епигенетика

  • Ева Миадокова външен редактор
  • 20 февруари 2018 г.

Епигенетиката е прогресивно развиваща се област на генетиката, фокусирана върху изучаването на механизмите, отговорни за регулирането на генната експресия. Епигенетичните механизми определят кога и къде даден ген се проявява, т.е. j. дали ще се активира или изразът му ще бъде потиснат, t. j. инактивиран, като по този начин променя/коригира "представянето" на гените. Епигенетиката изучава специфични процеси/механизми, които стимулират или елиминират нашите гени. Дали нашите гени се проявяват, не се определя от тяхната структура (или реда/последователността на нуклеотидите - основните градивни елементи на ДНК, изграждащи специфични гени), а от епигенетичните механизми и външни/външни влияния, респ. фактори, които задействат/задействат епигенетични процеси.

Епимутации

Епигенетиката се превърна в синоним на изучаване на явления, при които промените в характеристиките и характеристиките не са свързани мутация (перманентна генетична наследствена промяна), но т.нар. епимутация, т. j. обикновено чрез химическа модификация на макромолекула на ДНК или протеини (хистони), без пряка намеса в самия генен ген. С други думи, епигенетиката изучава промени в генната експресия, които се извършват на химическо ниво директно в отделните гени. Редът на нуклеотидите не се променя, но това, което се променя чрез епимутация, е активността или функционалността на гена. За разлика от истинските генни мутации, които са до голяма степен случайни (не винаги) и най-вече необратими, в много случаи епимутациите/епигенетичните промени са изненадващо обратими и контролируеми.

Книга на живота и епимутация

Илюстративните принципи на епигенетиката могат да бъдат обяснени със следния пример. Когато сравняваме ДНК с „книгата на живота“, тогава епигенетичните процеси ни пречат да четем определени страници от нея, например, когато по невнимание се придържат към нас. Дори тези страници и букви в книгата да бъдат намерени и да останат непокътнати (тъй като нуклеотидната последователност/ДНК последователността е запазена), ние не можем да прочетем информацията, тъй като четенето (генната експресия) не може да се придържа към страниците (епигенетична промяна). Този процес е обратим, точно както страниците в една книга могат да бъдат разплетени с малко усилия, клетките разполагат със средства за отмяна на епигенетична промяна (в този случай инактивиране/изключване на гени) и повторно активиране на тези гени. Епигенетичните промени в генната експресия (епимутации) могат да продължат дълго време и да се предадат на следващите поколения. Епимутациите, подобно на генните мутации, се наследяват. Това означава, че епигенетичните черти могат да създадат обикновена „наследствена памет“, което е причинило голямо учудване и противоречия сред много учени.

Нещо от историята

Името епигенетика, което произлиза от гръцката дума „επι/отвъд, горе“, е използвано за първи път от английския биолог за развитие, ембриолог, генетик и философ Конрад Хал Уадингтън (1905 - 1975). Отвратен от тенденциите в биологията по това време, все по-често избягвайки във „виртуалния свят на гените“ и статистиката, К. Х. Уадингтън нарича „индустрията на биологията през 40-те години, за да изследва взаимодействията между гените и техните продукти“ - епигенетика. Той разбирал епигенетиката в смисъл на нещо, което е над генетиката, респ. извън обсега на тогавашните си изследвания и познаване на процесите, водещи до осъществяването на т.нар "Виртуални знамена". Терминът епигенетика първоначално се използва в широк и неясен смисъл, за да се отнася до всички напълно необясними досега ембриологични процеси, както и за изясняване на сложната регулация на експресията (експресията) на гените, отговорни за хода на ембрионалното развитие на организмите. В миналото няколко биолози вярваха, че епигенетиката е нещо повече от генетика.

Краят на противоречията и противоречията

Сега е ясно за всеки експерт, че изкуственото създаване на противоречия между генетиката и епигенетиката (генетика срещу епигенетика) е просто неподходящо. Днес никой в ​​научната общност не се занимава с въпроса за превъзходството на епигенетиката над генетиката и съвременните биолози смятат противоречията по тази „тема“ за ненужни и безсмислени. Съвременната епигенетика е важна част от генетиката. Образно бихме могли да дефинираме връзката между генетиката и епигенетиката, както следва: генетиката е хардуер, а епигенетиката е софтуер. Генът може да се счита за фиксиран (той е част от хардуера), но когато в него вмъкнем друга програма (софтуер), можем да стартираме новите му функции, t. j. различни от тези, които са "бягали" досега. От образния израз до реалния, всъщност за някои неспециалисти, се прилага шокиращото заключение, че изразът, респ. експресията на всички гени може да бъде епигенетично повлияна.

Епигенетични механизми

При хората четири вида епигенетични механизми са най-важни: метилиране на ДНК, химически модификации на хистони (протеини, около които ДНК образуващи структури, наречени нуклеозоми, са обвити в хромозоми) и свързани промени в хроматина (тялото, което изгражда хромозомите) и активността на малки некодиращи молекули РНК. Първоначално вниманието на учените беше насочено главно към метилиране (добавяне на „тагове“ - метилови групи, СН3) или ДНК деметилиране (премахване на „тагове“). В тези епигенетични процеси метиловите групи или са прикрепени към определени ДНК последователности, или са отстранени от определени места на ДНК молекулата, като по този начин засягат нейната активност (или функцията на гените), без да променят структурата или функцията на ДНК. ДНК нуклеотидна последователност.

В човешките клетки метилирането и деметилирането на ДНК играят незаменима роля при изключването (инактивирането) или включването (активирането) на специфични гени, необходими на клетката в даден момент, при клетъчната диференциация/специализация в тъканите или по време на развитието на цялото организъм. Неочаквано беше установено, че различни външни фактори могат да повлияят на мястото, където метиловите тагове са прикрепени към ДНК, и по този начин гените, които блокират тяхната експресия.

Първо беше голяма изненада да разбера, че метилирането може да доведе до пълна диференциация на индивиди със същия (идентичен) генетичен състав. Илюстративен пример е пчелата/царицата и работникът, чиито гени са напълно идентични, но се различават в различното метилиране на гените. Различията в броя на метилираните гени при пчелите се причиняват от различното им хранене. По този начин храната е един от външните фактори, които могат да предизвикат метилиране на ДНК и по този начин да повлияят на външния вид и „функционалната класификация“ на насекомите.

Чрез промяна на диетата, гените също могат да бъдат деметилирани, като по този начин се задейства активирането на временно дисфункционални гени. Например, редовното пиене на малки количества червено вино позволява, благодарение на наличието на ресвератрол, активирането на гените, участващи в антиоксидантните процеси (т.нар. Френски парадокс).

Каква е „епигенетичната“ роля на малките некодиращи РНК?

Малките некодиращи РНК най-често предотвратяват експресията на ген, като го заглушават, като напълно разцепват т.нар. първичен препис, t. j. иРНК, генерирана в първата фаза на генна експресия/експресия, т.е. j. транскрипция. (Спомнете си, че генната експресия се състои от генна транскрипция/транслация и процеси на транслация/транслация). Поради изпълнената задача, втората фаза на експресия - транслация, не може да се осъществи и по този начин генът е функционално нокаутиран. В други случаи малките РНК, заедно със специфичен протеин (наречен Аргонавт), директно блокират транслацията на протеина, който кодира първичният транскрипт (тРНК).

Модификациите на хистон също регулират генната активност

В допълнение към метилирането на ДНК и регулаторния ефект на малките РНК, които блокират функцията на въпросния ген, химически модификации на хистоновите протеини (епимутации, напр. Тяхното метилиране, ацетилиране, фосфорилиране и др.) Също имат голям ефект върху генната активност . Те решават дали ДНК ще се увие около хистоните свободно или плътно, т.е. й. дали той ще бъде достъпен за процеса на генна транскрипция или не. Ако ген не се транскрибира, това означава, че генът изобщо не „работи“ в тялото, въпреки че присъства. Първоначално дисфункционалните гени могат да бъдат „съживени“ чрез ацетилиране на хистон. Когато епигенетичните маркери - ацетилови групи - са прикрепени към хистоните, около които ДНК е плътно обвита в хромозоми (създавайки структура, наречена нуклеозома), щипката се освобождава и генът се активира. Ситуацията е аналогична на осветлението в стаята. Дори в стаята да има лампа (гени), това не означава, че в стаята има светлина. Лампата трябва да е включена (ацетилиране на хистон).

Каква роля играе епигенетиката при рака?

Като външни фактори те влияят върху експресията на гени?

Генетичните и епигенетичните процеси са взаимосвързани. Дори неспециалистът вече не се съмнява, че гените са отговорни за нашите черти и свойства („имаме го в гените“, „нашите гени са отговорни за всичко“), чието проявление (епигенетично деблокиране, блокиране) зависи от няколко влияния и фактори (напр. хранене, начин на живот, стрес и др.) среда. Най-просто казано, тези фактори могат да бъдат предизвикани от факта, че тези фактори задействат епигенетични процеси и по този начин индиректно/индиректно решават дали отделните гени ще бъдат активирани или потиснати.

Влиянието на положителните и отрицателните преживявания върху генната експресия

Не само храненето, но дори и негативните преживявания, пренебрегването на децата, употребата на наркотици или други сериозни стресови ситуации позволяват чрез индуцираните биохимични епигенетични промени да сигнализират на гените дали трябва да се проявяват и колко силно трябва да се проявяват. В съответствие с новите открития епигенетиката се основава на травматичните преживявания на човека и неговите предци, оставили съответно „молекулярни белези“. тагове върху ДНК на бъдещите поколения. Образно казано, ние носим преживяванията на нашите предци със себе си благодарение на епигенетиката. Няколко научни проучвания показват, че неблагоприятните условия на живот и опитът оставят дълготрайни епигенетични следи при хората и дори могат да причинят депресия чрез промени в метилирането на ДНК и модификацията на хистона. Доказано е, че не само самата депресия, но и нейното лечение с антидепресанти са свързани с динамични промени, причинени от действието на епигенетичните механизми, особено метилирането на ДНК.

Грижа за майката

Напротив, някои епигенетични проучвания разкриват, че любезното отношение към майка с дете или младо съществено влияе върху неговите епигенетични предразположения в психологическата област. При сравняване на майки, пренебрегвани и неглижирани от майката, се появиха големи епигенетични различия в психичното равновесие, способности и интелигентност. Изтъкнат експерт в областта на епигенетиката, професор Моше Шиф, експериментално доказа, че майчините грижи променят "настройката" на своите гени в мозъка на потомството на мишката, което може да се прояви в зряла възраст, напр. чрез въздействие върху нивата на стресовия хормон (глюкокортикоид) кортизол в кръвта. Професор М. Шиф установява, че повишаването на нивото на глюкокортикоидните стресови хормони в кръвта на малките плъхове, за което майката се грижи лошо, е причинено от недостатъчно метилиране на гена на глюкокортикоидния рецептор, който контролира нивото на тези хормони на стреса в кръвта. Такива пренебрегвани малки се характеризират с повишена реакция на стрес.

Във връзка с метилирането на гена на глюкокортикоидния рецептор, изследователите са провели и изследвания при хора. Те открили, че децата, чиито майки са страдали от различни причини по време на бременност, както и деца, които са били малтретирани при раждането, са били много по-метилирани с гена, който по-късно е повлиял на поведението им при възрастни. В допълнение към повишения отговор на стрес, повишеното метилиране на гена на глюкокортикоидния рецептор също увеличава риска от затлъстяване, депресия и някои автоимунни заболявания.

Епигенетични процеси и пристрастяващи вещества

Чрез епигенетични процеси тялото може дори да развие резистентност към наркотици и алкохол. Когато човек пие алкохол, епигенетичните процеси увеличават производството на ензима алкохол дехидрогеназа в чернодробните клетки. Колкото по-висок е приемът на алкохол, толкова повече алкохол произвежда чернодробната дехидрогеназа. Вярно е и обратното. След продължително въздържание производството на алкохол дехидрогеназа значително намалява и човек „трае по-малко“. Това е така, защото тялото забавя производството на алкохол дехидрогеназа, когато вече не се нуждае от него. Същият механизъм се прилага и за други вещества, пристрастяващи към наркотици, или кофеин.

Кога и защо еднояйчните близнаци спират да си приличат?

Генетичното оборудване може да бъде повлияно епигенетично дори в напреднала възраст. Това беше потвърдено от епигенетични изследвания, проведени върху близнаци. Тези, които живееха заедно или често се срещаха и имаха едни и същи обичаи и хранителни и други навици, също имаха активирани едни и същи гени и техните ДНК молекули бяха почти идентични. Близнаците, които не прекарваха толкова много време заедно, живееха на различни места, не само че бяха по-малко сходни, но и имаха различни навици и характеристики. Вината е различното метилиране на тяхната ДНК. Също така си струва да се отбележи, че разликите в метилирането на близнаци се увеличават с възрастта.

Гените, които получаваме във венеца при раждането, не са единственият режисьор на нашата житейска история. Въпреки че тяхната роля в написването на нашия житейски сценарий е от решаващо значение, епигенетиката определя определящо и бъдещия ни живот. Тъй като нашият епигенетичен профил се променя през целия живот и епигенетичните маркери, които отпечатват епигенетичните процеси в нашата ДНК, могат да бъдат предадени в четвъртото поколение, от нас зависи да се възползваме от надеждата, която епигенетиката може да ни даде, и да се опитаме да епигенетични процеси поне частично положително влияние. Трябва обаче да променим много неща в живота си, включително нашите ценности, начин на живот, хранителни навици, физическа активност, преживяване на стресови ситуации, емоции и т.н.

Автор: проф. RNDr. Ева Миадокова, д-р. за редакцията на Science within Reach, Катедра по генетика, Факултет по природни науки, Университет Коменски в Братислава

Снимка в статията: от архива на проф. RNDr. Ева Миадокова, д-р.