Най-добрият пример включва ефекта ...
През двадесети век науката разкри, че биологичната информация се съхранява и възпроизвежда под формата на ДНК. Но живите организми също са засегнати от редица механизми, които влияят върху начина на експресия на гените. Епигенетиката изучава тези механизми.
Решаване на мистерията
Първите идеи за епигенетичните механизми се появяват в научната общност през 70-те и 80-те години. Най-често участват химически промени в случай на ДНК или в случай на протеини, участващи в опаковката му. Някои от тези химически маркировки или етикети насърчават генната активност, т.е. позволяват производството на генов протеин, докато други имат обратен ефект, като деактивират дейността на ген.
Предполага се, че основните методи за контрол на активността на гените се извършват посредством транскрипционни фактори, протеини, които се придържат към участък от ДНК близо до ген, известен като контролен регион, за да го активират или деактивират. Епигенетичните промени изглежда допълват дейността на транскрипционните фактори.
Първият открит пример е ДНК метилиране, което включва малка химическа субединица, наречена метилова група, която се добавя към ДНК. Известно е, че „буквите“ на ДНК кода се състоят от 4 вида азотни основи: аденин, цитозин, гуанин и тимин. От няколко десетилетия знаем, че ДНК също съдържа малки количества от пета основа, метилиран цитозин, но едва в края на 70-те години стана възможно да се картографира мястото на генома, където тази променена основа се появи.
Появи се удивителен модел: метилирането на ДНК се случва през по-голямата част от генома, но обикновено явно липсва в контролните области на гените. Важно е, че когато контролната област е метилирана, генът не може да бъде активиран и се счита за заглушен (процес на заглушаване на генната експресия).
Метилирането на контролна област на гена се използва, например, за заглушаване на една от X-хромозомите на женската и за гарантиране, че гените, участващи в образуването на сперматозоиди и яйцеклетки, са инактивирани в останалата част от тялото. Също толкова важно е, че моделите на метилиране на ДНК се копират, когато ДНК се репликира и по този начин се предава от стволовата клетка на дъщерните клетки, когато клетката се раздели. Тази способност да се предава от клетка на клетка помага да се обясни защо генетичното заглушаване от епигенетични фактори е толкова стабилно във времето.
Оттук и името епигенетика?
Епигенетиката е млада наука и дори значението на думата "епигенетика" все още е предмет на дебати. Често срещано мнение е, че се отнася до промени, които могат да бъдат наследени от клетката и които не включват промени в ДНК последователността. Акцентът върху наследяването предполага, че в допълнение към химичните промени в ДНК или протеините, включени в опаковката й, тази идея се отнася и до РНК последователности, които активират или деактивират ген, и дори до факторите на транскрипция. Дори наследствени явления, които нямат нищо общо с ДНК, могат да бъдат включени, като самовъзпроизвеждащи се приони.
Алтернативна дефиниция се фокусира върху химичните промени в ДНК и протеините, включени в опаковката й, наследствени или не.
Дискусиите относно дефинициите могат да продължават безкрайно. В крайна сметка не трябва да се притесняваме твърде много за това как се наричат тези биологични процеси. Това, от което наистина се нуждаем, е да знаем как тези сложни системи си взаимодействат, за да повлияят на активността на генома.
Откритие
Необикновена истина се появи през 20-ти век и тя изразява, че биологичната информация се съхранява, чете и възпроизвежда под формата на ДНК. Нашите гени могат да бъдат представени под формата на информационни пакети, написани под формата на азотни основни последователности, които кодират протеини, изпълняващи функциите, необходими за живота.
Терминът "епигенетика" се отнася до широк спектър от молекулни механизми, които влияят на генната активност. Епигенетичните "превключватели" активират или деактивират ген. Те произвеждат трайни ефекти, които могат да продължат след клетъчното делене, а понякога дори след половото размножаване. Проектът на човешкия геном, макар и толкова амбициозен, се оказа само началото на приключение за разбиране на биологичния модел на живот. Сега очите ни се насочват към епигенома.
Първите улики
През 50-те години на миналия век от науката в обучението, наречено генетика, започва да се появява широк набор от принципи, които обхващат начина, по който инструкциите за живота се кодират и предават от поколение на поколение. И все пак наследствеността не винаги изглеждаше в съответствие с правилата. Например, ефектите на ген, контролиращ семената в царевицата, сякаш понякога изчезват, за да се появят отново в по-късните поколения. Как се е случило това появяване и изчезване на влиянието на ген?
По-късно през същото десетилетие е открито нещо подобно и при животните, явление, което този път включва половите хромозоми. При бозайниците мъжките имат X хромозома и Y хромозома, докато жените имат две X хромозоми. За да се избегне двойна доза X хромозомни гени при женските, една Х хромозома се избира на случаен принцип от всяка клетка на ембриона. и е трайно инвалидна. Процесът на инактивация на Х хромозома се случва в началото на развитието на плода и се предава стабилно по време на няколко клетъчни деления, заедно с развитието на плода.
Този процес е илюстриран от женски костенурки котки (котки с козина с различни цветове), при които ген, кодиращ цвета на козината, присъства върху хромозомата X. Отличителните им зони на козината с различен цвят са резултат от области на епителни клетки, които те дезактивираха едната или другата от своите Х хромозоми.
По-малко очевидна версия на заглушаването на гените, известна като "печат", е открита няколко години по-късно. Гените присъстват в двойни числа във всяка клетка на тялото - по един от всеки от двамата родители. Някои гени обаче се държат по различен начин в зависимост от родителя, от който произхождат.
Класически пример е генът, отговорен за сигналната молекула, наречена IGF2 или инсулиностимулиращ растежен фактор 2, който насърчава развитието на плода. Генът IGF2 от бащата се активира, докато този от майката е деактивиран за постоянно.
Този „печат“ изглежда има смисъл от еволюционна гледна точка, като бащите са по-заинтересовани да имат по-големи деца - майката има повече да спечели, ако запази ресурсите си за бъдещи деца. Но как ген може да „знае“, че е наследен от майка си или баща си?
В началото на 80-те години учените започват да вярват, че тези, както и други необичайни открития, са част от модел и всъщност могат да бъдат аспекти на едно и също явление. Всеки от тях включва постоянни промени в генната активност, които не включват мутации в самата ДНК последователност.
ДНК все още присъства в своята цялост, но част от нея по някакъв начин е спряна да функционира нормално от влияние, което действа извън генетиката, оттук и терминът "епигенетика".
Един от най-противоречивите аспекти на епигенетиката е способността на околната среда да влияе върху нашите тела и поведение, а не върху гените. Имайте предвид обаче, че повечето епигенетични механизми, открити до момента, отговарят на ограничения, които са вътрешни за тялото, а не външни, включително инактивиране на Х хромозома, генен печат и регулиране на генната експресия през нашето време в утробата. Всъщност има скорошни доказателства, че основната детерминанта на първоначалните модели на метилиране на ДНК е самата ДНК последователност - което предполага, че в крайна сметка нашите гени имат последната дума.
В някои случаи обаче средата е отговорна за влиянието върху моделите на метилиране на ДНК. Най-добрият пример включва ефекта от диетата върху тип мишка с необичаен цвят, наречен агути. Обикновено пилетата от този тип мишки имат цвят на козината, който варира от жълт до тъмнокафяв, благодарение на гена "агути". Но ако бременната майка се храни с диета, богата на определени витамини и аминокиселини, богати на метилови групи, тя ражда много по-тъмни кафяви пилета.
Високата чувствителност на гена „agouti“ към метилиране се дължи на съседни „транспозони“; това са къси ДНК последователности, които могат да бъдат намерени произволно разпределени в целия ни геном. Когато степента на метилиране е ниска, транспозонът задейства необичайни нива на агути, които водят до появата на жълти мишки. Изкуственото увеличаване на степента на метилиране, от друга страна, дезактивира транспозоните, което води до появата на кафяви мишки. Докато богатата на метил диета води до умерено увеличаване на степента на метилиране на ДНК в целия геном, само транспозонът близо до агути изглежда свръхчувствителен към това увеличение.
Така че може ли проявите на околната среда да повлияят на генетичните системи в по-естествена среда? Знаем, че условията по време на бременност, включително майчината диета, имат дългосрочни последици за здравето на потомството в зряла възраст. Например хората, чиито майки са били недохранени по време на бременност, са по-склонни да страдат от сърдечни заболявания и диабет, когато станат възрастни. Епигенетичните механизми могат да играят роля в този случай, въпреки че доказателствата, получени до момента, са неубедителни.
Някои вярват, че подобни ефекти са еволюционно адаптивни; метаболизмът на потомството е подготвен за свят, в който съществуването е трудно и трябва да се съхраняват излишните калории. Разбира се, ако съществуването се окаже лесно, този процес ще стане контрапродуктивен.
В поразителен пример, малките плъхове, които са пренебрегнати от майките си в гнездото на зрялост, стават срамежливи и уплашени възрастни. Има доказателства, че това се постига чрез метилиране на ДНК в случай на ген, отговорен за реакцията на стрес.
Смята се, че метилирането "забавя" гена, което води до перманентна тревожност.Според теорията за еволюционната адаптивност този процес подготвя мишките за трудна среда, увеличавайки тяхната неприязън към риска.
Може би дори по-противоречиво, едно проучване предполага подобни дълбоки ефекти върху хората. До този извод се стигна благодарение на следкланични анализи на жертви на самоубийство, които са били малтретирани през детството. Авторите предлагат идеята, че злоупотребата увеличава степента на метилиране на човешкия ген за реакция на стрес, като по този начин води до странични ефекти през целия живот. Изследването обаче беше малко и ефектите бяха доста слаби, така че все още е рано да се правят категорични заключения.
Горният текст е превод на статията instant-expert-epigenetics, публикувана от New Scientist. Scientia.ro е единственият субект, отговорен за възможни грешки в превода, Reed Business Information Ltd и New Scientist не поемат никаква отговорност в това отношение.
Превод: Александру Хуцупану
Можете да коментирате използване на акаунта на сайта, от FB, Twitter или Google или като посетител (без регистрация). За посетителите коментарите са умерени (одобрени от администратор).