Περιεχόμενο
- Επιγενετική: ορισμός και επισκόπηση
- Πώς λειτουργεί η επιγενετική τροποποίηση
- Επιγενετικοί περιορισμοί στην πρόσβαση DNA
- Επιπρόσθετες τροποποιήσεις επιγενετικών ιστονών
- Το RNA μπορεί να παρεμβαίνει στην έκφραση γονιδίων
- Η μεθυλίωση του DNA είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην έκφραση γονιδίων
- Παραδείγματα επιγενετικών: Ασθένειες
- Παραδείγματα επιγενετικής: Συμπεριφορά
Η γενετική πληροφορία για έναν οργανισμό κωδικοποιείται στο DNA των χρωμοσωμάτων των οργανισμών, αλλά υπάρχουν και άλλες επιρροές στην εργασία. Οι αλληλουχίες ϋΝΑ που συνθέτουν ένα γονίδιο μπορεί να μην είναι ενεργές ή να μπλοκαριστούν. Τα χαρακτηριστικά των οργανισμών καθορίζονται από τα γονίδια του, αλλά αν τα γονίδια δημιουργούν πραγματικά το κωδικοποιημένο χαρακτηριστικό ονομάζεται γονιδιακή έκφραση.
Πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την γονιδιακή έκφραση, καθορίζοντας εάν το γονίδιο παράγει το χαρακτηριστικό του καθόλου ή μερικές φορές μόνο ασθενώς. Όταν η γονιδιακή έκφραση επηρεάζεται από ορμόνες ή ένζυμα, η διαδικασία ονομάζεται γονιδιακή ρύθμιση.
Επιγενετική μελετά τη μοριακή βιολογία της γονιδιακής ρύθμισης και την άλλη επιγενετικές επιρροές στην έκφραση γονιδίων. Βασικά κάθε επιρροή που τροποποιεί την επίδραση των αλληλουχιών του DNA χωρίς να αλλάζει τον κώδικα του DNA είναι ένα θέμα επιγενετικής.
Επιγενετική: ορισμός και επισκόπηση
Επιγενετική είναι η διαδικασία μέσω της οποίας επηρεάζονται οι γενετικές οδηγίες που περιέχονται στο DNA των οργανισμών μη γενετικούς παράγοντες. Η κύρια μέθοδος για τις επιγενετικές διεργασίες είναι ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης. Ορισμένοι μηχανισμοί ελέγχου είναι προσωρινοί, αλλά άλλοι είναι πιο μόνιμοι και μπορούν να κληρονομηθούν μέσω επιγενετική κληρονομιά.
Ένα γονίδιο εκφράζεται δημιουργώντας ένα αντίγραφο του εαυτού του και εισάγοντας το αντίγραφο μέσα στο κύτταρο για να παράγει την πρωτεΐνη που κωδικοποιείται στις αλληλουχίες DNA του. Η πρωτεΐνη, είτε μόνη της είτε σε συνδυασμό με άλλες πρωτεΐνες, παράγει ένα ειδικό χαρακτηριστικό του οργανισμού. Αν το γονίδιο είναι αποκλεισμένο από την παραγωγή της πρωτεΐνης, το χαρακτηριστικό του οργανισμού δεν θα εμφανιστεί.
Η επιγενετική εξετάζει πώς μπορεί να αποκλειστεί το γονίδιο από το να παράγει την πρωτεΐνη της και πώς μπορεί να ενεργοποιηθεί ξανά εάν έχει μπλοκαριστεί. Μεταξύ των πολλών επιγενετικούς μηχανισμούς που μπορούν να επηρεάσουν τη γονιδιακή έκφραση είναι τα εξής:
Η επιγενετική μελετά πώς εκφράζονται τα γονίδια, τι επηρεάζει την έκφρασή τους και τους μηχανισμούς που ελέγχουν τα γονίδια. Εξετάζει το στρώμα επιρροής πάνω από το γενετικό στρώμα και το πώς καθορίζει αυτό το στρώμα επιγενετικές αλλαγές σε αυτό που μοιάζει ένας οργανισμός και πώς συμπεριφέρεται.
Πώς λειτουργεί η επιγενετική τροποποίηση
Αν και όλα τα κύτταρα σε έναν οργανισμό έχουν το ίδιο γονιδίωμα, τα κύτταρα παίρνουν διαφορετικές λειτουργίες με βάση το πώς ρυθμίζουν τα γονίδιά τους. Σε οργανικό επίπεδο, οι οργανισμοί μπορεί να έχουν τον ίδιο γενετικό κώδικα, αλλά να φαίνονται και να συμπεριφέρονται διαφορετικά. Στην περίπτωση των ανθρώπων για παράδειγμα, τα ίδια δίδυμα έχουν το ίδιο ανθρώπινο γονιδίωμα αλλά θα φαίνονται και θα συμπεριφέρονται ελαφρώς διαφορετικά, ανάλογα με επιγενετικές αλλοιώσεις.
Τέτοιες επιγενετικές επιδράσεις μπορεί να ποικίλουν ανάλογα με πολλούς εσωτερικούς και εξωτερικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των ακόλουθων:
Κάθε ένα από αυτά μπορεί να είναι επιγενετικοί παράγοντες που προάγουν ή διαταράσσουν τη γονιδιακή έκφραση στα κύτταρα. Τέτοιος επιγενετικό έλεγχο είναι ένας άλλος τρόπος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης χωρίς αλλαγή του υποκείμενου γενετικού κώδικα.
Σε κάθε περίπτωση, η γενική γονιδιακή έκφραση αλλάζει. Οι εσωτερικοί και εξωτερικοί παράγοντες είτε απαιτούνται για την έκφραση γονιδίων, είτε μπορεί να παρεμποδίσουν ένα από τα στάδια. Εάν ένας απαιτούμενος παράγοντας όπως ένα ένζυμο που απαιτείται για την παραγωγή πρωτεϊνών απουσιάζει, η πρωτεΐνη δεν μπορεί να παραχθεί.
Εάν υπάρχει ένας παράγοντας δέσμευσης, η αντίστοιχη λειτουργία κλίσης του αντίστοιχου γονιδίου έκφρασης και η έκφραση του σχετικού γονιδίου παρεμποδίζεται. Η επιγενετική σημαίνει ότι ένα χαρακτηριστικό που κωδικοποιείται στις αλληλουχίες ϋΝΑ ενός γονιδίου μπορεί να μην εμφανίζεται στον οργανισμό.
Επιγενετικοί περιορισμοί στην πρόσβαση DNA
Το γονιδίωμα κωδικοποιείται σε λεπτά, μακρά μόρια αλληλουχιών ϋΝΑ που πρέπει να τυλίγονται σφιχτά σε μια περίπλοκη δομή χρωματίνης ώστε να ταιριάζουν σε μικροσκοπικούς κυτταρικούς πυρήνες.
Για να εκφράσει ένα γονίδιο, το DNA αντιγράφεται μέσω a μεταγραφικό μηχανισμό. Το τμήμα μιας διπλής έλικας DNA που περιέχει το γονίδιο που πρόκειται να εκφραστεί ξετυλίγεται ελαφρώς και ένα μόριο RNA κάνει ένα αντίγραφο των αλληλουχιών DNA που συνθέτουν το γονίδιο.
Τα μόρια DNA περιτυλίσσονται γύρω από ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Οι ιστόνες μπορούν να αλλάξουν έτσι ώστε το DNA να τυλίγεται περισσότερο ή λιγότερο σφιχτά.
Τέτοιος τροποποιήσεις ιστόνης μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τα μόρια του DNA να τυλίγονται τόσο σφιχτά ώστε ο μηχανισμός μεταγραφής, που αποτελείται από ειδικά ένζυμα και αμινοξέα, να υπερβαίνει το γονίδιο που πρόκειται να αντιγραφεί. Ο περιορισμός της πρόσβασης σε ένα γονίδιο μέσω της τροποποίησης της ιστόνης οδηγεί σε επιγενετικό έλεγχο του γονιδίου.
Επιπρόσθετες τροποποιήσεις επιγενετικών ιστονών
Εκτός από τον περιορισμό της πρόσβασης στα γονίδια, οι πρωτεΐνες ιστόνης μπορούν να αλλάξουν ώστε να δεσμεύονται περισσότερο ή λιγότερο στενά με τα μόρια DNA που τυλίγονται γύρω από αυτά στη δομή της χρωματίνης. Τέτοιες τροποποιήσεις ιστονών επηρεάζουν τον μεταγραφικό μηχανισμό του οποίου η λειτουργία είναι να κάνει ένα αντίγραφο RNA των γονιδίων που πρόκειται να εκφραστεί.
Οι τροποποιήσεις ιστοτονών που επηρεάζουν την γονιδιακή έκφραση με αυτό τον τρόπο περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
Όταν μεταβάλλονται οι ιστόνες για να αυξηθεί η δέσμευση, ο γενετικός κώδικας για ένα συγκεκριμένο γονίδιο μπορεί να μεταγραφεί και το γονίδιο δεν εκφράζεται. Όταν μειώνεται η δέσμευση, μπορούν να γίνουν περισσότερα γενετικά αντίγραφα ή μπορούν να γίνουν πιο εύκολα. Το συγκεκριμένο γονίδιο στη συνέχεια εκφράζεται όλο και περισσότερο από την κωδικοποιημένη πρωτεΐνη του παράγεται.
Το RNA μπορεί να παρεμβαίνει στην έκφραση γονιδίων
Μετά την αντιγραφή των αλληλουχιών DNA ενός γονιδίου σε ένα RNA αλληλουχία, το μόριο RNA εγκαταλείπει τον πυρήνα. Η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται στην γενετική αλληλουχία μπορεί να παραχθεί από μικρά εργοστάσια κυττάρων που ονομάζονται ριβοσώματα.
Η αλυσίδα των λειτουργιών έχει ως εξής:
Οι δύο βασικές λειτουργίες ενός μορίου RNA είναι η μεταγραφή και η μετάφραση. Εκτός από το RNA που χρησιμοποιείται για την αντιγραφή και μεταφορά των ακολουθιών DNA, τα κύτταρα μπορούν να παράγουν RNA παρεμβολής ή iRNA. Αυτά είναι μικρές σειρές ακολουθιών RNA που ονομάζονται μη κωδικοποιητικό RNA επειδή δεν έχουν αλληλουχίες που κωδικοποιούν γονίδια.
Η λειτουργία τους είναι να παρεμβαίνουν στη μεταγραφή και τη μετάφραση, μειώνοντας την έκφραση γονιδίων. Με αυτό τον τρόπο, το iRNA έχει επιγενετικό αποτέλεσμα.
Η μεθυλίωση του DNA είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην έκφραση γονιδίων
Κατά τη μεθυλίωση του DNA, τα ένζυμα ονομάζονταν DNA μεθυλτρανσφεράσες συνδέονται ομάδες μεθυλίου με μόρια ϋΝΑ. Για να ενεργοποιήσετε ένα γονίδιο και να ξεκινήσετε τη διαδικασία μεταγραφής, μια πρωτεΐνη πρέπει να προσκολληθεί στο μόριο DNA κοντά στην αρχή. Οι ομάδες μεθυλίου τοποθετούνται στις θέσεις όπου η πρωτεΐνη μεταγραφής θα συνδέεται κανονικά, εμποδίζοντας έτσι τη λειτουργία μεταγραφής.
Όταν τα κύτταρα διαιρούνται, οι αλληλουχίες DNA του γονιδιώματος των κυττάρων αντιγράφονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται Αναδιπλασιασμός DNA. Η ίδια διαδικασία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία σπερματοζωαρίων και ωαρίων σε υψηλότερους οργανισμούς.
Πολλοί από τους παράγοντες που ρυθμίζουν την γονιδιακή έκφραση χάνονται όταν αντιγράφεται το DNA, αλλά πολλές μορφές μεθυλίωσης ϋΝΑ αντιγράφονται στα αντιγραμμένα μόρια ϋΝΑ. Αυτό σημαίνει ότι η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης που προκαλείται από Η μεθυλίωση του DNA μπορεί να κληρονομείται παρόλο που οι υποκείμενες αλληλουχίες DNA παραμένουν αμετάβλητες.
Επειδή η μεθυλίωση του DNA ανταποκρίνεται σε επιγενετικούς παράγοντες όπως είναι το περιβάλλον, η διατροφή, οι χημικές ουσίες, το άγχος, η ρύπανση, οι επιλογές τρόπου ζωής και η ακτινοβολία, οι επιγενετικές αντιδράσεις από την έκθεση σε τέτοιους παράγοντες μπορούν να κληρονομηθούν με μεθυλίωση του DNA. Αυτό σημαίνει ότι, εκτός από τις γενεαλογικές επιρροές, ένα άτομο διαμορφώνεται από τη συμπεριφορά των γονέων και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες στους οποίους εκτέθηκαν.
Παραδείγματα επιγενετικών: Ασθένειες
Τα κύτταρα έχουν γονίδια που προάγουν την κυτταρική διαίρεση καθώς και γονίδια που καταστέλλουν ταχεία, ανεξέλεγκτη κυτταρική ανάπτυξη όπως σε όγκους. Γονίδια που προκαλούν την ανάπτυξη των όγκων καλούνται ογκογονίδια και εκείνες που προλαμβάνουν όγκους καλούνται γονίδια καταστολής όγκων.
Οι καρκίνοι του ανθρώπου μπορούν να προκληθούν από την αυξημένη έκφραση των ογκογονιδίων σε συνδυασμό με την αποκλεισμένη έκφραση των ογκοκατασταλτικών γονιδίων. Εάν το πρότυπο μεθυλίωσης του DNA που αντιστοιχεί σε αυτή την γονιδιακή έκφραση κληρονομείται, ο απόγονος μπορεί να έχει αυξημένη ευαισθησία στον καρκίνο.
Σε περίπτωση που καρκίνο του παχέος εντέρου, ένα ελαττωματικό μοτίβο μεθυλισμού του DNA μπορεί να μεταφερθεί από τους γονείς στους απογόνους. Σύμφωνα με μια μελέτη και μελέτη του 1983 από τους Α. Feinberg και Β. Vogelstein, το μοτίβο μεθυλίωσης του DNA των ασθενών με καρκίνο του παχέος εντέρου έδειξε αυξημένη μεθυλίωση και αποκλεισμό γονιδίων καταστολής όγκων με μειωμένη μεθυλίωση ογκογονιδίων.
Η επιγενετική μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει θεραπεία γενετικών ασθενειών. Στο σύνδρομο Fragile X, ένα γονίδιο χρωμοσώματος Χ που παράγει μια βασική ρυθμιστική πρωτεΐνη λείπει. Η απουσία της πρωτεΐνης σημαίνει ότι η πρωτεΐνη BRD4, η οποία αναστέλλει την πνευματική ανάπτυξη, παράγεται σε περίσσεια με ανεξέλεγκτο τρόπο. Φάρμακα που αναστέλλουν την έκφραση του BRD4 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία της ασθένειας.
Παραδείγματα επιγενετικής: Συμπεριφορά
Η επιγενετική έχει σημαντική επίδραση στην ασθένεια, αλλά μπορεί επίσης να επηρεάσει και άλλα χαρακτηριστικά του οργανισμού, όπως η συμπεριφορά.
Σε μια μελέτη του 1988 στο Πανεπιστήμιο McGill, ο Michael Meany παρατήρησε ότι οι αρουραίοι των οποίων οι μητέρες τους νοιάζονταν με το γλύψιμο και την προσοχή σε αυτούς, εξελίχθηκαν σε ήρεμους ενήλικες. Οι αρουραίοι των οποίων οι μητέρες τους αγνόησαν έγιναν ανήσυχοι ενήλικες. Μια ανάλυση του εγκεφαλικού ιστού έδειξε ότι η συμπεριφορά των μητέρων προκάλεσε αλλαγές στο μεθυλίωση των εγκεφαλικών κυττάρων στους αρουραίους μωρού. Οι διαφορές στους απογόνους των αρουραίων ήταν αποτέλεσμα επιγενετικών επιδράσεων.
Άλλες μελέτες εξέτασαν την επίδραση της πείνας. Όταν οι μητέρες εκτέθηκαν σε πείνα κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης, όπως συνέβη στην Ολλανδία το 1944 και το 1945, τα παιδιά τους είχαν υψηλότερη συχνότητα εμφάνισης παχυσαρκίας και στεφανιαίας νόσου σε σύγκριση με μητέρες που δεν εκτέθηκαν σε πείνα. Οι υψηλότεροι κίνδυνοι εντοπίστηκαν σε μειωμένη μεθυλίωση του DNA ενός γονιδίου που παράγει έναν αυξητικό παράγοντα τύπου ινσουλίνης. Τέτοιος επιγενετικές επιδράσεις μπορεί να κληρονομηθεί σε πολλές γενιές.
Οι επιπτώσεις από τη συμπεριφορά που μπορεί να μεταδοθεί από τους γονείς στα παιδιά και μετά μπορεί να περιλαμβάνουν τα εξής:
Αυτά τα αποτελέσματα είναι τα αποτελέσματα αλλαγών στη μεθυλίωση του DNA που μεταφέρονται στους απογόνους, αλλά αν αυτοί οι παράγοντες μπορούν να αλλάξουν τη μεθυλίωση του DNA στους γονείς, οι παράγοντες που τα παιδιά μπορούν να αλλάξουν τη μεθυλίωση του DNA. Σε αντίθεση με τον γενετικό κώδικα, η μεθυλίωση του DNA στα παιδιά μπορεί να αλλάξει με συμπεριφορά και περιβαλλοντική έκθεση σε μεταγενέστερη ζωή.
Όταν η μεθυλίωση του DNA επηρεάζεται από τη συμπεριφορά, τα σημάδια μεθυλίου στο DNA όπου οι ομάδες μεθυλίου μπορούν να προσκολληθούν μπορούν να αλλάξουν και να επηρεάσουν την γονιδιακή έκφραση με αυτόν τον τρόπο. Αν και πολλές από τις μελέτες που ασχολούνται με τη γονιδιακή έκφραση χρονολογούνται από πολλά χρόνια πριν, τα αποτελέσματα έχουν συνδεθεί μόνο πρόσφατα αυξανόμενο όγκο επιγενετικής έρευνας. Αυτή η έρευνα δείχνει ότι ο ρόλος της επιγενετικής μπορεί να είναι τόσο ισχυρή επίδραση στους οργανισμούς όσο και στον γενετικό κώδικα.