Vsebina
- Epigenetika: definicija in pregled
- Kako deluje epigenetska modifikacija
- Epigenetske omejitve dostopa do DNK
- Dodatne epigenetske spremembe histona
- RNA lahko moti ekspresijo genov
- Metilacija DNA je glavni dejavnik genske ekspresije
- Primeri epigenetike: bolezni
- Primeri epigenetike: vedenje
Genetske informacije za organizem so kodirane v DNK kromosomov DNK, vendar obstajajo tudi drugi vplivi na delo. Zaporedja DNK, ki sestavljajo gen, morda niso aktivna ali pa so blokirana. Značilnosti organizmov so določene z njegovimi geni, toda, ali geni dejansko ustvarjajo kodirano značilnost, se imenuje genska ekspresija.
Številni dejavniki lahko vplivajo na izražanje gena in določijo, ali gen sploh daje svojo značilnost ali včasih le šibko. Kadar na gensko izražanje vplivajo hormoni ali encimi, se postopek imenuje genska regulacija.
Epigenetika preučuje molekularno biologijo regulacije genov in drugo epigenetski vplivi o genskem izražanju. V bistvu je vsak vpliv, ki spremeni učinek zaporedja DNK, ne da bi spremenil kodo DNK, predmet epigenetike.
Epigenetika: definicija in pregled
Epigenetika je postopek, na katerega vplivajo genetska navodila, ki jih vsebuje DNK organizmov negenetski dejavniki. Primarna metoda za epigenetske procese je nadzor ekspresije genov. Nekateri mehanizmi nadzora so začasni, drugi pa so trajnejši in jih je mogoče podedovati prek epigenetsko dedovanje.
Gen se izrazi s kopijo samega sebe in kopijo v celico, da ustvari protein, kodiran v njegovih zaporedjih DNK. Beljakovine same ali v kombinaciji z drugimi beljakovinami proizvajajo specifično značilnost organizma. Če genu prepreči nastajanje beljakovin, se značilnosti organizma ne bodo pojavile.
Epigenetika proučuje, kako lahko genu preprečimo proizvodnjo svojih beljakovin in kako ga je mogoče vklopiti, če je blokiran. Med številnimi epigenetski mehanizmi ki lahko vplivajo na izražanje genov, so:
Epigenetika preučuje, kako se geni izražajo, kaj vpliva na njihovo ekspresijo in mehanizme, ki nadzorujejo gene. Na plast vpliva nad gensko plastjo in na to, kako ta plast določa epigenetske spremembe kako izgleda organizem in kako se obnaša.
Kako deluje epigenetska modifikacija
Čeprav imajo vse celice v organizmu enak genom, celice prevzemajo različne funkcije glede na to, kako uravnavajo svoje gene. Na ravni organizmov imajo organizmi lahko isti genetski zapis, vendar se drugače in drugače obnašajo. Na primer pri ljudeh imata identična dvojčka enak človeški genom, vendar bosta videti in se obnašala nekoliko drugače, odvisno od tega epigenetske spremembe.
Takšni epigenetski učinki se lahko razlikujejo glede na številne notranje in zunanje dejavnike, vključno z naslednjim:
Vsak od njih je lahko epigenetski dejavnik, ki spodbuja ali moti ekspresijo genov v celicah. Taki epigenetski nadzor je še en način uravnavanja izražanja genov, ne da bi spremenili osnovni genetski kod.
V vsakem primeru se spremeni celotno gensko izražanje. Notranji in zunanji dejavniki so potrebni bodisi za izražanje genov, bodisi lahko blokirajo eno od stopenj. Če je potreben faktor, kot je encim, potreben za proizvodnjo beljakovin, odsoten, se beljakovinski prah ne ustvari.
Če je prisoten blokirni faktor, funkcija ustrezne faze izražanja genov ne more delovati in izražanje ustreznega gena se blokira. Epigenetika pomeni, da se lahko lastnost, ki je kodirana v sekvenci DNA gena, ne pojavi v organizmu.
Epigenetske omejitve dostopa do DNK
Genom je kodiran v tanke dolge molekule DNK zaporedja, ki jih je treba tesno naviti v zapleteno kromatinsko strukturo, da se prilegajo drobnim celičnim jedrom.
Za izražanje gena se DNK kopira preko a transkripcijski mehanizem. Del dvojne vijačnice DNA, ki vsebuje gen, ki ga je treba izraziti, se rahlo odvije in molekula RNA naredi kopijo zaporedja DNK, ki tvori gen.
Molekule DNA so ovite okoli posebnih proteinov, imenovanih histoni. Histoni se lahko spremenijo tako, da se DNA navije bolj ali manj tesno.
Taki spremembe histona lahko povzroči, da se molekule DNA navijejo tako tesno, da mehanizem prepisovanja, sestavljen iz posebnih encimov in aminokislin, ne doseže gene, ki ga je treba kopirati. Omejevanje dostopa do gena s spreminjanjem histona povzroči epigenetsko kontrolo gena.
Dodatne epigenetske spremembe histona
Poleg omejevanja dostopa do genov se lahko histonski proteini spremenijo tako, da se vežejo bolj ali manj tesno na molekule DNK, ki se nahajajo okoli njih v strukturi kromatina. Takšne spremembe histona vplivajo na mehanizem transkripcije, katerega naloga je narediti RNA kopijo genov, ki jih je treba izraziti.
Spremembe histona, ki na ta način vplivajo na izražanje genov, vključujejo naslednje:
Ko se histoni spremenijo, da se poveča vezava, se genetski kod za določen gen ne more prepisati, gen pa se ne izrazi. Ko je vezava zmanjšana, je mogoče narediti več genetskih kopij ali jih narediti lažje. Specifični gen se nato še bolj izrazi in proizvede se več njegovega kodiranega proteina.
RNA lahko moti ekspresijo genov
Potem ko se DNA sekvence kopirajo v an Zaporedje RNA, molekula RNA zapusti jedro. Protein, kodiran v genetskem zaporedju, lahko proizvajajo majhne tovarne celic, imenovane ribosomi.
Veriga poslovanja je naslednja:
Dve ključni funkciji molekule RNA sta prepisovanje in prevajanje. Poleg RNK, ki se uporablja za kopiranje in prenos zaporedij DNK, lahko celice proizvajajo interferenčna RNA ali iRNA. To so kratki prameni zaporedja RNA, imenovani nekodirajoča RNA ker nimajo zaporedij, ki bi kodirale gene.
Njihova funkcija je, da motijo prepisovanje in prevajanje, zmanjšujejo gensko izražanje. Na ta način ima iRNA epigenetski učinek.
Metilacija DNA je glavni dejavnik genske ekspresije
Med metilacijo DNA se encimi imenujejo DNA metiltransferaze vežejo metilne skupine na molekule DNA. Za aktiviranje gena in začetek postopka transkripcije se mora protein blizu molekule na začetku pritrditi na molekulo DNK. Metilne skupine so nameščene na mestih, kjer se transkripcijski protein običajno veže in tako blokira funkcijo transkripcije.
Ko se celice delijo, se zaporedja DNK celičnega genoma kopirajo v postopku, imenovanem Podvajanje DNK. Isti postopek se uporablja za ustvarjanje semenčic in jajčnih celic v višjih organizmih.
Številni dejavniki, ki uravnavajo ekspresijo genov, se izgubijo pri kopiranju DNK, vendar se v kopirane molekule DNK reproducira veliko vzorcev metilacije DNK. To pomeni, da uravnavanje izražanja genov povzroča Metilacija DNA se lahko podeduje čeprav osnovne sekvence DNK ostanejo nespremenjene.
Ker se metilacija DNA odziva na epigenetske dejavnike, kot so okolje, prehrana, kemikalije, stres, onesnaževanje, izbira življenjskega sloga in sevanje, se lahko epigenetske reakcije zaradi izpostavljenosti takšnim dejavnikom podedujejo z metilacijo DNA. To pomeni, da posameznika poleg genealoških vplivov oblikujejo tudi vedenje staršev in okoljski dejavniki, katerim so bili izpostavljeni.
Primeri epigenetike: bolezni
Celice imajo gene, ki spodbujajo delitev celic, pa tudi gene, ki zavirajo hitro, nenadzorovano rast celic, na primer pri tumorjih. Imenujejo se geni, ki povzročajo rast tumorjev onkogeni imenujejo pa se tisti, ki preprečujejo tumorje geni za supresorje tumorjev.
Človeški rak lahko povzroči povečana ekspresija onkogenov skupaj z blokiranim izražanjem tumorskih supresorskih genov. Če se deduje vzorec metilacije DNA, ki ustreza temu izražanju genov, ima potomstvo povečano dovzetnost za raka.
V primeru kolorektalni raklahko napačni vzorec metilacije DNA prenese s staršev na potomce. Glede na študijo iz leta 1983 in prispevek A. Feinberga in B. Vogelsteina je vzorec metilacije DNK bolnikov z rakom debelega črevesa in danke pokazal povečano metilacijo in blokiranje genov zaviralcev tumorjev z zmanjšano metilacijo onkogenov.
Za pomoč lahko uporabimo tudi epigenetiko zdravljenje genetskih bolezni. V Fragile X Syndrome manjka gen X-kromosom, ki proizvaja ključni regulativni protein. Odsotnost beljakovin pomeni, da se beljakovina BRD4, ki zavira intelektualni razvoj, nenadzorovano proizvaja. Za zdravljenje bolezni se lahko uporabljajo zdravila, ki zavirajo izražanje BRD4.
Primeri epigenetike: vedenje
Epigenetika ima velik vpliv na bolezen, lahko pa vpliva tudi na druge lastnosti organizma, kot je vedenje.
V študiji iz leta 1988 na univerzi McGill je Michael Meany opazil, da so se podgane, katerih matere zanje skrbijo z lizanjem in pozornostjo, razvile v mirne odrasle. Podgane, katerih matere jih niso upoštevale, so postale tesnobne odrasle osebe. Analiza možganskega tkiva je pokazala, da je vedenje mater povzročilo spremembe na metilacija možganskih celic pri otroških podganah. Razlike pri potomcih podgan so bile posledica epigenetskih učinkov.
Druge študije so proučile učinek lakote. Ko so bile matere med nosečnostjo izpostavljene lakoti, kot je bilo to v letih 1944 in 1945 na Nizozemskem, so imeli njihovi otroci večjo pojavnost debelosti in koronarne bolezni v primerjavi z materami, ki niso bile izpostavljene lakoti. Večja tveganja so sledila zmanjšanju metilacije DNA gena, ki proizvaja insulinu podoben rastni faktor. Taki epigenetski učinki se lahko podeduje več generacij.
Učinki na vedenje, ki se lahko prenašajo od staršev na otroke in naprej, lahko vključujejo naslednje:
Ti učinki so rezultat sprememb metilacije DNA, ki se prenašajo na potomce, če pa ti dejavniki lahko spremenijo metilacijo DNK pri starših, lahko dejavniki, ki jih doživljajo otroci, spremenijo lastno metilacijo DNK. Za razliko od genetskega koda se metilacija DNK pri otrocih lahko spremeni v vedenju in izpostavljenosti okolja v poznejšem življenju.
Kadar na metilacijo DNA vpliva vedenje, se lahko metilne oznake na DNK, kjer se metilne skupine pritrdijo, spremenijo in na ta način vplivajo na izražanje genov. Čeprav številne študije, ki se ukvarjajo z izražanjem genov, izvirajo iz mnogih let, so bili rezultati šele pred kratkim povezani z a naraščajoči obseg epigenetskih raziskav. Ta raziskava kaže, da je vloga epigenetike lahko tako močan vpliv na organizme kot temeljni genetski zapis.