Найкращий приклад включає ефект ...
У двадцятому столітті наука виявила, що біологічна інформація зберігається і відтворюється у формі ДНК. Але на живі організми впливає також ряд механізмів, що впливають на спосіб експресії генів. Епігенетика вивчає ці механізми.
Розгадування таємниці
Перші уявлення про епігенетичні механізми з’явились у науковому співтоваристві в 1970–1980-х роках. Більшість із них пов’язані з хімічними змінами ДНК або білків, які беруть участь у її упаковці. Деякі з цих хімічних маркувань або міток сприяють генній активності, тобто дозволяють виробляти білок гена, тоді як інші мають протилежний ефект, відключаючи активність гена.
Основні методи контролю активності генів передбачається виконувати за допомогою факторів транскрипції, білків, які прилипають до ділянки ДНК поблизу гена, відомого як контрольна область, для його активації або дезактивації. Епігенетичні зміни, як видається, доповнюють активність факторів транскрипції.
Першим виявленим прикладом було метилювання ДНК, яке включає невелику хімічну субодиницю, звану метильною групою, яка додається до ДНК. Відомо, що "букви" ДНК-коду складаються з 4 типів азотистих основ: аденін, цитозин, гуанін і тимін. Ми знали вже кілька десятиліть, що ДНК також містить невелику кількість п’ятої основи, метильованого цитозину, але лише наприкінці 1970-х років стало можливим скласти карту місця геному, де з’явилася ця змінена основа.
Виявилася дивовижна закономірність: метилювання ДНК відбувається у більшості геному, але, як правило, явно відсутнє в контрольних областях генів. Важливо, що коли контрольна область метильована, ген не може бути активований і вважається приглушеним (процес затихання експресії гена).
Метилювання контрольної області гена використовується, наприклад, для замовчування однієї з Х-хромосом самки та забезпечення того, щоб гени, що беруть участь у формуванні сперми та яйцеклітин, інактивовані в іншій частині тіла. Не менш важливо, що шаблони метилювання ДНК копіюються при реплікації ДНК і, таким чином, передаються від стовбурової клітини дочірнім клітинам, коли клітина ділиться. Ця здатність передавати від клітини до клітини допомагає пояснити, чому генетичне мовчання епігенетичними факторами настільки стабільне з часом.
Звідси і назва епігенетика?
Епігенетика - молода наука, і навіть значення слова "епігенетика" все ще залишається предметом дискусій. Загальноприйнята точка зору полягає в тому, що вона стосується змін, які можуть успадковуватися всередині клітини і які не передбачають змін у послідовності ДНК. Наголос на успадкуванні передбачає, що, крім хімічних змін у ДНК або білках, що беруть участь у її упаковці, ця ідея також стосується послідовностей РНК, які активують або деактивують ген, і навіть факторів транскрипція. Можна включити навіть спадкові явища, які не мають нічого спільного з ДНК, наприклад, самовідтворюються пріони.
Альтернативне визначення фокусується на хімічних змінах в ДНК та білках, що беруть участь у її упаковці, спадкові чи ні.
Дискусії щодо визначень можуть тривати нескінченно довго. Зрештою, нам не потрібно занадто турбуватися про те, як називаються ці біологічні процеси. Нам дійсно потрібно знати, як ці складні системи взаємодіють, впливаючи на активність геному.
Відкриття
Надзвичайна істина виникла в 20 столітті, і вона виражає, що біологічна інформація зберігається, зчитується і відтворюється у формі ДНК. Наші гени можна уявити у вигляді інформаційних пакетів, записаних у вигляді азотистих послідовностей основ, що кодують білки, що виконують функції, необхідні для життя.
Термін "епігенетика" позначає широкий спектр молекулярних механізмів, що впливають на активність генів. Епігенетичні «перемикачі» активують або деактивують ген. Вони дають стійкі ефекти, які можуть зберігатися після поділу клітин, а іноді навіть після статевого розмноження. Проект людського геному, навіть якщо він був настільки амбітним, виявився лише початком авантюри для розуміння біологічної моделі життя. Зараз наші очі спрямовані на епігеном.
Перші підказки
Протягом 1950-х років із галузі науки в рамках підготовки, званої генетикою, з'явився величезний набір принципів, які охоплювали те, як кодуються життєві вказівки та передаються з покоління в покоління. І все-таки спадковість, здається, не завжди відповідала правилам. Наприклад, ефекти контролюючого насіння гена кукурудзи, здавалося, часом зникали, а потім з’являлися в наступних поколіннях. Як відбувалася ця поява та зникнення впливу гена?
Пізніше того ж десятиліття було виявлено щось подібне у тварин - явище, яке цього разу стосувалося статевих хромосом. У ссавців у самців є Х-хромосома та Y-хромосома, тоді як у жінок дві Х-хромосоми. Щоб уникнути подвійної дози Х-хромосомних генів у самок, з кожної клітини ембріона випадковим чином вибирається одна Х-хромосома. і є назавжди інвалідом. Процес інактивації Х-хромосоми відбувається на початку внутрішньоутробного розвитку і стабільно передається протягом декількох клітинних поділів, разом із внутрішньоутробним розвитком.
Цей процес ілюструють самки черепахових котів (коти з ділянками хутра різного забарвлення), у яких ген, що кодує колір шерсті, присутній у Х-хромосомі. Їх характерні ділянки хутра різного кольору є результатом ділянок епітеліальних клітин, які вони дезактивували ту чи іншу свою Х-хромосому.
Менш очевидна версія замовчування генів, відома як "друк", була виявлена через кілька років. Гени присутні в подвійних числах у кожній клітині тіла - по одному від кожного з двох батьків. Однак деякі гени поводяться по-різному залежно від батьків, від яких вони походять.
Класичним прикладом є ген, відповідальний за сигнальну молекулу, який називається IGF2, або інсуліностимулюючий фактор росту 2, який сприяє розвитку плода. Ген IGF2 від батька активується, тоді як ген від матері назавжди деактивується.
Цей "друк", здається, має еволюційний сенс, оскільки батьки більше зацікавлені в тому, щоб мати старших дітей - мати матиме більше користі, якщо вона збереже свої ресурси для майбутніх дітей. Але як ген міг "знати", що його успадкували від матері чи батька?
На початку 1980-х років вчені почали вважати, що ці, як і інші незвичні відкриття, були частиною моделі і насправді могли бути аспектами одного і того ж явища. Кожен з них включає стійкі зміни в генній активності, які не передбачають мутацій у самій послідовності ДНК.
ДНК все ще присутня в цілому, але частина її якимось чином перешкоджає нормальному функціонуванню під впливом, який виходить за межі генетики, звідси термін "епігенетика".
Одним з найбільш суперечливих аспектів епігенетики є здатність середовища впливати на наше тіло та поведінку, а не на гени. Однак майте на увазі, що більшість епігенетичних механізмів, виявлених на сьогоднішній день, реагують на обмеження, що є внутрішніми для організму, а не зовнішніми, включаючи інактивацію Х-хромосом, друк генів та регуляцію експресії генів у наш час в утробі матері. Насправді, нещодавно є свідчення того, що головним фактором, що визначає початкові схеми метилювання ДНК, є сама послідовність ДНК - це свідчить про те, що в остаточному підсумку наші гени мають останнє слово.
Однак у деяких випадках середовище відповідало за вплив на схеми метилювання ДНК. Найкращий приклад стосується впливу дієти на тип миші з незвичним кольором, який називається агуті. Зазвичай пташенята цього типу мишей мають забарвлення хутра, яке варіюється від жовтого до темно-коричневого, завдяки гену "агуті". Але якщо вагітну маму годувати дієтою, багатою певними вітамінами та амінокислотами, багатими метильними групами, вона народжує набагато темніших коричневих пташенят.
Висока чутливість гена "агуті" до метилювання обумовлена сусідніми "транспозонами"; це короткі послідовності ДНК, які можна знайти випадковим чином по всьому нашому геному. Коли ступінь метилювання низький, транспозон запускає незвичні рівні агуті, які призводять до появи жовтих мишей. З іншого боку, штучне підвищення ступеня метилювання дезактивує транспозони, що призводить до появи коричневих мишей. Хоча дієта, багата метилом, помірно збільшує ступінь метилювання ДНК у всьому геномі, лише транспозон поблизу агуті, як видається, є гіперчутливим до цього збільшення.
Тож чи можуть прояви навколишнього середовища впливати на генетичні системи в більш природних умовах? Ми знаємо, що умови, що існують під час вагітності, включаючи материнську дієту, мають довгострокові наслідки для здоров’я потомства до повноліття. Наприклад, люди, матері яких недоїдали під час вагітності, частіше страждають на серцеві захворювання та діабет, коли стають дорослими. Епігенетичні механізми можуть зіграти свою роль у цій справі, хоча докази, отримані на сьогоднішній день, є безперечними.
Деякі вважають, що такі ефекти є еволюційно адаптивними; метаболізм нащадків підготовлений до світу, в якому існування важке, і надлишкові калорії повинні зберігатися. Звичайно, якщо існування виявиться легким, цей процес стане контрпродуктивним.
Яскравим прикладом щурячі щенята, якими в дозріванні нехтують матері у гнізді, стають сором’язливими та переляканими дорослими. Є дані, що це досягається метилуванням ДНК у разі гена, відповідального за реакцію на стрес.
Вважається, що метилювання «уповільнює» ген, що призводить до постійного занепокоєння.Згідно з теорією еволюційної адаптивності, цей процес готує мишей до складних умов, збільшуючи неприхильність до ризику.
Можливо, навіть більш суперечливим, одне дослідження припустило подібні глибокі наслідки для людини. Такий висновок був зроблений завдяки посмертному аналізу жертв самогубств, які зазнали жорстокого поводження в дитинстві. Автори висунули ідею, що зловживання підвищує ступінь метилювання гена реакції на стрес людини, що призводить до побічних ефектів протягом усього життя. Однак дослідження було невеликим, а наслідки були досить слабкими, тому поки ще рано робити чіткі висновки.
Наведений текст є перекладом статті миттєвої експертної епігенетики, опублікованої New Scientist. Scientia.ro є єдиним суб’єктом відповідальності за можливі помилки перекладу, Reed Business Information Ltd та New Scientist не несуть ніякої відповідальності в цьому відношенні.
Переклад: Александру Хуцупану
Ви можете коментувати використання облікового запису на сайті, FB, Twitter або Google або як відвідувач (без реєстрації). Для відвідувачів коментарі помірні (схвалено адміністратором).