Az epigenetika ( más görögül ἐπι - egy előtag, amely valamire való létet vagy valamire helyezést jelöl) a genetika egy része . Az epigenetika a sejtek növekedése és osztódása során a génaktivitás öröklött változásainak tanulmányozása ( epigenetikai öröklődés ) – a fehérjeszintézis olyan változásai, amelyeket olyan mechanizmusok okoznak, amelyek nem változtatják meg a DNS nukleotidszekvenciáját. Az epigenetikai változások a mitotikus szomatikus sejtosztódások sorozatán keresztül fennmaradnak , és továbbadhatók a következő generációnak. A fehérjeszintézis szabályozói (genetikai szekvenciák tevékenységei) - DNS metiláció és demetiláció, hiszton acetilezés és dezacetiláció , transzkripciós faktorok foszforilációja és defoszforilációja , valamint egyéb intracelluláris mechanizmusok [1] .
Az epigenom olyan molekuláris markerek összessége, amelyek szabályozzák a gének aktivitását, de nem változtatják meg a DNS elsődleges szerkezetét [2] .
Az epigenetika keretében olyan folyamatokat tanulmányoznak, mint a parmutáció , a genetikai könyvjelzők, a genomikus imprinting , az X-kromoszóma inaktiválás , a pozícióhatás, az anyai hatások, az átprogramozás, valamint a génexpresszió szabályozásának egyéb mechanizmusai. 2011 - ben kimutatták, hogy az mRNS -metiláció is szerepet játszik a cukorbetegségre való hajlamban , és az RNS-epigenetika egy új ágát hozta létre [3] .
Az epigenetikai vizsgálatok a molekuláris biológiai módszerek széles skáláját alkalmazzák, beleértve a kromatin immunprecipitációt (a ChIP-on-chip és a ChIP-Seq különféle módosításai), in situ hibridizációt , metilációra érzékeny restrikciós enzimeket , DNS-adenin-metiltranszferáz azonosítást (DamID), biszulfit-szekvenálást . Emellett egyre fontosabb szerepet kap a bioinformatikai módszerek (számítógéppel segített epigenetika) alkalmazása.
Az eukarióták epigenetikai változásainak egyik példája a sejtdifferenciálódás folyamata . A morfogenezis során a pluripotens őssejtek különféle pluripotens sejtvonalakat képeznek az embrióban, amelyek viszont teljesen differenciált sejteket eredményeznek. Más szavakkal, egy megtermékenyített petesejt – egy zigóta – különféle sejteket eredményez: idegsejteket , izomsejteket, hámsejteket , ereket. Ebben az esetben az egymást követő sejtosztódások sorozatában egyes gének aktiválódása, valamint mások gátlása epigenetikai mechanizmusok segítségével történik [4] .
A második példa a pocok segítségével mutatható be . Ősszel, hidegtörés előtt, hosszabb és vastagabb szőrrel születnek, mint tavasszal, bár a "tavaszi" és "őszi" egerek méhen belüli fejlődése közel azonos körülmények (hőmérséklet, nappali órák, páratartalom) mellett megy végbe. stb.). Tanulmányok kimutatták, hogy a hajhossz növekedéséhez vezető epigenetikai változásokat kiváltó jel a vér melatoninkoncentráció -gradiensének megváltozása (tavasszal csökken, ősszel pedig emelkedik). Így már a hideg időjárás beköszönte előtt epigenetikus adaptív változások (hajhossznövekedés) indukálódnak, amelyekhez való alkalmazkodás előnyös a szervezet számára.
Az "epigenetika" kifejezést (valamint az "epigenetikus tájat") a "genetika" és az arisztotelészi " epigenezis " szó származékaként javasolták . A „ kromoszómák epigenetikai változásairól” szóló hipotézis szerzője Nyikolaj Konsztantyinovics Kolcov orosz biológus [5] [6] [7] [8] , aki alátámasztotta a genommetilációról szóló korai hipotézisével (1915) [9] . Kísérletileg a jelenséget Kolcov tanítványa, I. A. Rapoport (1941) modellezte [10] . Az „epigenetika” kifejezést Conrad Waddington angol biológus tette népszerűvé [11] [2] . Emellett Erik Erickson pszichológus a pszichoszociális fejlődés elméletében az "epigenetika" kifejezést is használta, azonban ennek definíciója nincs közvetlen kapcsolatban a biológiai terminológiával [12] .
Az 1930-as és 40-es években, amikor ez a kifejezés tudományos használatba került [8] , a gének fizikai természete nem volt teljesen ismert, ezért azt a fogalmi modellként használta, hogy a gének hogyan tudnak kölcsönhatásba lépni környezetükkel fenotípus kialakítása érdekében.
Robin Holliday úgy határozta meg az epigenetikát, mint "a génaktivitás időbeli és térbeli szabályozásának mechanizmusait az organizmusok fejlődése során" [13] . Így az „epigenetika” kifejezés bármely olyan belső tényező leírására használható, amely befolyásolja egy szervezet fejlődését, kivéve magát a DNS-szekvenciát.
A szó modern használata a tudományos diskurzusban szűkebb. A szó görög epi- előtagja olyan tényezőket takar, amelyek befolyásolják a genetikai tényezőket "felül" vagy "amellett", ami azt jelenti, hogy az epigenetikai tényezők az öröklődés hagyományos genetikai tényezői mellett vagy mellett hatnak.
Az epigenetika manapság leggyakrabban használt definícióját A. Riggs ( Arthur D. Riggs ) vezette be a XX. század 90-es éveiben, és úgy fogalmazott, hogy „a génfunkció mitotikusan és/vagy meiotikusan öröklődő változásainak vizsgálata, amelyek nem magyarázhatók változások a DNS szekvenciában" [14] .
A „genetika” szóhoz való hasonlóság számos analógiát adott a kifejezés használatában. Az "epigenom" analóg a "genom" kifejezéssel, és meghatározza a sejt általános epigenetikai állapotát. A „genetikai kód” metaforát is adaptálták, és az „epigenetikai kód” kifejezést olyan epigenetikai jellemzők halmazának leírására használják, amelyek különböző fenotípusokat hoznak létre a különböző sejtekben. Az "epimutáció" kifejezést széles körben használják, amely a normál epigenomban bekövetkező, szórványos tényezők által okozott változásra utal, amely számos sejtgenerációban terjed.
Az epigenetika molekuláris alapja összetett, és nem befolyásolja a DNS elsődleges szerkezetét, de megváltoztatja bizonyos gének aktivitását [15] [2] . Ez megmagyarázza, hogy egy többsejtű szervezet differenciált sejtjeiben miért csak a specifikus aktivitásukhoz szükséges gének expresszálódnak. Az epigenetikai változások sajátossága, hogy a sejtosztódás során megmaradnak. Ismeretes, hogy a legtöbb epigenetikai változás csak egy szervezet élettartama alatt nyilvánul meg. Ugyanakkor, ha a DNS-ben változás történt egy spermiumban vagy tojásban, akkor bizonyos epigenetikai megnyilvánulások egyik generációról a másikra továbbíthatók [16] .
Az eddigi legjobban tanulmányozott epigenetikai mechanizmus a DNS citozin bázisainak metilációja. Az 1970-es években B. F. Vanyushin és G. D. Berdyshev és munkatársai úttörő munkája nyomán a metilációnak a genetikai expresszió szabályozásában betöltött szerepének intenzív tanulmányozása, többek között az öregedés során is elkezdődött . A DNS-metilezés folyamata abból áll, hogy a citozinhoz metilcsoportot adnak a citozingyűrű C5-helyzetében lévő CpG-dinukleotid részeként. A DNS-metiláció főként az eukariótákban rejlik. Emberben a genomi DNS körülbelül 1%-a metilált. A DNS-metiláció folyamatáért három enzim felelős, ezek a DNS-metiltranszferázok 1, 3a és 3b (DNMT1, DNMT3a és DNMT3b). Feltételezhető, hogy a DNMT3a és a DNMT3b de novo metiltranszferázok, amelyek a fejlődés korai szakaszában alakítják a DNS-metilációs profilt, míg a DNMT1 fenntartja a DNS-metilációt a szervezet életének későbbi szakaszaiban. A DNMT1 enzim nagy affinitással rendelkezik az 5-metilcitozinhoz. Amikor a DNMT1 "félig metilált helyet" talál (olyan helyet, ahol a citozin csak az egyik DNS-szálon metilálódik), a második szálon lévő citozint ugyanazon a helyen metilálja. A metiláció funkciója egy gén aktiválása/inaktiválása. A legtöbb esetben egy gén promóterrégióinak metilációja a génaktivitás elnyomásához vezet. Kimutatták, hogy a DNS-metiláció mértékének kisebb változásai is jelentősen megváltoztathatják a génexpresszió szintjét.
Bár a hisztonok aminosav-módosításai az egész fehérjemolekulában előfordulnak, az N-farok módosulások sokkal gyakrabban fordulnak elő. Ezek a módosítások a következők: foszforiláció , ubikvitináció , acetilezés , metilezés , szumoiláció . Az acetilezés a legtöbbet vizsgált hisztonmódosítás. Így a H3 hiszton (H3K14ac és H3K9ac ) 14-es és 9- es lizinjeinek acetil-transzferáz általi acetilezése korrelál a transzkripciós aktivitással a kromoszóma ezen régiójában. Ennek az az oka, hogy a lizin acetilezése pozitív töltését semlegessé változtatja, így lehetetlenné teszi, hogy a DNS negatív töltésű foszfátcsoportjaihoz kötődjön. Ennek eredményeként a hisztonok leválanak a DNS-ről, ami az SWI/SNF komplex és más transzkripciós faktorok csupasz DNS-hez kötődéséhez vezet, amelyek transzkripciót váltanak ki. Ez az epigenetikai szabályozás "cisz" modellje.
A hisztonok képesek megőrizni módosított állapotukat, és sablonként működnek az új hisztonok módosításában, amelyek a replikáció után kötődnek a DNS-hez .
Az epigenetikai tényezők több szinten befolyásolják bizonyos gének expressziós aktivitását, ami egy sejt vagy szervezet fenotípusának megváltozásához vezet. Az ilyen hatás egyik mechanizmusa a kromatin átalakulása. A kromatin egy DNS komplex fehérjékkel, elsősorban hisztonfehérjékkel . A hisztonok alkotják a nukleoszómát , amely köré a DNS feltekercselődik, ami a sejtmagban tömörödik. A génexpresszió intenzitása a genom aktívan expresszált régióiban lévő nukleoszómák sűrűségétől függ . A nukleoszómák nélküli kromatint nyitott kromatinnak nevezik . A kromatin átalakulása a nukleoszómák „sűrűségének” és a hisztonok DNS-hez való affinitásának aktív változásának folyamata.
A prionfehérjék abnormális háromdimenziós szerkezettel rendelkeznek, és képesek katalizálni a homológ normál fehérjék szerkezeti átalakulását hasonló (prion) fehérjévé azáltal, hogy a célfehérjéhez kapcsolódnak és megváltoztatják annak konformációját . Általános szabály, hogy egy fehérje prionállapotát a fehérje α-hélixeinek β-rétegekbe való átmenete jellemzi. A prionok az egyetlen fertőző ágensek, amelyek nukleinsavak részvétele nélkül szaporodnak. Ők végzik az információ átvitelének egyetlen ismert módját fehérjéről fehérjére.
A csillófélék genetikailag azonos sejtjeiben , mint például a Tetrahymena és a Paramecium , kimutatták, hogy a sejtfelszínen a csillósorok szerveződése közötti különbségek öröklődnek. A kísérletileg módosított mintázat átvihető a leánysejtekbe. Valószínű, hogy a meglévő struktúrák sablonként szolgálnak az új struktúrákhoz. Az ilyen öröklődés mechanizmusai nem világosak, de van okunk azt hinni, hogy a többsejtű szervezeteknek is vannak szerkezeti öröklődési rendszerei [17] [18] .
A közelmúltban nagy figyelmet fordítottak a kisméretű, nem kódoló RNS (miRNS) genetikai aktivitásának szabályozásában betöltött szerepének vizsgálatára [19] [20] . A mikroRNS-ek megváltoztathatják az mRNS stabilitását és transzlációját azáltal, hogy komplementer kötődnek az mRNS 3' nem transzlálódó régiójához.
A szomatikus sejtekben az epigenetikai öröklődés fontos szerepet játszik a többsejtű szervezet kialakulásában. Az összes sejt genomja közel azonos, ugyanakkor egy többsejtű szervezet eltérően differenciált sejteket tartalmaz, amelyek különböző módon érzékelik a környezeti jeleket és más-más funkciót látnak el. Az epigenetikai tényezők biztosítják a "sejtmemóriát" [15] .
Mind a genetikai, mind az epigenetikai jelenségek jelentős hatással vannak az emberi egészségre. Ismeretes, hogy számos betegség fordul elő abnormális génmetiláció, valamint a genomiális imprintingnek alávetett gén hemizigótasága miatt . Jelenleg epigenetikai terápiákat fejlesztenek ki e betegségek kezelésére az epigenom megcélzásával és a rendellenességek korrigálásával. Számos szervezet esetében bebizonyosodott, hogy a hiszton acetilezési/dezacetilációs aktivitása és az élettartam között összefüggés van. Talán ugyanezek a folyamatok befolyásolják az emberek várható élettartamát.
Bár az epigenetikát főként a szomatikus sejtmemória összefüggésében vizsgálják, számos olyan transzgeneratív epigenetikai hatás is létezik, amelyek során a genetikai változások az utódokra szállnak át. A mutációkkal ellentétben az epigenetikai változások reverzibilisek, és esetleg irányítottak (adaptívak) [15] . Mivel a legtöbbjük néhány generáció után eltűnik, csak átmeneti adaptációk lehetnek. Aktívan vitatják azt a kérdést is, hogy az epigenetika befolyásolja-e a mutációk gyakoriságát egy adott génben [21] . A citozin-deamináz fehérjék APOBEC/AID családjáról kimutatták, hogy mind a genetikai, mind az epigenetikai öröklődésben részt vesznek hasonló molekuláris mechanizmusok alkalmazásával. Több mint 100 transzgeneratív epigenetikai jelenséget találtak számos organizmusban [22] .
Egyes emberi betegségek genomiális imprintinghez kapcsolódnak , egy olyan jelenség, amelyben egy gén alléljai eltérő metilációs profillal rendelkeznek attól függően, hogy a szülő nemétől származnak. Az imprintinggel kapcsolatos betegségek legismertebb esetei az Angelman -szindróma és a Prader-Willi-szindróma . Mindkettő kialakulásának oka a 15q régió részleges deléciója [23] . Ennek oka a genomi lenyomat jelenléte ezen a lókuszon.
Marcus Pembrey és munkatársai azt találták, hogy a 19. századi svédországi éhínség által sújtott férfiak unokái (de nem unokái) kevésbé voltak hajlamosak a szív- és érrendszeri betegségekre, de hajlamosabbak a cukorbetegségre, ami a szerző szerint egy példa az epigenetikai öröklődésre [24]. .
Számos anyag rendelkezik epigenetikus rákkeltő tulajdonságokkal: a daganatok előfordulási gyakoriságának növekedéséhez vezetnek anélkül, hogy mutagén hatást mutatnának (például dietil-stilbesztrol-arzenit, hexaklór-benzol, nikkelvegyületek). Számos teratogén , különösen a dietil-stilbesztrol, specifikus hatással van a magzatra epigenetikai szinten [25] [26] [27] .
A hiszton-acetilációban és a DNS-metilációban bekövetkező változások különböző gének aktivitásának megváltoztatásával prosztatarák kialakulásához vezetnek. A prosztatarák génaktivitását az étrend és az életmód befolyásolhatja [28] .
2008-ban az Egyesült Államok Nemzeti Egészségügyi Intézete bejelentette, hogy a következő 5 évben 190 millió dollárt költenek epigenetikai kutatásokra. A finanszírozás élén álló kutatók egy része szerint az epigenetika nagyobb szerepet játszhat az emberi betegségek kezelésében, mint a genetika.
Az elmúlt években nagy mennyiségű bizonyíték halmozódott fel arra vonatkozóan, hogy az epigenetikai folyamatok fontos szerepet játszanak az élet későbbi szakaszaiban. Különösen a metilációs profilok széles körű változásai következnek be az öregedés során [2] . Feltételezhető, hogy ezek a folyamatok genetikai ellenőrzés alatt állnak. Általában az embriókból vagy újszülött állatokból izolált DNS-ben figyelhető meg a legtöbb metilezett citozinbázis, és ez a szám az életkorral fokozatosan csökken. Hasonló csökkenést tapasztaltak a DNS-metilációban egerekből, hörcsögökből és emberekből származó tenyésztett limfocitákban. Szisztematikus jellegű, de lehet szövet- és génspecifikus. Például Tra és mtsai. (Tra és mtsai, 2002), újszülöttek, valamint közép- és idősebb korú emberek perifériás véréből izolált T-limfociták több mint 2000 lókuszának összehasonlítása során kiderült, hogy a kor előrehaladtával e lókuszok közül 23 hipermetiláción és 6 hipometiláción megy keresztül. , és a metiláció természetében hasonló változásokat más szövetekben is találtak: a hasnyálmirigyben, a tüdőben és a nyelőcsőben. Kifejezett epigenetikai torzulásokat találtak Hutchinson-Gilford progériában szenvedő betegeknél .
Feltételezik, hogy az életkor előrehaladtával a demetiláció kromoszóma-átrendeződéshez vezet a transzponálható genetikai elemek ( MGE -k ) aktiválódása miatt, amelyeket a DNS-metiláció általában elnyom (Barbot és mtsai, 2002; Bennett-Baker, 2003). A metiláció szisztematikus, életkorral összefüggő csökkenése, legalábbis részben, számos olyan összetett betegség oka lehet, amelyek nem magyarázhatók klasszikus genetikai fogalmakkal.
Egy másik, az ontogénben a demetilációval párhuzamosan végbemenő, az epigenetikai szabályozás folyamatait befolyásoló folyamat a kromatin kondenzáció (heterokromatinizáció), amely az életkorral a genetikai aktivitás csökkenéséhez vezet. Számos tanulmányban korfüggő epigenetikai változásokat is kimutattak a csírasejtekben; ezeknek a változásoknak az iránya láthatóan génspecifikus.
A DNS-metiláció fontosságának fontos bizonyítéka volt az epigenetikus órák kifejlesztése , amelyek segítségével nemcsak hihetetlen pontossággal, fiziológiai paramétereitől függetlenül lehetővé vált egy szervezet biológiai életkorának kiszámítása , hanem a kóros elváltozások azonosítása is. benne [29] .
Személyre szabott orvoslás | |
---|---|
Omix adatszakaszok | |
Alkalmazási szakaszok | |
Mód | |
Kapcsolódó cikkek |
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|