevused olid tingitud epigeneetilistest mõjudest.
Teistes uuringutes on vaadeldud näljahäda mõju. Kui emad olid raseduse ajal nälja käes, nagu 1944. ja 1945. aastal Hollandis, oli nende lastel rasvumise ja südamehaiguste esinemissagedus suurem kui emadel, kes ei olnud näljahäda käes. Suuremad riskid tulenesid insuliinitaolist kasvufaktorit produtseeriva geeni vähenenud DNA metüülimisest. Sellised epigeneetilised mõjud võib pärida mitme põlvkonna jooksul.
Vanematelt lastele ja edasi kanduv käitumine võib hõlmata järgmist:
Need mõjud tulenevad DNA metülatsiooni muutustest, mis kanduvad üle järglastele, kuid kui need tegurid võivad muuta DNA metülatsiooni vanematel, võivad tegurid, mida lapsed kogevad, muuta nende endi DNA metüülimist. Erinevalt geneetilisest koodist võib laste metüleerimist muuta käitumine ja keskkonna kokkupuude hilisemas elus.
Kui käitumine mõjutab DNA metüülimist, võivad DNA metüülimärgised, kuhu metüülrühmad võivad kinnituda, muuta ja mõjutada geeni ekspressiooni. Ehkki paljud geeniekspressiooni käsitlevad uuringud pärinevad aastaid tagasi, on tulemused alles hiljuti ühendatud a kasvav epigeneetiliste uuringute maht. Need uuringud näitavad, et epigeneetika roll võib olla organismidele sama tugev mõju kui selle aluseks olev geneetiline kood.