Epigenetik: apa yang mengendalikan kode genetik kita? Genetika dan epigenetik: konsep dasar Penyakit pada sistem kekebalan tubuh.

Epigenetik adalah cabang ilmu biologi yang relatif baru dan belum dikenal luas seperti genetika. Ini dipahami sebagai bagian dari genetika yang mempelajari perubahan yang diwariskan dalam aktivitas gen selama perkembangan suatu organisme atau pembelahan sel.

Perubahan epigenetik tidak disertai dengan penataan ulang urutan nukleotida dalam asam deoksiribonukleat (DNA).

Di dalam tubuh, terdapat berbagai elemen pengatur di dalam genom itu sendiri yang mengontrol kerja gen, termasuk bergantung pada faktor internal dan eksternal. Untuk waktu yang lama, epigenetik tidak dikenali, karena hanya ada sedikit informasi tentang sifat sinyal epigenetik dan mekanisme penerapannya.

Struktur genom manusia

Pada tahun 2002, sebagai hasil dari upaya bertahun-tahun oleh sejumlah besar ilmuwan dari berbagai negara, penguraian kode struktur peralatan herediter manusia, yang terkandung dalam molekul DNA utama, telah selesai. Ini adalah salah satu pencapaian biologi yang luar biasa di awal abad ke-21.

DNA yang berisi semua informasi genetik tentang suatu organisme disebut genom. Gen adalah bagian terpisah yang menempati bagian yang sangat kecil dari genom, tetapi pada saat yang sama membentuk dasarnya. Setiap gen bertanggung jawab atas transmisi informasi tentang struktur asam ribonukleat (RNA) dan protein dalam tubuh manusia. Struktur yang mentransmisikan informasi herediter disebut urutan pengkodean. Sebagai hasil dari Proyek Genom, data diperoleh, yang menurut genom manusia diperkirakan lebih dari 30.000 gen. Saat ini, karena munculnya hasil baru spektrometri massa, genom tersebut diperkirakan mengandung sekitar 19.000 gen.

Informasi genetik setiap orang terkandung di dalam inti sel dan terletak di struktur khusus yang disebut kromosom. Setiap sel somatik mengandung dua set lengkap kromosom (diploid). Dalam setiap set tunggal (haploid) ada 23 kromosom - 22 biasa (autosom) dan satu kromosom seks - X atau Y.

Molekul DNA yang terkandung dalam semua kromosom setiap sel manusia adalah dua rantai polimer yang dipelintir menjadi heliks ganda biasa.

Kedua rantai saling berpegangan dengan empat basa: adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan tiamin (T). Selain itu, basis A pada satu rantai hanya dapat terhubung dengan basis T pada rantai lainnya, dan demikian pula, basis D dapat terhubung dengan basis C. Ini disebut prinsip pasangan basa. Dalam kasus lain, perkawinan melanggar seluruh integritas DNA.

DNA ada sebagai kompleks ketat dengan protein khusus, dan bersama-sama mereka membentuk kromatin.

Histon adalah nukleoprotein, konstituen utama kromatin. Mereka cenderung membentuk zat baru dengan menggabungkan dua elemen struktural menjadi kompleks (dimer), yang merupakan fitur untuk modifikasi dan regulasi epigenetik selanjutnya.

DNA, yang menyimpan informasi genetik, menggandakan diri (menggandakan) dengan setiap pembelahan sel, yaitu membuat salinan yang tepat dari dirinya sendiri (replikasi). Selama pembelahan sel, ikatan antara dua untai heliks ganda DNA terputus dan untaian heliks dipisahkan. Kemudian untaian DNA putri dibangun di atas masing-masingnya. Akibatnya, molekul DNA berlipat ganda, sel anak terbentuk.

DNA berfungsi sebagai templat tempat berlangsungnya sintesis berbagai RNA (transkripsi). Proses ini (replikasi dan transkripsi) dilakukan di dalam inti sel, dan dimulai dengan wilayah gen yang disebut promotor, tempat kompleks protein mengikat, menyalin DNA untuk membentuk messenger RNA (mRNA).

Pada gilirannya, yang terakhir berfungsi tidak hanya sebagai pembawa informasi DNA, tetapi juga sebagai pembawa informasi ini untuk sintesis molekul protein pada ribosom (proses penerjemahan).

Saat ini diketahui bahwa wilayah protein penyandi gen manusia (ekson) hanya menempati 1,5% genom. Sebagian besar genom tidak ada hubungannya dengan gen dan tidak aktif dalam hal transfer informasi. Daerah teridentifikasi dari gen yang tidak mengkode protein disebut intron.

Salinan mRNA pertama yang diperoleh dari DNA berisi seluruh rangkaian ekson dan intron. Setelah itu, kompleks protein khusus menghapus semua urutan intron dan menghubungkan ekson satu sama lain. Proses pengeditan ini disebut splicing.

Epigenetik menjelaskan salah satu mekanisme di mana sel mampu mengontrol sintesis protein yang dibuatnya, dengan terlebih dahulu menentukan berapa banyak salinan mRNA yang dapat dibuat dari DNA.

Jadi, genom bukanlah potongan DNA yang dibekukan, tetapi struktur yang dinamis, gudang informasi yang tidak dapat direduksi menjadi satu gen.

Perkembangan dan fungsi sel individu dan organisme secara keseluruhan tidak secara otomatis diprogram dalam satu genom, tetapi bergantung pada banyak faktor internal dan eksternal yang berbeda. Dengan akumulasi pengetahuan, ternyata di dalam genom itu sendiri terdapat beberapa elemen pengatur yang mengontrol kerja gen. Ini sekarang dikonfirmasi dalam banyak penelitian hewan percobaan.

Saat membelah selama mitosis, sel anak dapat mewarisi dari orang tua tidak hanya informasi genetik langsung dalam bentuk salinan baru dari semua gen, tetapi juga tingkat aktivitas tertentu. Jenis pewarisan informasi genetik ini disebut pewarisan epigenetik.

Mekanisme epigenetik regulasi gen

Subjek epigenetik adalah studi tentang pewarisan aktivitas gen yang tidak terkait dengan perubahan struktur primer DNA mereka. Perubahan epigenetik ditujukan untuk menyesuaikan organisme dengan kondisi perubahan keberadaannya.

Istilah "epigenetik" pertama kali diusulkan oleh ahli genetika Inggris Waddington pada tahun 1942. Perbedaan antara mekanisme pewarisan genetik dan epigenetik terletak pada stabilitas dan reproduktifitas efek.

Ciri-ciri genetik diperbaiki tanpa batas waktu sampai mutasi terjadi pada gen. Modifikasi epigenetik biasanya ditampilkan dalam sel dalam masa hidup satu generasi suatu organisme. Ketika perubahan ini diteruskan ke generasi berikutnya, mereka dapat direproduksi dalam 3-4 generasi, dan kemudian, jika faktor perangsang menghilang, transformasi ini menghilang.

Basis molekuler epigenetik ditandai dengan modifikasi peralatan genetik, yaitu aktivasi dan represi gen yang tidak memengaruhi urutan primer nukleotida DNA.

Regulasi epigenetik gen dilakukan pada tingkat transkripsi (waktu dan sifat transkripsi gen), selama pemilihan mRNA matang untuk pengangkutannya ke sitoplasma, selama pemilihan mRNA dalam sitoplasma untuk diterjemahkan pada ribosom, destabilisasi gen jenis mRNA tertentu dalam sitoplasma, aktivasi selektif, inaktivasi molekul protein setelah pelepasannya sintesis.

Kumpulan penanda epigenetik adalah epigenom. Perubahan epigenetik dapat mempengaruhi fenotipe.

Epigenetik memainkan peran penting dalam fungsi sel sehat, memastikan aktivasi dan represi gen, dalam kontrol transposon, yaitu bagian DNA yang dapat bergerak di dalam genom, dan juga dalam pertukaran materi genetik dalam kromosom.

Mekanisme epigenetik terlibat dalam pencetakan genom (pencetakan) - suatu proses di mana ekspresi gen tertentu dilakukan tergantung dari induk mana alel itu berasal. Pencetakan diwujudkan melalui proses metilasi DNA pada promotor, akibatnya transkripsi gen diblokir.

Mekanisme epigenetik memastikan peluncuran proses dalam kromatin melalui modifikasi histon dan metilasi DNA. Selama dua dekade terakhir, gagasan tentang mekanisme pengaturan transkripsi eukariotik telah berubah secara signifikan. Model klasik mengasumsikan bahwa tingkat ekspresi ditentukan oleh faktor transkripsi yang berikatan dengan daerah pengatur gen, yang menginisiasi sintesis messenger RNA. Protein histon dan non-histon diberi peran sebagai struktur pengemasan pasif untuk memastikan pengemasan DNA yang kompak di dalam nukleus.

Studi selanjutnya menunjukkan peran histon dalam pengaturan terjemahan. Apa yang disebut kode histon ditemukan, yaitu modifikasi histon yang tidak sama di berbagai wilayah genom. Kode histone yang diubah dapat menyebabkan aktivasi dan represi gen.

Berbagai bagian struktur genom mengalami modifikasi. Gugus metil, asetil, fosfat, dan molekul protein yang lebih besar dapat melekat pada residu terminal.

Semua modifikasi dapat dibalik dan untuk masing-masing ada enzim yang menginstal atau menghapusnya.

metilasi DNA

Pada mamalia, metilasi DNA (mekanisme epigenetik) telah dipelajari sebelum yang lain. Telah terbukti berkorelasi dengan represi gen. Data eksperimental menunjukkan bahwa metilasi DNA adalah mekanisme perlindungan yang menekan sebagian besar genom yang bersifat asing (virus, dll.).

Metilasi DNA dalam sel mengontrol semua proses genetik: replikasi, perbaikan, rekombinasi, transkripsi, inaktivasi kromosom X. Kelompok metil mengganggu interaksi DNA-protein, mencegah pengikatan faktor transkripsi. Metilasi DNA memengaruhi struktur kromatin, memblokir penekan transkripsi.

Memang, peningkatan tingkat metilasi DNA berkorelasi dengan peningkatan relatif kandungan noncoding dan DNA berulang dalam genom eukariota yang lebih tinggi. Data percobaan menunjukkan bahwa ini karena metilasi DNA berfungsi terutama sebagai mekanisme pertahanan untuk menekan sebagian besar genom asal asing (transien yang direplikasi, urutan virus, urutan berulang lainnya).

Profil metilasi - aktivasi atau penghambatan - bervariasi tergantung pada faktor lingkungan. Pengaruh metilasi DNA pada struktur kromatin sangat penting untuk pengembangan dan fungsi organisme yang sehat untuk menekan sebagian besar genom asal asing, yaitu elemen bergerak yang direplikasi, virus, dan urutan berulang lainnya.

Metilasi DNA terjadi melalui reaksi kimia yang dapat dibalik dari basa nitrogen - sitosin, akibatnya gugus metil CH3 melekat pada karbon untuk membentuk metilsitosin. Proses ini dikatalisis oleh enzim DNA metiltransferase. Metilasi sitosin membutuhkan guanin, menghasilkan dua nukleotida yang dipisahkan oleh fosfat (CpG).

Akumulasi urutan CpG yang tidak aktif disebut pulau CpG. Yang terakhir terwakili secara tidak merata dalam genom. Kebanyakan dari mereka ditemukan di promotor gen. Metilasi DNA terjadi pada promotor gen, di daerah transkripsi, dan juga di ruang intergenik.

Pulau-pulau hipermetilasi menyebabkan inaktivasi gen, yang mengganggu interaksi protein pengatur dengan promotor.

Metilasi DNA berdampak besar pada ekspresi gen dan, pada akhirnya, pada fungsi sel, jaringan, dan organisme secara keseluruhan. Hubungan langsung telah terjalin antara metilasi DNA tingkat tinggi dan jumlah gen yang ditekan.

Penghapusan gugus metil dari DNA akibat tidak adanya aktivitas metilase (demetilasi pasif) terjadi setelah replikasi DNA. Dengan demetilasi aktif, sistem enzimatik terlibat yang mengubah 5-metilsitosin menjadi sitosin, terlepas dari replikasi. Profil metilasi berubah tergantung pada faktor lingkungan tempat sel berada.

Kehilangan kemampuan untuk mempertahankan metilasi DNA dapat menyebabkan defisiensi imun, kanker, dan penyakit lainnya.

Untuk waktu yang lama, mekanisme dan enzim yang terlibat dalam proses demetilasi DNA aktif masih belum diketahui.

asetilasi histon

Ada sejumlah besar modifikasi histone pasca-translasi yang membentuk kromatin. Pada 1960-an, Vincent Alfrey mengidentifikasi asetilasi dan fosforilasi histone dari banyak eukariota.

Enzim asetilasi dan deasetilasi histon (acetyltransferases) berperan dalam perjalanan transkripsi. Enzim ini mengkatalisasi asetilasi histon lokal. Histone deacetylases menekan transkripsi.

Efek asetilasi adalah melemahnya ikatan antara DNA dan histon karena perubahan muatan, akibatnya kromatin dapat diakses oleh faktor transkripsi.

Asetilasi adalah penambahan gugus asetil kimia (asam amino lisin) ke situs histon bebas. Seperti metilasi DNA, asetilasi lisin adalah mekanisme epigenetik untuk mengubah ekspresi gen tanpa memengaruhi urutan gen asli. Templat tempat terjadinya modifikasi protein inti disebut kode histon.

Modifikasi histon pada dasarnya berbeda dari metilasi DNA. Metilasi DNA adalah intervensi epigenetik yang sangat stabil yang lebih mungkin diperbaiki dalam banyak kasus.

Sebagian besar modifikasi histon lebih bervariasi. Mereka mempengaruhi pengaturan ekspresi gen, pemeliharaan struktur kromatin, diferensiasi sel, karsinogenesis, perkembangan penyakit genetik, penuaan, perbaikan DNA, replikasi, dan translasi. Jika modifikasi histon bermanfaat bagi sel, maka bisa bertahan cukup lama.

Salah satu mekanisme interaksi antara sitoplasma dan nukleus adalah fosforilasi dan/atau defosforilasi faktor transkripsi. Histon adalah salah satu protein pertama yang terfosforilasi. Ini dilakukan oleh protein kinase.

Faktor transkripsi terfosforilasi mengendalikan gen, termasuk gen yang mengatur proliferasi sel. Dengan modifikasi seperti itu, terjadi perubahan struktural pada molekul protein kromosom, yang menyebabkan perubahan fungsional pada kromatin.

Selain modifikasi histon pasca-translasi yang dijelaskan di atas, ada protein yang lebih besar seperti ubiquitin, SUMO, dll., Yang dapat menempel melalui ikatan kovalen ke gugus amino samping dari protein target, yang memengaruhi aktivitasnya.

Perubahan epigenetik dapat diwariskan (pewarisan epigenetik transgeneratif). Namun, tidak seperti informasi genetik, perubahan epigenetik dapat direproduksi dalam 3-4 generasi, dan dengan tidak adanya faktor yang merangsang perubahan ini, perubahan tersebut menghilang. Pemindahan informasi epigenetik terjadi pada proses meiosis (pembelahan inti sel dengan penurunan jumlah kromosom hingga setengahnya) atau mitosis (pembelahan sel).

Modifikasi histon memainkan peran mendasar dalam proses normal dan penyakit.

RNA pengatur

Molekul RNA melakukan banyak fungsi dalam sel. Salah satunya adalah pengaturan ekspresi gen. Regulatory RNA yang bertanggung jawab untuk fungsi ini termasuk antisense RNA (aRNA), microRNAs (miRNAs), dan small interfering RNAs (siRNAs).

Mekanisme kerja RNA pengatur yang berbeda serupa dan terdiri dari penekanan ekspresi gen, yang diwujudkan dengan keterikatan pelengkap RNA pengatur ke mRNA, dengan pembentukan molekul beruntai ganda (dsRNA). Dengan sendirinya, pembentukan dsRNA menyebabkan gangguan pengikatan mRNA ke ribosom atau faktor pengatur lainnya, menekan translasi. Juga, setelah pembentukan dupleks, manifestasi dari fenomena interferensi RNA dimungkinkan - enzim Dicer, setelah menemukan RNA beruntai ganda di dalam sel, "memotong" menjadi fragmen. Salah satu rantai fragmen semacam itu (siRNA) diikat oleh kompleks protein RISC (RNA-induced silencing complex).

Sebagai hasil dari aktivitas RISC, fragmen RNA beruntai tunggal berikatan dengan sekuens komplementer dari molekul mRNA dan menyebabkan mRNA dipotong oleh protein dari keluarga Argonaute. Peristiwa ini menyebabkan penekanan ekspresi gen yang sesuai.

Fungsi fisiologis RNA pengatur beragam - mereka bertindak sebagai pengatur non-protein utama ontogeni dan melengkapi skema regulasi gen "klasik".

Pencetakan genom

Seseorang memiliki dua salinan dari setiap gen, salah satunya diwariskan dari ibu, yang lain dari ayah. Kedua salinan dari setiap gen memiliki kemampuan untuk aktif di sel mana pun. Pencetakan genom adalah ekspresi selektif epigenetik dari hanya satu gen alelik yang diwariskan dari orang tua. Pencetakan genom mempengaruhi keturunan laki-laki dan perempuan. Dengan demikian, gen yang tercetak aktif pada kromosom ibu akan aktif pada kromosom ibu dan "diam" pada kromosom ayah pada semua anak laki-laki dan perempuan. Gen yang dicetak secara genom terutama mengkode faktor-faktor yang mengatur pertumbuhan embrionik dan neonatal.

Pencetakan adalah sistem kompleks yang dapat rusak. Pencetakan diamati pada banyak pasien dengan penghapusan kromosom (kehilangan sebagian kromosom). Ada penyakit yang diketahui terjadi pada manusia karena tidak berfungsinya mekanisme pencetakan.

prion

Dalam dekade terakhir, perhatian tertuju pada prion, protein yang dapat menyebabkan perubahan fenotipik yang diwariskan tanpa mengubah urutan nukleotida DNA. Pada mamalia, protein prion terletak di permukaan sel. Dalam kondisi tertentu, bentuk normal prion dapat berubah, yang memodulasi aktivitas protein ini.

Wikner mengungkapkan keyakinannya bahwa kelas protein ini adalah salah satu dari banyak yang merupakan kelompok baru mekanisme epigenetik yang memerlukan studi lebih lanjut. Itu bisa dalam keadaan normal, dan dalam keadaan berubah, protein prion dapat menyebar, yaitu menjadi menular.

Prion awalnya ditemukan sebagai agen infeksius jenis baru, tetapi sekarang dianggap sebagai fenomena biologis umum dan pembawa jenis informasi baru yang disimpan dalam konformasi protein. Fenomena prion mendasari pewarisan epigenetik dan regulasi ekspresi gen pada tingkat pasca-translasi.

Epigenetik dalam kedokteran praktis

Modifikasi epigenetik mengontrol semua tahap perkembangan dan aktivitas fungsional sel. Pelanggaran mekanisme regulasi epigenetik secara langsung atau tidak langsung terkait dengan banyak penyakit.

Penyakit dengan etiologi epigenetik termasuk penyakit imprinting, yang pada gilirannya terbagi menjadi gen dan kromosom, saat ini totalnya ada 24 nosologi.

Pada penyakit pencetakan gen, ekspresi monoallelic diamati di lokus kromosom salah satu orang tua. Alasannya adalah mutasi titik pada gen yang diekspresikan secara berbeda tergantung pada asal ibu dan ayah dan mengarah pada metilasi spesifik basa sitosin dalam molekul DNA. Ini termasuk: sindrom Prader-Willi (penghapusan kromosom paternal 15) - dimanifestasikan oleh dismorfisme kraniofasial, perawakan pendek, obesitas, hipotensi otot, hipogonadisme, hipopigmentasi dan keterbelakangan mental; Sindrom Angelman (penghapusan daerah kritis yang terletak di kromosom ibu ke-15), ciri utamanya adalah mikrobrachycephaly, rahang bawah yang membesar, lidah yang menonjol, makrostomia, gigi langka, hipopigmentasi; Sindrom Beckwith-Wiedemann (gangguan metilasi pada lengan pendek kromosom ke-11), dimanifestasikan oleh tiga serangkai klasik, termasuk makrosomia, makroglossia omphalocele, dll. .

Di antara faktor terpenting yang mempengaruhi epigenom adalah nutrisi, aktivitas fisik, toksin, virus, radiasi pengion, dll. Periode yang sangat sensitif terhadap perubahan epigenom adalah periode prenatal (terutama mencakup dua bulan setelah pembuahan) dan tiga bulan pertama setelah pembuahan. kelahiran. Selama embriogenesis awal, genom menghilangkan sebagian besar modifikasi epigenetik yang diterima dari generasi sebelumnya. Tetapi proses pemrograman ulang berlanjut sepanjang hidup.

Beberapa jenis tumor, diabetes melitus, obesitas, asma bronkial, berbagai penyakit degeneratif dan lainnya dapat dikaitkan dengan penyakit dimana pelanggaran regulasi gen merupakan bagian dari patogenesisnya.

Epigon pada kanker ditandai dengan perubahan global dalam metilasi DNA, modifikasi histone, serta perubahan profil ekspresi enzim pengubah kromatin.

Proses tumor ditandai dengan inaktivasi melalui hipermetilasi gen penekan kunci dan melalui hipometilasi dengan aktivasi sejumlah onkogen, faktor pertumbuhan (IGF2, TGF) dan elemen berulang seluler yang terletak di daerah heterokromatin.

Jadi, dalam 19% kasus tumor ginjal hypernephroid, DNA islet CpG mengalami hipermetilasi, dan pada kanker payudara dan karsinoma paru non-sel kecil, hubungan ditemukan antara tingkat asetilasi histone dan ekspresi penekan tumor. semakin rendah tingkat asetilasi, semakin lemah ekspresi gen.

Saat ini, obat antitumor berdasarkan penekanan aktivitas DNA metiltransferase telah dikembangkan dan dipraktikkan, yang mengarah pada penurunan metilasi DNA, aktivasi gen penekan pertumbuhan tumor, dan perlambatan proliferasi sel tumor. Jadi, untuk pengobatan sindrom myelodysplastic dalam terapi kompleks, obat decitabine (Decitabine) dan azacitidine (Azacitidine) digunakan. Sejak 2015, untuk pengobatan multiple myeloma yang dikombinasikan dengan kemoterapi klasik, panobinostat (Panibinostat), yang merupakan penghambat histone deacytylase, telah digunakan. Obat-obatan ini, menurut uji klinis, memiliki efek positif yang nyata pada tingkat kelangsungan hidup dan kualitas hidup pasien.

Perubahan ekspresi gen tertentu juga dapat terjadi akibat aksi faktor lingkungan pada sel. Dalam perkembangan diabetes mellitus tipe 2 dan obesitas, apa yang disebut "hipotesis hemat fenotipe" berperan, yang menurutnya kekurangan nutrisi dalam proses perkembangan embrionik mengarah pada perkembangan fenotip patologis. Pada model hewan, wilayah DNA (lokus Pdx1) diidentifikasi, di mana, di bawah pengaruh malnutrisi, tingkat asetilasi histon menurun, sementara terjadi perlambatan pembelahan dan gangguan diferensiasi sel-B pulau Langerhans dan perkembangan kondisi yang mirip dengan diabetes mellitus tipe 2.

Kemampuan diagnostik epigenetik juga berkembang secara aktif. Teknologi baru muncul yang dapat menganalisis perubahan epigenetik (tingkat metilasi DNA, ekspresi miRNA, modifikasi histone pasca-translasi, dll.), seperti chromatin immunoprecipitation (CHIP), flow cytometry dan pemindaian laser, yang menunjukkan bahwa biomarker akan diidentifikasi dalam waktu dekat untuk studi penyakit neurodegeneratif, langka, penyakit multifaktorial dan neoplasma ganas dan diperkenalkan sebagai metode diagnostik laboratorium.

Jadi, saat ini, epigenetik berkembang pesat. Ini terkait dengan kemajuan dalam biologi dan kedokteran.

literatur

1. Ezkurdia I., Juan D., Rodriguez J.M. et al. Berbagai untaian bukti menunjukkan bahwa mungkin hanya ada 19.000 gen penyandi protein manusia // Genetika Molekuler Manusia. 2014, 23(22): 5866-5878.
2. Konsorsium Pengurutan Genom Manusia Internasional. Pengurutan awal dan analisis genom manusia // Alam. Februari 2001 409 (6822): 860-921.
3. Xuan D., Han Q., Tu Q. et al. Modulasi Epigenetik pada Periodontitis: Interaksi Adiponektin dan Sumbu JMJD3-IRF4 pada Makrofag // Jurnal Fisiologi Seluler. Mei 2016 231(5): 1090-1096.
4. Waddington C.H. Epigenotpye // Usaha. 1942; 18-20.
5. Bochkov N.P. Genetika klinis. M.: Geotar.Med, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C.D. Menerjemahkan Kode Histone // Sains. 2001, 10 Agustus; 293 (5532): 1074-1080.
7. Kovalenko T.F. Metilasi genom mamalia // Kedokteran Molekuler. 2010. No.6.S.21-29.
8. Alice D., Jenuwein T., Reinberg D. Epigenetik. M.: Technosfera, 2010.
9. Taylor PD, Poston L. Pemrograman pengembangan obesitas pada mamalia // Fisiologi Eksperimental. 2006. No. 92. P. 287-298.
10. Lewin b. Gen. M.: BINOM, 2012.
11. Plasschaert R.N., Bartolomei M.S. Pencetakan genom dalam perkembangan, pertumbuhan, perilaku, dan sel punca // Perkembangan. Mei 2014 141(9): 1805-1813.
12. Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D. et al. Genetika prion: aturan baru untuk gen jenis baru // Annu Rev Genet. 2004; 38:681-707.
13. Mutovin G.R. Genetika klinis. Genomik dan proteomik patologi herediter: buku teks. uang saku. Edisi ke-3, direvisi. dan tambahan 2010.
14. Romantsova T.I. Epidemi obesitas: penyebab yang jelas dan kemungkinan // Obesitas dan metabolisme. 2011, no.1, hal. 1-15.
15. Mulai P., Nadeau K.C. Regulasi epigenetik asma dan penyakit alergi // Alergi Klinik Asma Immunol. 28 Mei 2014; 10(1):27.
16. Martínez J.A., Milagro F.I., Claycombe K.J., Schalinske K.L. Epigenetik pada Jaringan Adiposa, Obesitas, Penurunan Berat Badan, dan Diabetes // Kemajuan Nutrisi. 2014, 1 Januari; 5(1): 71-81.
17. Dawson M.A., Kouzarides T. Epigenetik kanker: dari mekanisme ke terapi // Sel. 2012, 6 Juli; 150(1): 12-27.
18. Kaminskas E., Farrell A., Abraham S., Baird A. Ringkasan persetujuan: azacitidine untuk pengobatan subtipe sindrom myelodysplastic // Clin Cancer Res. 2005, 15 Mei; 11(10): 3604-3608.
19. Laubach J.P., Moreau P., San-Miguel J..F, Richardson P.G. Panobinostat untuk Pengobatan Multiple Myeloma // Kanker Klinik Res. 2015, 1 November; 21(21): 4767-4773.
20. Bramswig N.C., Kaestner K.H. Pengobatan epigenetik dan diabetes: janji yang belum direalisasi? // Tren Metab Endokrinol. Juni 2012 23(6):286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C.M., Ozanne S.E., Constância M. Pemrograman epigenetik perkembangan dan lingkungan dari pankreas endokrin: konsekuensi untuk diabetes tipe 2 // Cell Mol Life Sci. 2013, Mei; 70(9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D.X. et al. Alur pendekatan mikroskopis cytometric dan laser scanning dalam penelitian epigenetik // Metode Mol Biol. 2009; 567:99-111.

V. V. Smirnov 1 doktor ilmu kedokteran, profesor
G.E. Leonov

FGBOU VO RNIMU mereka. N. I. Pirogov Kementerian Kesehatan Federasi Rusia, Moskow

4910 0

Dalam beberapa tahun terakhir, ilmu kedokteran semakin mengalihkan perhatiannya dari mempelajari kode genetik ke mekanisme misterius di mana DNA menyadari potensinya: ia dikemas dan berinteraksi dengan protein sel kita.

Apa yang disebut faktor epigenetik dapat diwariskan, dapat dibalik, dan memainkan peran besar dalam menjaga kesehatan seluruh generasi.

Perubahan epigenetik dalam sel dapat memicu kanker, penyakit saraf dan kejiwaan, gangguan autoimun - tidak mengherankan jika epigenetik menarik perhatian dokter dan peneliti dari berbagai bidang.

Tidaklah cukup bahwa urutan nukleotida yang benar dikodekan dalam gen Anda. Ekspresi setiap gen adalah proses yang sangat kompleks yang membutuhkan koordinasi sempurna dari tindakan beberapa molekul yang berpartisipasi sekaligus.

Epigenetik menciptakan masalah tambahan untuk kedokteran dan sains yang baru mulai kita pahami.

Setiap sel dalam tubuh kita (dengan beberapa pengecualian) mengandung DNA yang sama, yang disumbangkan oleh orang tua kita. Namun, tidak semua bagian DNA dapat aktif secara bersamaan. Beberapa gen bekerja di sel hati, yang lain di sel kulit, dan lainnya di sel saraf - itulah sebabnya sel kita sangat berbeda satu sama lain dan memiliki spesialisasi masing-masing.

Mekanisme epigenetik memastikan bahwa jenis sel tertentu akan menjalankan kode yang unik untuk jenis itu.

Sepanjang hidup seseorang, gen tertentu dapat "tidur" atau tiba-tiba menjadi aktif. Perubahan yang tidak jelas ini dipengaruhi oleh miliaran peristiwa kehidupan - pindah ke tempat baru, menceraikan istri, pergi ke gym, mabuk, atau sandwich manja. Hampir semua peristiwa dalam hidup, besar dan kecil, dapat memengaruhi aktivitas gen tertentu di dalam diri kita.

Definisi epigenetik

Perubahan epigenetik adalah perubahan ekspresi gen dan fenotipe sel yang diwariskan yang tidak mempengaruhi urutan DNA itu sendiri. Fenotip dipahami sebagai keseluruhan rangkaian karakteristik sel (organisme) - dalam kasus kami, ini adalah struktur jaringan tulang, dan proses biokimia, kecerdasan dan perilaku, warna kulit dan warna mata, dll.

Tentu saja, fenotipe suatu organisme bergantung pada kode genetiknya. Tetapi semakin jauh para ilmuwan mempelajari masalah epigenetik, semakin jelas bahwa beberapa karakteristik suatu organisme diwariskan dari generasi ke generasi tanpa perubahan kode genetik (mutasi).

Bagi banyak orang, ini adalah wahyu: suatu organisme dapat berubah tanpa mengubah gen, dan mewariskan sifat-sifat baru ini kepada keturunannya.

Studi epigenetik dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan bahwa faktor lingkungan - hidup di antara perokok, stres terus-menerus, gizi buruk - dapat menyebabkan kerusakan serius pada fungsi gen (tetapi tidak pada strukturnya), dan kerusakan ini mudah ditularkan ke generasi mendatang. Kabar baiknya adalah bahwa mereka dapat dibalik, dan pada beberapa generasi ke-N mereka dapat larut tanpa jejak.

Untuk lebih memahami kekuatan epigenetik, bayangkan hidup kita sebagai sebuah film panjang.

Sel kita adalah aktor dan aktris, dan DNA kita adalah skrip yang telah disiapkan sebelumnya di mana setiap kata (gen) memberikan perintah yang diperlukan kepada pemeran. Dalam gambar ini, epigenetik adalah sutradaranya. Naskahnya mungkin sama, tetapi sutradara memiliki kekuatan untuk menghapus adegan dan potongan dialog tertentu. Jadi dalam hidup, epigenetik memutuskan apa dan bagaimana setiap sel dari tubuh besar kita akan berkata.

Epigenetik dan kesehatan

Aspek epigenetik yang paling banyak dipelajari adalah metilasi. Ini adalah proses penambahan gugus metil (CH3-) ke DNA.

Biasanya, metilasi memengaruhi transkripsi gen - menyalin DNA ke RNA, atau langkah pertama dalam replikasi DNA.

Sebuah studi tahun 1969 menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa metilasi DNA dapat mengubah ingatan jangka panjang seseorang. Sejak itu, peran metilasi dalam perkembangan berbagai penyakit menjadi lebih dipahami.

Penyakit pada sistem kekebalan tubuh

Ilmuwan lain percaya bahwa metilasi DNA adalah penyebab sebenarnya dari rheumatoid arthritis.

Penyakit neuropsikiatri

Peran metilasi DNA dalam perkembangan penyakit Alzheimer telah dibuktikan secara praktis. Sebuah penelitian besar menemukan bahwa meskipun tidak ada gejala klinis, gen sel saraf pada pasien yang rentan terhadap penyakit Alzheimer dimetilasi secara berbeda dari pada otak normal.

Teori tentang peran metilasi dalam perkembangan autisme telah diajukan sejak lama. Banyak otopsi yang memeriksa otak orang sakit memastikan bahwa sel mereka kekurangan protein MECP2 (protein pengikat metil-CpG 2). Ini adalah zat yang sangat penting yang mengikat dan mengaktifkan gen termetilasi. Dengan tidak adanya MECP2, fungsi otak terganggu.

Penyakit onkologis

Pada tahun 1983, kanker menjadi penyakit manusia pertama yang dikaitkan dengan epigenetik. Kemudian para ilmuwan menemukan bahwa sel kanker kolorektal jauh lebih sedikit termetilasi daripada sel usus normal. Kurangnya gugus metil menyebabkan ketidakstabilan pada kromosom, dan onkogenesis dipicu. Di sisi lain, kelebihan kelompok metil dalam DNA membuat beberapa gen yang bertanggung jawab untuk menekan kanker tertidur.

Karena perubahan epigenetik bersifat reversibel, penelitian lebih lanjut membuka jalan bagi terapi kanker yang inovatif.

Dalam Oxford Journal of Carcinogenesis pada tahun 2009, para ilmuwan menulis: “Fakta bahwa perubahan epigenetik, tidak seperti mutasi genetik, berpotensi reversibel dan dapat dipulihkan menjadi normal membuat terapi epigenetik menjadi pilihan yang menjanjikan.”

Epigenetik masih merupakan ilmu muda, tetapi berkat pengaruh multifaset dari perubahan epigenetik pada sel, keberhasilannya sudah luar biasa saat ini. Sangat disayangkan bahwa tidak lebih awal dari dalam 30-40 tahun keturunan kita akan dapat menyadari sepenuhnya betapa berartinya bagi kesehatan umat manusia.

: Magister Farmasi dan Penerjemah Medis Profesional

Organisme dengan lingkungan selama pembentukan fenotipe. Ini mempelajari mekanisme dimana, berdasarkan informasi genetik yang terkandung dalam satu sel (zigot), karena ekspresi gen yang berbeda dalam tipe sel yang berbeda, perkembangan organisme multiseluler yang terdiri dari sel-sel yang berdiferensiasi dapat dilakukan. Perlu dicatat bahwa banyak peneliti masih skeptis tentang epigenetik, karena mengakui kemungkinan pewarisan non-genomik sebagai respons adaptif terhadap perubahan lingkungan, yang bertentangan dengan paradigma genosentris yang dominan saat ini.

Contoh

Salah satu contoh perubahan epigenetik pada eukariota adalah proses diferensiasi seluler. Selama morfogenesis, sel induk totipoten membentuk berbagai garis sel embrionik pluripoten, yang pada gilirannya memunculkan sel yang berdiferensiasi penuh. Dengan kata lain, satu sel telur yang telah dibuahi - zigot - berdiferensiasi menjadi berbagai jenis sel, termasuk: neuron, sel otot, epitel, endotelium vaskular, dll., Melalui beberapa divisi. Ini dicapai dengan mengaktifkan beberapa gen, sementara pada saat yang sama menghambat yang lain, melalui mekanisme epigenetik.

Contoh kedua dapat ditunjukkan pada tikus lapangan. Di musim gugur, sebelum hawa dingin, mereka dilahirkan dengan mantel yang lebih panjang dan lebih tebal daripada di musim semi, meskipun perkembangan intrauterin tikus "musim semi" dan "musim gugur" terjadi dengan latar belakang kondisi yang hampir sama (suhu, siang hari, kelembaban , dll.). Penelitian telah menunjukkan bahwa sinyal yang memicu perubahan epigenetik yang menyebabkan peningkatan panjang rambut adalah perubahan gradien konsentrasi melatonin dalam darah (berkurang di musim semi dan naik di musim gugur). Dengan demikian, perubahan adaptif epigenetik (peningkatan panjang rambut) diinduksi bahkan sebelum cuaca dingin, adaptasi yang bermanfaat bagi tubuh.

Etimologi dan definisi

Istilah "epigenetik" (serta "lanskap epigenetik") diusulkan oleh Conrad Waddington pada tahun 1942 sebagai turunan dari kata genetika dan epigenesis. Ketika Waddington menciptakan istilah tersebut, sifat fisik gen tidak sepenuhnya diketahui, jadi dia menggunakannya sebagai model konseptual tentang bagaimana gen dapat berinteraksi dengan lingkungannya untuk membentuk fenotipe.

Robin Holliday mendefinisikan epigenetik sebagai "studi tentang mekanisme kontrol temporal dan spasial aktivitas gen selama perkembangan organisme". Dengan demikian, istilah "epigenetik" dapat digunakan untuk menggambarkan faktor internal apa pun yang memengaruhi perkembangan suatu organisme, kecuali urutan DNA itu sendiri.

Penggunaan kata modern dalam wacana ilmiah lebih sempit. Awalan Yunani epi- dalam kata menyiratkan faktor yang mempengaruhi "di atas" atau "selain" faktor genetik, yang berarti bahwa faktor epigenetik bertindak sebagai tambahan atau tambahan faktor molekuler tradisional dari hereditas.

Kesamaan dengan kata "genetika" telah memunculkan banyak analogi dalam penggunaan istilah tersebut. "Epigenom" analog dengan istilah "genom", dan mendefinisikan keadaan epigenetik keseluruhan sel. Metafora "kode genetik" juga telah diadaptasi, dan istilah "kode epigenetik" digunakan untuk menggambarkan serangkaian fitur epigenetik yang menghasilkan beragam fenotipe dalam sel yang berbeda. Istilah "epimutasi" banyak digunakan, yang mengacu pada perubahan epigenom normal yang disebabkan oleh faktor sporadis, yang ditransmisikan dalam sejumlah generasi sel.

Basis molekuler epigenetik

Basis molekuler epigenetik cukup kompleks karena tidak memengaruhi struktur DNA, tetapi mengubah aktivitas gen tertentu. Ini menjelaskan mengapa hanya gen yang diperlukan untuk aktivitas spesifiknya yang diekspresikan dalam sel terdiferensiasi dari organisme multisel. Fitur dari perubahan epigenetik adalah bahwa mereka dipertahankan selama pembelahan sel. Diketahui bahwa sebagian besar perubahan epigenetik memanifestasikan dirinya hanya dalam masa hidup satu organisme. Pada saat yang sama, jika terjadi perubahan DNA pada sperma atau sel telur, maka beberapa manifestasi epigenetik dapat diturunkan dari satu generasi ke generasi lainnya. Hal ini menimbulkan pertanyaan, dapatkah perubahan epigenetik pada suatu organisme benar-benar mengubah struktur dasar DNA-nya? (lihat Evolusi).

Dalam kerangka epigenetik, proses seperti paramutasi, bookmark genetik, pencetakan genom, inaktivasi kromosom X, efek posisi, efek ibu, serta mekanisme regulasi ekspresi gen lainnya dipelajari secara luas.

Studi epigenetik menggunakan berbagai teknik biologi molekuler, termasuk - imunopresipitasi kromatin (berbagai modifikasi ChIP-on-chip dan ChIP-Seq), hibridisasi in situ, enzim restriksi sensitif metilasi, identifikasi DNA adenin metiltransferase (DamID) dan pengurutan bisulfit . Selain itu, penggunaan metode bioinformatika (computer-aided epigenetics) memainkan peran yang semakin penting.

Mekanisme

metilasi DNA dan remodeling kromatin

Faktor epigenetik mempengaruhi aktivitas ekspresi gen tertentu pada beberapa tingkatan, yang mengarah pada perubahan fenotipe sel atau organisme. Salah satu mekanisme pengaruh tersebut adalah remodulasi kromatin. Kromatin adalah kompleks DNA dengan protein histon: DNA melilit protein histon, yang diwakili oleh struktur bola (nukleosom), sebagai akibatnya, pemadatannya dalam nukleus dipastikan. Intensitas ekspresi gen bergantung pada kepadatan histon di daerah genom yang diekspresikan secara aktif. Renovasi kromatin adalah proses aktif mengubah "kepadatan" nukleosom dan afinitas histon untuk DNA. Ini dicapai dengan dua cara yang dijelaskan di bawah ini.

metilasi DNA

Mekanisme epigenetik yang paling banyak dipelajari hingga saat ini adalah metilasi basa sitosin DNA. Awal studi intensif tentang peran metilasi dalam pengaturan ekspresi genetik, termasuk selama penuaan, dimulai pada tahun 70-an abad lalu oleh karya perintis Vanyushin B.F. dan Berdyshev G.D. et al. Proses metilasi DNA terdiri dari perlekatan gugus metil ke sitosin sebagai bagian dari dinukleotida CpG pada posisi C5 cincin sitosin. Metilasi DNA terutama melekat pada eukariota. Pada manusia, sekitar 1% DNA genom mengalami metilasi. Tiga enzim bertanggung jawab untuk proses metilasi DNA, yang disebut DNA methyltransferases 1, 3a dan 3b (DNMT1, DNMT3a dan DNMT3b). Diasumsikan bahwa DNMT3a dan DNMT3b adalah metiltransferase de novo yang melakukan pembentukan pola metilasi DNA pada tahap awal pengembangan, dan DNMT1 melakukan metilasi DNA pada tahap akhir kehidupan organisme. Fungsi metilasi adalah mengaktifkan/menonaktifkan suatu gen. Dalam kebanyakan kasus, metilasi mengarah pada penekanan aktivitas gen, terutama ketika daerah promotornya dimetilasi, dan demetilasi mengarah pada aktivasinya. Telah ditunjukkan bahwa bahkan perubahan kecil pada tingkat metilasi DNA dapat secara signifikan mengubah tingkat ekspresi genetik.

Modifikasi histon

Meskipun modifikasi asam amino pada histon terjadi di seluruh molekul protein, modifikasi N-tail lebih sering terjadi. Modifikasi ini meliputi: fosforilasi, ubiquitylation, asetilasi, metilasi, sumoylasi. Asetilasi adalah modifikasi histon yang paling banyak dipelajari. Dengan demikian, asetilasi lisin pada ekor histone H3 oleh asetiltransferase K14 dan K9 berkorelasi dengan aktivitas transkripsi di wilayah kromosom ini. Ini karena asetilasi lisin mengubah muatan positifnya menjadi netral, membuatnya tidak mungkin mengikat gugus fosfat bermuatan negatif dalam DNA. Akibatnya, histon terlepas dari DNA, yang menyebabkan perlekatan kompleks SWI/SNF dan faktor transkripsi lainnya ke DNA telanjang yang memicu transkripsi. Ini adalah model regulasi epigenetik "cis".

Histon mampu mempertahankan keadaan modifikasinya dan bertindak sebagai templat untuk modifikasi histon baru yang berikatan dengan DNA setelah replikasi.

Mekanisme reproduksi tanda epigenetik lebih dipahami untuk metilasi DNA daripada modifikasi histon. Dengan demikian, enzim DNMT1 memiliki afinitas tinggi terhadap 5-metilsitosin. Ketika DNMT1 menemukan "situs semi-metilasi" (situs di mana sitosin dimetilasi hanya pada satu untai DNA), ia memetilasi sitosin pada untai kedua di situs yang sama.

prion

miRNA

Baru-baru ini, banyak perhatian telah diarahkan pada studi tentang peran RNA pengganggu kecil (si-RNA) dalam pengaturan aktivitas genetik RNA pengganggu kecil. RNA yang mengganggu dapat mengubah stabilitas dan translasi mRNA dengan memodelkan fungsi polisom dan struktur kromatin.

Arti

Warisan epigenetik dalam sel somatik memainkan peran penting dalam perkembangan organisme multisel. Genom semua sel hampir sama; pada saat yang sama, organisme multisel mengandung sel-sel yang berdiferensiasi berbeda yang merasakan sinyal lingkungan dengan cara yang berbeda dan melakukan fungsi yang berbeda. Faktor epigenetiklah yang menyediakan "memori seluler".

Obat

Fenomena genetik dan epigenetik memiliki dampak yang signifikan terhadap kesehatan manusia. Diketahui beberapa penyakit yang timbul karena pelanggaran metilasi gen, serta karena hemizigositas untuk gen yang tunduk pada pencetakan genom. Bagi banyak organisme, hubungan antara aktivitas asetilasi/deasetilasi histon dan masa hidup telah terbukti. Mungkin proses yang sama ini memengaruhi harapan hidup orang.

Evolusi

Meskipun epigenetik terutama dipertimbangkan dalam konteks memori seluler, ada juga sejumlah efek epigenetik transgeneratif di mana perubahan genetik diwariskan kepada keturunannya. Tidak seperti mutasi, perubahan epigenetik bersifat reversibel dan mungkin terarah (adaptif). Karena kebanyakan dari mereka menghilang setelah beberapa generasi, mereka hanya bisa menjadi adaptasi sementara. Yang juga dibahas secara aktif adalah kemungkinan pengaruh epigenetik pada frekuensi mutasi pada gen tertentu. Famili APOBEC/AID dari protein sitosin deaminase telah terbukti terlibat dalam pewarisan genetik dan epigenetik menggunakan mekanisme molekuler yang serupa. Lebih dari 100 kasus fenomena epigenetik transgeneratif telah ditemukan di banyak organisme.

Efek epigenetik pada manusia

Pencetakan genomik dan penyakit terkait

Beberapa penyakit manusia dikaitkan dengan pencetakan genom, sebuah fenomena di mana gen yang sama memiliki pola metilasi yang berbeda tergantung pada jenis kelamin induknya. Kasus penyakit terkait pencetakan yang paling terkenal adalah sindrom Angelman dan sindrom Prader-Willi. Alasan pengembangan keduanya adalah penghapusan sebagian di wilayah 15q. Hal ini disebabkan oleh adanya genomic imprinting pada lokus ini.

Efek epigenetik transgeneratif

Marcus Pembrey et al menemukan bahwa cucu (tetapi bukan cucu perempuan) dari laki-laki yang rawan kelaparan di Swedia pada abad ke-19 kurang rentan terhadap penyakit kardiovaskular tetapi lebih rentan terhadap diabetes, yang penulis yakini sebagai contoh pewarisan epigenetik.

Kanker dan gangguan perkembangan

Banyak zat memiliki sifat karsinogen epigenetik: zat tersebut menyebabkan peningkatan kejadian tumor tanpa menunjukkan efek mutagenik (misalnya: dietilstilbestrol arsenit, heksaklorobenzena, dan senyawa nikel). Banyak teratogen, khususnya dietilstilbestrol, memiliki efek spesifik pada janin pada tingkat epigenetik.

Perubahan asetilasi histon dan metilasi DNA menyebabkan perkembangan kanker prostat dengan mengubah aktivitas berbagai gen. Aktivitas gen pada kanker prostat dapat dipengaruhi oleh pola makan dan gaya hidup.

Pada tahun 2008, Institut Kesehatan Nasional AS mengumumkan bahwa $190 juta akan dihabiskan untuk penelitian epigenetik selama 5 tahun ke depan. Epigenetik mungkin memainkan peran lebih besar daripada genetika dalam pengobatan penyakit manusia, menurut beberapa peneliti yang mempelopori pendanaan tersebut.

Epigenom dan penuaan

Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah besar bukti telah terakumulasi bahwa proses epigenetik memainkan peran penting pada tahap akhir kehidupan. Secara khusus, perubahan luas dalam pola metilasi terjadi dengan penuaan. Diasumsikan bahwa proses ini berada di bawah kendali genetik. Biasanya, jumlah terbesar basa sitosin termetilasi diamati pada DNA yang diisolasi dari embrio atau hewan yang baru lahir, dan jumlah ini secara bertahap menurun seiring bertambahnya usia. Penurunan serupa dalam metilasi DNA telah ditemukan pada limfosit yang dikultur dari tikus, hamster, dan manusia. Ini memiliki karakter yang sistematis, tetapi dapat spesifik jaringan dan gen. Misalnya, Tra et al. (Tra et al., 2002), ketika membandingkan lebih dari 2000 lokus dalam limfosit-T yang diisolasi dari darah tepi bayi baru lahir, serta orang-orang usia menengah dan tua, mengungkapkan bahwa 23 dari lokus ini mengalami hipermetilasi dan 6 hipometilasi seiring bertambahnya usia. , dan perubahan serupa dalam sifat metilasi juga ditemukan di jaringan lain: pankreas, paru-paru, dan kerongkongan. Distorsi epigenetik yang diucapkan ditemukan pada pasien dengan progyria Hutchinson-Gilford.

Disarankan bahwa demetilasi dengan usia mengarah pada penataan ulang kromosom karena aktivasi elemen genetik transposable (MGEs), yang biasanya ditekan oleh metilasi DNA (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Penurunan metilasi terkait usia yang sistematis mungkin, setidaknya sebagian, menjadi penyebab banyak penyakit kompleks yang tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan konsep genetik klasik. Proses lain yang terjadi dalam ontogeni secara paralel dengan demetilasi dan memengaruhi proses regulasi epigenetik adalah kondensasi kromatin (heterokromatinisasi), yang menyebabkan penurunan aktivitas genetik seiring bertambahnya usia. Dalam sejumlah penelitian, perubahan epigenetik yang bergantung pada usia juga telah ditunjukkan pada sel germinal; arah perubahan ini, tampaknya, spesifik gen.

literatur

• Nessa Carey. Epigenetik: bagaimana biologi modern menulis ulang pemahaman kita tentang genetika, penyakit, dan keturunan. - Rostov-on-Don: Phoenix, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Catatan

1. Penelitian baru mengaitkan modifikasi RNA umum dengan obesitas
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Epidemiologi epigenetik penyakit terkait usia
4. Holliday, R., 1990. Mekanisme untuk mengontrol aktivitas gen selama perkembangan. Biol. Putaran. Cambr. Filos. soc. 65, 431-471
5. "Epigenetik". BioMedicine.org. Diakses 21-05-2011.
6. V.L. Chandler (2007). Paramutasi: Dari Jagung ke Tikus. Sel 128(4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501 .
7. Jan Sapp, Melampaui Gen. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, "Konsep organisasi: pengaruh protozoa ciliate" . Dalam S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Kejadian: Evolusi Biologi Oxford University Press, 2003.
8. Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). Pers MIT. ISBN 0-26-265063-0.
9. Verdel dkk, 2004
10. Matzke, Birchler, 2005
11. O.J. Rando dan K.J. Verstrepen (2007). "Skala Waktu Warisan Genetik dan Epigenetik". Sel 128(4): 655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504 .
12. Jablonka, Eva; Gal Raz (Juni 2009). "Warisan Epigenetik Transgenerasional: Prevalensi, Mekanisme, dan Implikasi untuk Studi Keturunan dan Evolusi". Tinjauan Kuartal Biologi 84(2): 131-176. doi:10.1086/598822. PMID 19606595 .
13. J.H.M. Knoll, R.D. Nicholls, R.E. Magenis, J.M. Graham Jr, M. Lalande, S.A. Latt (1989). "Sindrom Angelman dan Prader-Willi berbagi penghapusan kromosom yang sama tetapi berbeda dalam asal orangtua dari penghapusan". American Journal of Medical Genetics 32(2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235. PMID 2564739.
14. Pembrey ME, Bygren LO, Kaati G, et al.. Respons transgenerasi garis pria khusus jenis kelamin pada manusia. Eur J Hum Genet 2006; 14:159-66. PMID 16391557 . Robert Winston mengacu pada penelitian ini dalam sebuah ceramah; lihat juga diskusi di Universitas Leeds, di sini

Pengurutan DNA dari genom manusia dan genom dari banyak model organisme telah menimbulkan kegemparan yang cukup besar dalam komunitas biomedis dan di antara masyarakat umum dalam beberapa tahun terakhir. Cetak biru genetik ini, yang menunjukkan aturan pewarisan Mendel yang diterima secara umum, sekarang tersedia untuk analisis yang cermat, membuka pintu untuk pemahaman yang lebih dalam tentang biologi manusia dan penyakit. Pengetahuan ini juga menghasilkan harapan baru untuk strategi pengobatan baru. Namun, banyak pertanyaan mendasar yang belum terjawab. Misalnya, bagaimana perkembangan normal bekerja ketika setiap sel memiliki informasi genetik yang sama namun mengikuti jalur perkembangannya sendiri dengan presisi temporal dan spasial yang tinggi? Bagaimana sel memutuskan kapan harus membelah dan berdiferensiasi dan kapan menjaga identitas selulernya tidak berubah, bereaksi dan memanifestasikan dirinya sesuai dengan program perkembangan normalnya? Kesalahan yang terjadi pada proses di atas dapat menyebabkan kondisi penyakit seperti kanker. Apakah kesalahan ini dikodekan dalam cetak biru yang salah yang kita warisi dari salah satu atau kedua orang tua kita, atau apakah ada lapisan informasi peraturan lain yang belum dibaca dan didekodekan dengan benar?

Pada manusia, informasi genetik (DNA) disusun menjadi 23 pasang kromosom, yang terdiri dari sekitar 25.000 gen. Kromosom-kromosom ini dapat dibandingkan dengan perpustakaan-perpustakaan yang berisi kumpulan-kumpulan buku berbeda yang bersama-sama memberikan petunjuk-petunjuk untuk perkembangan seluruh organisme manusia. Urutan nukleotida DNA genom kita terdiri dari kira-kira (3 x 10 pangkat 9) basa, disingkat dalam urutan ini dengan empat huruf A, C, G dan T, yang membentuk kata-kata tertentu (gen), kalimat, bab dan buku. Namun, apa yang menentukan kapan dan dalam urutan apa buku-buku yang berbeda ini harus dibaca masih jauh dari kejelasan. Jawaban atas tantangan luar biasa ini mungkin adalah untuk mengetahui bagaimana peristiwa seluler dikoordinasikan selama perkembangan normal dan abnormal.

Jika Anda menjumlahkan semua kromosom, molekul DNA pada eukariota yang lebih tinggi panjangnya sekitar 2 meter dan, oleh karena itu, harus dipadatkan sebanyak mungkin - sekitar 10.000 kali - agar sesuai dengan inti sel - kompartemen sel yang menyimpan materi genetik. Penggulungan DNA ke "kumparan" protein, yang disebut protein histon, memberikan solusi elegan untuk masalah pengemasan ini dan memunculkan polimer di mana kompleks protein:DNA berulang, yang dikenal sebagai kromatin. Namun, dalam proses pengemasan DNA agar lebih sesuai dengan ruang terbatas, tugas menjadi lebih sulit - sama seperti ketika mengatur terlalu banyak buku di rak perpustakaan: semakin sulit untuk menemukan dan membaca buku pilihan, dan dengan demikian sistem pengindeksan menjadi perlu. .

Pengindeksan semacam itu disediakan oleh kromatin sebagai platform untuk mengatur genom. Kromatin tidak homogen dalam strukturnya; itu muncul dalam berbagai bentuk pengemasan, dari fibril kromatin yang sangat kental (dikenal sebagai heterokromatin) hingga bentuk yang kurang kompak di mana gen biasanya diekspresikan (dikenal sebagai eukromatin). Perubahan dapat dimasukkan ke dalam polimer kromatin inti dengan memasukkan protein histon yang tidak biasa (dikenal sebagai varian histon), mengubah struktur kromatin (dikenal sebagai remodeling kromatin), dan menambahkan bendera kimia ke protein histon itu sendiri (dikenal sebagai modifikasi kovalen). Selain itu, penambahan gugus metil langsung ke basa sitosin (C) dalam templat DNA (dikenal sebagai metilasi DNA) dapat membuat situs perlekatan protein untuk mengubah keadaan kromatin atau memengaruhi modifikasi kovalen histon penduduk.

Data terbaru menunjukkan bahwa RNA nonkode dapat "mengarahkan" transisi wilayah genom khusus ke keadaan kromatin yang lebih padat. Dengan demikian, kromatin harus dipandang sebagai polimer dinamis yang dapat mengindeks genom dan memperkuat sinyal dari lingkungan eksternal, yang pada akhirnya menentukan gen mana yang harus dan tidak boleh diekspresikan.

Secara keseluruhan, kemampuan pengaturan ini memberi kromatin semacam awal pengorganisasian genom, yang dikenal sebagai "epigenetik". Dalam beberapa kasus, pola pengindeksan epigenetik ditemukan diwariskan selama pembelahan sel, sehingga memberikan "memori" seluler yang dapat memperluas potensi informasi yang diwariskan yang terkandung dalam kode genetik (DNA). Jadi, dalam arti kata yang sempit, epigenetik dapat didefinisikan sebagai perubahan transkripsi gen akibat modulasi kromatin yang bukan merupakan hasil dari perubahan urutan nukleotida DNA.

Ulasan ini menyajikan konsep utama yang berkaitan dengan kromatin dan epigenetik dan membahas bagaimana kontrol epigenetik dapat memberi kita kunci untuk memecahkan beberapa misteri lama seperti identitas sel, pertumbuhan tumor, plastisitas sel induk, regenerasi dan penuaan. Saat pembaca "menyeberang" melalui bab-bab berikut, kami menyarankan mereka untuk memperhatikan berbagai model eksperimental yang tampaknya memiliki basis epigenetik (non-DNA). Dinyatakan dalam istilah mekanistik, pemahaman tentang bagaimana fungsi epigenetik cenderung memiliki implikasi penting dan luas untuk biologi manusia dan penyakit di era "pasca-genomik" ini.

Mungkin definisi epigenetik yang paling luas dan sekaligus tepat adalah milik ahli biologi Inggris terkemuka, peraih Nobel Peter Medawar: "Genetika mengusulkan, tetapi epigenetik menentukan."

Tahukah Anda bahwa sel kita memiliki memori? Mereka tidak hanya mengingat apa yang biasa Anda makan untuk sarapan, tetapi juga apa yang dimakan ibu dan nenek Anda selama hamil. Sel-sel Anda mengingat dengan baik apakah Anda berolahraga dan seberapa sering Anda minum alkohol. Memori sel menyimpan pertemuan Anda dengan virus dan betapa Anda dicintai saat kecil. Memori seluler memutuskan apakah Anda akan rentan terhadap obesitas dan depresi. Sebagian besar karena memori seluler, kita tidak seperti simpanse, meskipun kita memiliki komposisi genom yang kira-kira sama dengan mereka. Dan ilmu epigenetik membantu memahami ciri menakjubkan sel kita ini.

Epigenetik adalah bidang sains modern yang agak muda, dan sejauh ini tidak dikenal luas sebagai genetika "saudara perempuannya". Diterjemahkan dari bahasa Yunani, preposisi "epi-" berarti "di atas", "di atas", "di atas". Jika genetika mempelajari proses yang menyebabkan perubahan pada gen kita, pada DNA, maka epigenetik mempelajari perubahan aktivitas gen, di mana struktur DNA tetap sama. Dapat dibayangkan bahwa beberapa "komandan" dalam menanggapi rangsangan eksternal, seperti nutrisi, stres emosional, aktivitas fisik, memberi perintah pada gen kita untuk meningkatkan atau, sebaliknya, melemahkan aktivitasnya.

Kontrol mutasi

Perkembangan epigenetik sebagai cabang terpisah dari biologi molekuler dimulai pada tahun 1940-an. Kemudian ahli genetika Inggris Conrad Waddington merumuskan konsep "lanskap epigenetik", yang menjelaskan proses pembentukan organisme. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa transformasi epigenetik hanya khas untuk tahap awal perkembangan organisme dan tidak diamati pada masa dewasa. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, serangkaian bukti eksperimental telah diperoleh yang menghasilkan efek luar biasa dalam biologi dan genetika.

Sebuah revolusi dalam pandangan dunia genetik terjadi pada akhir abad terakhir. Sejumlah data eksperimen diperoleh di beberapa laboratorium sekaligus, yang membuat para ahli genetika berpikir keras. Jadi, pada tahun 1998, peneliti Swiss yang dipimpin oleh Renato Paro dari University of Basel melakukan percobaan dengan lalat buah, yang karena mutasi memiliki mata kuning. Ditemukan bahwa di bawah pengaruh peningkatan suhu pada lalat buah mutan, keturunannya lahir bukan dengan mata kuning, tetapi dengan mata merah (seperti biasa). Mereka mengaktifkan satu elemen kromosom, yang mengubah warna mata.

Yang mengejutkan para peneliti, warna merah mata tetap ada pada keturunan lalat ini selama empat generasi, meskipun mereka tidak lagi terkena panas. Artinya, sifat yang diperoleh diwariskan. Para ilmuwan dipaksa untuk membuat kesimpulan yang sensasional: perubahan epigenetik yang dipicu oleh stres yang tidak memengaruhi genom itu sendiri dapat diperbaiki dan ditransmisikan ke generasi berikutnya.

Tapi mungkin ini hanya terjadi di Drosophila? Tidak hanya. Belakangan ternyata pada manusia pengaruh mekanisme epigenetik juga berperan sangat penting. Misalnya, sebuah pola telah diidentifikasi bahwa kecenderungan orang dewasa terhadap diabetes tipe 2 sangat bergantung pada bulan kelahiran mereka. Dan terlepas dari kenyataan bahwa antara pengaruh faktor-faktor tertentu yang terkait dengan musim, dan terjadinya penyakit itu sendiri, 50-60 tahun berlalu. Ini adalah contoh yang jelas dari apa yang disebut pemrograman epigenetik.

Apa yang dapat menghubungkan kecenderungan diabetes dan tanggal lahir? Ilmuwan Selandia Baru Peter Gluckman dan Mark Hanson berhasil merumuskan penjelasan logis untuk paradoks ini. Mereka mengusulkan "hipotesis ketidaksesuaian" yang menurutnya adaptasi "prognostik" terhadap kondisi lingkungan yang diharapkan setelah lahir dapat terjadi pada organisme yang sedang berkembang. Jika ramalan itu terkonfirmasi, ini meningkatkan peluang organisme untuk bertahan hidup di dunia tempat ia akan hidup. Jika tidak, adaptasi menjadi maladaptasi, yaitu penyakit.

Misalnya, jika selama perkembangan intrauterin janin menerima jumlah makanan yang tidak mencukupi, perubahan metabolisme terjadi di dalamnya, yang bertujuan untuk menyimpan sumber makanan untuk digunakan di masa mendatang, "untuk hari hujan". Jika hanya ada sedikit makanan setelah lahir, ini membantu tubuh bertahan hidup. Jika dunia yang dimasuki seseorang setelah lahir ternyata lebih sejahtera dari yang diperkirakan, pola metabolisme yang “hemat” ini bisa berujung pada obesitas dan diabetes tipe 2 di kemudian hari.

Eksperimen yang dilakukan pada tahun 2003 oleh ilmuwan Amerika dari Duke University Randy Jirtle dan Robert Waterland telah menjadi buku teks. Beberapa tahun sebelumnya, Jirtle berhasil memasukkan gen buatan ke tikus biasa, yang menyebabkan mereka terlahir kuning, gemuk, dan sakit-sakitan. Setelah menciptakan tikus seperti itu, Jirtle dan rekan-rekannya memutuskan untuk memeriksa: apakah mungkin membuat mereka normal tanpa menghilangkan gen yang rusak? Ternyata itu mungkin: mereka menambahkan asam folat, vitamin B 12, kolin dan metionin ke dalam pakan tikus agouti hamil (sebagaimana mereka mulai menyebut tikus kuning sebagai "monster"), dan sebagai hasilnya, keturunan normal muncul. Faktor nutrisi mampu menetralkan mutasi pada gen. Selain itu, efek dari pola makan tersebut bertahan selama beberapa generasi berikutnya: bayi tikus agouti, yang lahir normal berkat suplemen nutrisi, sendiri melahirkan tikus normal, meskipun mereka sudah menjalani pola makan seperti biasa.

Kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa masa kehamilan dan bulan-bulan pertama kehidupan adalah yang terpenting dalam kehidupan semua mamalia, termasuk manusia. Seperti yang dikatakan dengan tepat oleh ahli saraf Jerman Peter Spork, "Kesehatan kita di usia tua terkadang jauh lebih dipengaruhi oleh pola makan ibu kita selama kehamilan daripada makanan pada saat kehidupan saat ini."

nasib karena warisan

Mekanisme regulasi epigenetik aktivitas gen yang paling banyak dipelajari adalah proses metilasi, yang terdiri dari penambahan gugus metil (satu atom karbon dan tiga atom hidrogen) ke basa sitosin DNA. Metilasi dapat mempengaruhi aktivitas gen dalam beberapa cara. Secara khusus, gugus metil dapat secara fisik mencegah faktor transkripsi (protein yang mengontrol proses sintesis messenger RNA pada templat DNA) agar tidak berkontak dengan wilayah DNA tertentu. Di sisi lain, mereka bekerja bersama dengan protein pengikat metilsitosin, berpartisipasi dalam proses remodeling kromatin, zat yang menyusun kromosom, tempat penyimpanan informasi herediter.

metilasi DNA
Gugus metil menempel pada basa sitosin tanpa merusak atau mengubah DNA, tetapi memengaruhi aktivitas gen yang sesuai. Ada juga proses sebaliknya - demetilasi, di mana gugus metil dihilangkan dan aktivitas asli gen dipulihkan.

Metilasi terlibat dalam banyak proses yang terkait dengan pengembangan dan pembentukan semua organ dan sistem pada manusia. Salah satunya adalah inaktivasi kromosom X pada embrio. Seperti yang Anda ketahui, mamalia betina memiliki dua salinan kromosom seks, yang disebut kromosom X, dan jantan memiliki satu kromosom X dan satu Y, yang ukurannya jauh lebih kecil dan jumlah informasi genetiknya. Untuk menyamakan jantan dan betina dalam jumlah produk gen (RNA dan protein) yang dihasilkan, sebagian besar gen pada salah satu kromosom X pada betina dimatikan.

Puncak dari proses ini terjadi pada tahap blastokista, ketika embrio terdiri dari 50-100 sel. Di setiap sel, kromosom untuk inaktivasi (ayah atau ibu) dipilih secara acak dan tetap tidak aktif di semua generasi berikutnya dari sel ini. Terkait dengan proses "pencampuran" kromosom ayah dan ibu ini adalah fakta bahwa wanita jauh lebih kecil kemungkinannya untuk menderita penyakit yang berhubungan dengan kromosom X.

Metilasi memainkan peran penting dalam diferensiasi sel, proses dimana sel embrio "universal" berkembang menjadi sel khusus dalam jaringan dan organ. Serat otot, jaringan tulang, sel saraf - semuanya muncul karena aktivitas bagian genom yang ditentukan secara ketat. Diketahui juga bahwa metilasi memainkan peran utama dalam penekanan sebagian besar varietas onkogen, serta beberapa virus.

Metilasi DNA adalah kepentingan praktis terbesar di antara semua mekanisme epigenetik, karena berhubungan langsung dengan diet, status emosi, aktivitas otak, dan faktor eksternal lainnya.

Data yang mengkonfirmasi kesimpulan ini dengan baik diperoleh pada awal abad ini oleh para peneliti Amerika dan Eropa. Para ilmuwan meneliti orang tua Belanda yang lahir segera setelah perang. Masa kehamilan ibu mereka bertepatan dengan masa yang sangat sulit, ketika terjadi kelaparan yang nyata di Belanda pada musim dingin tahun 1944-1945. Para ilmuwan dapat menetapkan bahwa tekanan emosional yang kuat dan pola makan ibu yang setengah kelaparan memiliki dampak paling negatif pada kesehatan anak di masa depan. Terlahir dengan berat badan rendah, mereka beberapa kali lebih mungkin menderita penyakit jantung, obesitas, dan diabetes di masa dewasa daripada rekan senegaranya yang lahir satu atau dua tahun kemudian (atau lebih awal).

Analisis genom mereka menunjukkan tidak adanya metilasi DNA di area yang memastikan pelestarian kesehatan yang baik. Jadi, pada orang tua Belanda yang ibunya selamat dari kelaparan, metilasi gen faktor pertumbuhan seperti insulin (IGF) berkurang secara nyata, yang menyebabkan jumlah IGF dalam darah meningkat. Dan faktor ini, seperti yang diketahui para ilmuwan, memiliki hubungan terbalik dengan harapan hidup: semakin tinggi level IGF dalam tubuh, semakin pendek umurnya.

Belakangan, ilmuwan Amerika Lambert Lumet menemukan bahwa pada generasi berikutnya, anak-anak yang lahir dalam keluarga orang Belanda ini juga lahir dengan berat badan rendah yang tidak normal dan lebih sering menderita semua penyakit yang berkaitan dengan usia daripada yang lain, meskipun orang tua mereka hidup cukup baik dan makan dengan baik. Gen tersebut mengingat informasi tentang masa lapar kehamilan nenek dan meneruskannya bahkan setelah satu generasi kepada cucu mereka.

Banyak wajah epigenetik

Proses epigenetik diwujudkan pada beberapa tingkatan. Metilasi beroperasi pada tingkat nukleotida individu. Tingkat selanjutnya adalah modifikasi histon, protein yang terlibat dalam pengemasan untaian DNA. Proses transkripsi dan replikasi DNA juga bergantung pada pengemasan ini. Cabang ilmiah terpisah - epigenetik RNA - mempelajari proses epigenetik yang terkait dengan RNA, termasuk metilasi RNA messenger.

Gen bukanlah sebuah kalimat

Seiring dengan stres dan malnutrisi, kesehatan janin dapat dipengaruhi oleh berbagai zat yang mengganggu proses normal regulasi hormonal. Mereka disebut "pengganggu endokrin" (penghancur). Zat-zat ini, pada umumnya, bersifat buatan: umat manusia menerimanya secara industri untuk kebutuhan mereka.

Contoh yang paling mencolok dan negatif mungkin adalah bisphenol-A, yang telah digunakan selama bertahun-tahun sebagai pengeras dalam pembuatan produk plastik. Itu terkandung dalam beberapa jenis wadah plastik - botol air dan minuman, wadah makanan.

Efek negatif bisphenol-A pada tubuh terletak pada kemampuan untuk "menghancurkan" gugus metil bebas yang diperlukan untuk metilasi dan menghambat enzim yang menempelkan gugus ini ke DNA. Ahli biologi dari Harvard Medical School telah menemukan kemampuan bisphenol-A untuk menghambat pematangan sel telur dan dengan demikian menyebabkan kemandulan. Rekan mereka di Universitas Columbia telah menemukan kemampuan bisphenol-A untuk menghapus perbedaan antara jenis kelamin dan merangsang kelahiran keturunan dengan kecenderungan homoseksual. Di bawah pengaruh bisphenol, metilasi normal gen yang mengkode reseptor untuk estrogen, hormon seks wanita, terganggu. Karena itu, lahirlah tikus jantan dengan karakter "betina", penurut dan tenang.

Untungnya, ada makanan yang memiliki efek positif pada epigenom. Misalnya, konsumsi teh hijau secara teratur dapat mengurangi risiko kanker, karena mengandung zat tertentu (epigallocatechin-3-gallate), yang dapat mengaktifkan gen penekan tumor (supresor) dengan mendemetilasi DNA mereka. Dalam beberapa tahun terakhir, modulator proses epigenetik yang populer, genistein, terkandung dalam produk kedelai. Banyak peneliti mengaitkan kandungan kedelai dalam makanan orang Asia dengan kerentanan mereka yang lebih rendah terhadap penyakit terkait usia tertentu.

Studi tentang mekanisme epigenetik telah membantu untuk memahami kebenaran penting: banyak hal dalam hidup bergantung pada kita. Tidak seperti informasi genetik yang relatif stabil, "tanda" epigenetik dapat dibalikkan dalam kondisi tertentu. Fakta ini memungkinkan kita untuk mengandalkan metode baru yang fundamental untuk memerangi penyakit umum berdasarkan penghapusan modifikasi epigenetik yang muncul pada manusia di bawah pengaruh faktor-faktor yang merugikan. Penggunaan pendekatan yang ditujukan untuk menyesuaikan epigenom membuka prospek besar bagi kita.