Epigenetika: čo riadi náš genetický kód? Genetika a epigenetika: základné pojmy Choroby imunitného systému.

Epigenetika je relatívne nedávne odvetvie biologickej vedy a ešte nie je tak známe ako genetika. Je chápaný ako odvetvie genetiky, ktoré študuje dedičné zmeny v génovej aktivite počas vývoja organizmu alebo bunkového delenia.

Epigenetické zmeny nie sú sprevádzané preskupením nukleotidovej sekvencie v deoxyribonukleovej kyseline (DNA).

V tele sú v samotnom genóme rôzne regulačné prvky, ktoré riadia fungovanie génov, a to aj v závislosti od vnútorných a vonkajších faktorov. Po dlhú dobu nebola epigenetika uznávaná, pretože bolo málo informácií o povahe epigenetických signálov a mechanizmoch ich implementácie.

Štruktúra ľudského genómu

V roku 2002, ako výsledok dlhoročného úsilia veľkého počtu vedcov z rôznych krajín, bolo dokončené dešifrovanie štruktúry ľudského dedičného aparátu, ktorý je obsiahnutý v hlavnej molekule DNA. Ide o jeden z výnimočných úspechov biológie na začiatku 21. storočia.

DNA, ktorá obsahuje všetky dedičné informácie o danom organizme, sa nazýva genóm. Gény sú jednotlivé oblasti, ktoré zaberajú veľmi malú časť genómu, no zároveň tvoria jeho základ. Každý gén je zodpovedný za prenos údajov o štruktúre ribonukleovej kyseliny (RNA) a bielkovín v ľudskom tele. Štruktúry, ktoré prenášajú dedičnú informáciu, sa nazývajú kódujúce sekvencie. Projekt Genome priniesol údaje, ktoré odhadovali, že ľudský genóm obsahuje viac ako 30 000 génov. V súčasnosti sa v dôsledku objavenia sa nových výsledkov hmotnostnej spektrometrie odhaduje, že genóm obsahuje asi 19 000 génov.

Genetická informácia každého človeka je obsiahnutá v bunkovom jadre a nachádza sa v špeciálnych štruktúrach nazývaných chromozómy. Každá somatická bunka obsahuje dve kompletné sady (diploidných) chromozómov. Každá jednotlivá sada (haploid) obsahuje 23 chromozómov - 22 obyčajných (autozómov) a jeden pohlavný chromozóm - X alebo Y.

Molekuly DNA, obsiahnuté vo všetkých chromozómoch každej ľudskej bunky, sú dva polymérne reťazce skrútené do pravidelnej dvojitej špirály.

Oba reťazce držia spolu štyri bázy: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tiamín (T). Navyše, báza A na jednom reťazci sa môže spájať len s bázou T na inom reťazci a podobne sa báza G môže spájať s bázou C. Toto sa nazýva princíp párovania báz. V iných variantoch párovanie narúša celú integritu DNA.

DNA existuje v intímnom komplexe so špecializovanými proteínmi a spolu tvoria chromatín.

Históny sú nukleoproteíny, ktoré sú hlavnými zložkami chromatínu. Vyznačujú sa tvorbou nových látok spájaním dvoch štruktúrnych prvkov do komplexu (diméru), čo je znakom pre následnú epigenetickú modifikáciu a reguláciu.

DNA, ktorá uchováva genetickú informáciu, sa pri každom delení bunky sama reprodukuje (zdvojuje), to znamená, že vytvára presné kópie seba samého (replikácia). Počas delenia buniek sa prerušia väzby medzi dvoma vláknami dvojzávitnice DNA a vlákna špirály sa oddelia. Potom sa na každom z nich vybuduje dcérske vlákno DNA. V dôsledku toho sa molekula DNA zdvojnásobí a vytvoria sa dcérske bunky.

DNA slúži ako templát, na ktorom dochádza k syntéze rôznych RNA (transkripcia). Tento proces (replikácia a transkripcia) prebieha v bunkovom jadre a začína oblasťou génu nazývanou promótor, kde sa proteínové komplexy viažu, aby kopírovali DNA za vzniku messenger RNA (mRNA).

Tá zase slúži nielen ako nosič DNA informácie, ale aj ako nosič tejto informácie pre syntézu proteínových molekúl na ribozómoch (translačný proces).

V súčasnosti je známe, že oblasti ľudského génu (exóny) kódujúce proteíny zaberajú len 1,5 % genómu. Väčšina genómu nesúvisí s génmi a je inertná z hľadiska prenosu informácií. Identifikované génové oblasti, ktoré nekódujú proteíny, sa nazývajú intróny.

Prvá kópia mRNA vytvorená z DNA obsahuje celý súbor exónov a intrónov. Potom špecializované proteínové komplexy odstránia všetky intrónové sekvencie a spoja exóny dohromady. Tento proces úpravy sa nazýva spájanie.

Epigenetika vysvetľuje jeden mechanizmus, ktorým je bunka schopná kontrolovať syntézu proteínu, ktorý produkuje, tak, že najprv určí, koľko kópií mRNA možno vytvoriť z DNA.

Genóm teda nie je zamrznutý kus DNA, ale dynamická štruktúra, úložisko informácií, ktoré nemožno zredukovať len na gény.

Vývoj a fungovanie jednotlivých buniek a organizmu ako celku nie sú automaticky naprogramované v jednom genóme, ale závisia od mnohých rôznych vnútorných a vonkajších faktorov. Ako sa poznatky hromadia, je jasné, že v samotnom genóme existuje viacero regulačných prvkov, ktoré riadia fungovanie génov. V súčasnosti to potvrdzujú mnohé experimentálne štúdie na zvieratách.

Pri delení počas mitózy môžu dcérske bunky zdediť od svojich rodičov nielen priamu genetickú informáciu v podobe novej kópie všetkých génov, ale aj určitú úroveň ich aktivity. Tento typ dedenia genetickej informácie sa nazýva epigenetická dedičnosť.

Epigenetické mechanizmy génovej regulácie

Predmetom epigenetiky je štúdium dedičnosti génovej aktivity, ktorá nie je spojená so zmenami v primárnej štruktúre ich DNA. Epigenetické zmeny sú zamerané na prispôsobenie tela meniacim sa podmienkam jeho existencie.

Termín „epigenetika“ prvýkrát navrhol anglický genetik Waddington v roku 1942. Rozdiel medzi genetickými a epigenetickými mechanizmami dedičnosti spočíva v stabilite a reprodukovateľnosti účinkov.

Genetické znaky sú fixované na neurčito, kým sa v géne nevyskytne mutácia. Epigenetické modifikácie sa zvyčajne prejavia v bunkách počas života jednej generácie organizmu. Keď sa tieto zmeny prenesú na ďalšie generácie, môžu sa reprodukovať za 3-4 generácie a potom, ak zmizne stimulačný faktor, tieto premeny zmiznú.

Molekulárny základ epigenetiky je charakterizovaný modifikáciou genetického aparátu, teda aktiváciou a represiou génov, ktoré neovplyvňujú primárnu sekvenciu nukleotidov DNA.

Epigenetická regulácia génov sa uskutočňuje na úrovni transkripcie (čas a charakter transkripcie génu), pri selekcii zrelých mRNA na transport do cytoplazmy, pri selekcii mRNA v cytoplazme na transláciu na ribozómoch, destabilizácii určitých typov mRNA v cytoplazme, selektívna aktivácia, inaktivácia molekúl proteínov po ich syntéze.

Súbor epigenetických markerov predstavuje epigenóm. Epigenetické transformácie môžu ovplyvniť fenotyp.

Epigenetika hrá dôležitú úlohu vo fungovaní zdravých buniek, zabezpečuje aktiváciu a represiu génov, pri kontrole transpozónov, teda úsekov DNA, ktoré sa môžu pohybovať v rámci genómu, ako aj pri výmene genetického materiálu v chromozómoch.

Epigenetické mechanizmy sa podieľajú na genomickom imprintingu, čo je proces, pri ktorom dochádza k expresii určitých génov v závislosti od toho, z ktorého rodiča alely pochádzajú. Imprinting sa realizuje procesom metylácie DNA v promótoroch, v dôsledku čoho je zablokovaná génová transkripcia.

Epigenetické mechanizmy zabezpečujú iniciáciu procesov v chromatíne prostredníctvom modifikácií histónov a metylácie DNA. Za posledné dve desaťročia sa predstavy o mechanizmoch regulácie transkripcie v eukaryotoch výrazne zmenili. Klasický model predpokladal, že úroveň expresie je určená transkripčnými faktormi, ktoré sa viažu na regulačné oblasti génu, ktoré iniciujú syntézu messenger RNA. Históny a nehistónové proteíny zohrávali úlohu pasívnej obalovej štruktúry na zabezpečenie kompaktného balenia DNA v jadre.

Následné štúdie preukázali úlohu histónov pri regulácii translácie. Bol objavený takzvaný histónový kód, teda modifikácia histónov, ktorá je odlišná v rôznych oblastiach genómu. Modifikované histónové kódy môžu viesť k aktivácii a represii génov.

Rôzne časti štruktúry genómu podliehajú modifikáciám. Na koncové zvyšky môžu byť pripojené metylové, acetylové, fosfátové skupiny a väčšie proteínové molekuly.

Všetky modifikácie sú reverzibilné a pre každú existujú enzýmy, ktoré ich inštalujú alebo odstraňujú.

metylácia DNA

U cicavcov bola metylácia DNA (epigenetický mechanizmus) študovaná skôr ako u iných. Ukázalo sa, že koreluje s génovou represiou. Experimentálne údaje ukazujú, že metylácia DNA je ochranný mechanizmus, ktorý potláča významnú časť genómu cudzej povahy (vírusy a pod.).

Metylácia DNA v bunke riadi všetky genetické procesy: replikáciu, opravu, rekombináciu, transkripciu a inaktiváciu chromozómu X. Metylové skupiny narúšajú interakcie DNA-proteín, čím bránia väzbe transkripčných faktorov. Metylácia DNA ovplyvňuje štruktúru chromatínu a blokuje transkripčné represory.

Zvýšenie úrovne metylácie DNA totiž koreluje s relatívnym zvýšením obsahu nekódujúcej a repetitívnej DNA v genómoch vyšších eukaryotov. Experimentálne dôkazy naznačujú, že k tomu dochádza, pretože metylácia DNA slúži predovšetkým ako obranný mechanizmus na potlačenie významnej časti genómu cudzieho pôvodu (replikované translokačné elementy, vírusové sekvencie, iné opakujúce sa sekvencie).

Metylačný profil – aktivácia alebo inhibícia – sa mení v závislosti od faktorov prostredia. Vplyv metylácie DNA na štruktúru chromatínu má veľký význam pre vývoj a fungovanie zdravého organizmu, aby sa potlačila významná časť genómu cudzieho pôvodu, t. j. replikované prechodné elementy, vírusové a iné opakujúce sa sekvencie.

K metylácii DNA dochádza prostredníctvom reverzibilnej chemickej reakcie dusíkatej bázy, cytozínu, čo vedie k adícii metylovej skupiny CH3 na uhlík za vzniku metylcytozínu. Tento proces je katalyzovaný enzýmami DNA metyltransferázami. Metylácia cytozínu vyžaduje guanín, čo vedie k vytvoreniu dvoch nukleotidov oddelených fosfátom (CpG).

Zhluky neaktívnych CpG sekvencií sa nazývajú CpG ostrovy. Posledne menované sú v genóme zastúpené nerovnomerne. Väčšina z nich sa deteguje v génových promótoroch. K metylácii DNA dochádza v génových promótoroch, v transkribovaných oblastiach a tiež v intergénových priestoroch.

Hypermetylované ostrovčeky spôsobujú inaktiváciu génov, čo narúša interakciu regulačných proteínov s promótormi.

Metylácia DNA má hlboký vplyv na génovú expresiu a v konečnom dôsledku na funkciu buniek, tkanív a tela ako celku. Bol stanovený priamy vzťah medzi vysokou úrovňou metylácie DNA a počtom potlačených génov.

Odstránenie metylových skupín z DNA v dôsledku absencie metylázovej aktivity (pasívna demetylácia) nastáva po replikácii DNA. Aktívna demetylácia zahŕňa enzymatický systém, ktorý premieňa 5-metylcytozín na cytozín nezávisle od replikácie. Metylačný profil sa mení v závislosti od faktorov prostredia, v ktorom sa bunka nachádza.

Strata schopnosti udržiavať metyláciu DNA môže viesť k imunodeficiencii, malignitám a iným ochoreniam.

Mechanizmus a enzýmy zapojené do procesu aktívnej demetylácie DNA zostali dlho neznáme.

Acetylácia histónov

Existuje veľké množstvo posttranslačných modifikácií histónov, ktoré tvoria chromatín. V 60. rokoch Vincent Allfrey identifikoval acetyláciu a fosforyláciu histónov z mnohých eukaryotov.

Pri transkripcii zohrávajú úlohu enzýmy acetylácie a deacetylácie histónov (acetyltransferázy). Tieto enzýmy katalyzujú acetyláciu lokálnych histónov. Históndeacetylázy potláčajú transkripciu.

Účinok acetylácie je oslabenie väzby medzi DNA a histónmi v dôsledku zmeny náboja, čo vedie k tomu, že chromatín sa stáva dostupným pre transkripčné faktory.

Acetylácia je pridanie chemickej acetylovej skupiny (aminokyselina lyzín) na voľné miesto na históne. Podobne ako metylácia DNA, acetylácia lyzínu je epigenetický mechanizmus na zmenu génovej expresie bez ovplyvnenia pôvodnej génovej sekvencie. Vzorec, podľa ktorého dochádza k modifikáciám jadrových proteínov, sa začal nazývať histónový kód.

Modifikácie histónov sa zásadne líšia od metylácie DNA. Metylácia DNA je veľmi stabilný epigenetický zásah, ktorý sa vo väčšine prípadov pravdepodobnejšie ustáli.

Prevažná väčšina modifikácií histónov je variabilnejšia. Ovplyvňujú reguláciu génovej expresie, udržiavanie štruktúry chromatínu, diferenciáciu buniek, karcinogenézu, vývoj genetických chorôb, starnutie, opravu DNA, replikáciu a transláciu. Ak modifikácie histónov bunke prospievajú, môžu trvať pomerne dlho.

Jedným z mechanizmov interakcie medzi cytoplazmou a jadrom je fosforylácia a/alebo defosforylácia transkripčných faktorov. Históny boli medzi prvými proteínmi, o ktorých sa zistilo, že sú fosforylované. To sa deje pomocou proteínkináz.

Gény sú pod kontrolou fosforylovateľných transkripčných faktorov, vrátane génov, ktoré regulujú bunkovú proliferáciu. Pri takýchto modifikáciách dochádza v molekulách chromozomálnych proteínov k štrukturálnym zmenám, ktoré vedú k funkčným zmenám chromatínu.

Okrem vyššie opísaných posttranslačných modifikácií histónov existujú väčšie proteíny, ako je ubikvitín, SUMO atď., ktoré sa môžu prostredníctvom kovalentných väzieb pripojiť k aminoskupinám cieľového proteínu, čo ovplyvňuje ich aktivitu.

Epigenetické zmeny môžu byť dedičné (transgeneratívna epigenetická dedičnosť). Na rozdiel od genetickej informácie sa však epigenetické zmeny môžu reprodukovať za 3-4 generácie a pri absencii faktora stimulujúceho tieto zmeny zanikajú. K prenosu epigenetickej informácie dochádza pri procese meiózy (delenie bunkového jadra so znížením počtu chromozómov na polovicu) alebo mitózy (delenie bunky).

Modifikácie histónov hrajú zásadnú úlohu pri normálnych procesoch a chorobách.

Regulačné RNA

Molekuly RNA vykonávajú v bunke mnoho funkcií. Jednou z nich je regulácia génovej expresie. Za túto funkciu sú zodpovedné regulačné RNA, ktoré zahŕňajú antisense RNA (aRNA), mikroRNA (miRNA) a malé interferujúce RNA (siRNA).

Mechanizmus účinku rôznych regulačných RNA je podobný a spočíva v potlačení génovej expresie, ktorá sa realizuje prostredníctvom komplementárnej adície regulačnej RNA k mRNA, čím sa vytvorí dvojvláknová molekula (dsRNA). Samotná tvorba dsRNA vedie k narušeniu väzby mRNA na ribozóm alebo iné regulačné faktory, čo potláča transláciu. Po vytvorení duplexu sa môže prejaviť aj fenomén interferencie RNA - enzým Dicer, ktorý detegoval dvojvláknovú RNA v bunke, ju „rozrezal“ na fragmenty. Jeden z reťazcov takéhoto fragmentu (siRNA) je viazaný proteínovým komplexom RISC (RNA-induced silencing complex).

V dôsledku aktivity RISC sa jednovláknový fragment RNA viaže na komplementárnu sekvenciu molekuly mRNA a spôsobuje, že mRNA je štiepená proteínom z rodiny Argonaute. Tieto udalosti vedú k potlačeniu expresie zodpovedajúceho génu.

Fyziologické funkcie regulačných RNA sú rôznorodé – pôsobia ako hlavné neproteínové regulátory ontogenézy a dopĺňajú „klasickú“ schému génovej regulácie.

Genomický imprinting

Osoba má dve kópie každého génu, jednu zdedí od matky a druhú od otca. Obe kópie každého génu majú potenciál byť aktívne v akejkoľvek bunke. Genomický imprinting je epigeneticky selektívna expresia iba jedného z alelických génov zdedených od rodičov. Genomický imprinting ovplyvňuje mužské aj ženské potomstvo. Vtlačený gén, ktorý je aktívny na materskom chromozóme, bude teda aktívny na materskom chromozóme a bude „tichý“ na otcovskom chromozóme u všetkých mužských a ženských detí. Gény podliehajúce genómovému imprintingu primárne kódujú faktory, ktoré regulujú embryonálny a neonatálny rast.

Imprinting je zložitý systém, ktorý sa môže pokaziť. Imprinting sa pozoruje u mnohých pacientov s chromozomálnymi deléciami (strata časti chromozómov). Sú známe ochorenia, ktoré sa vyskytujú u ľudí v dôsledku dysfunkcie mechanizmu imprintingu.

Prióny

V poslednom desaťročí sa pozornosť upriamila na prióny, proteíny, ktoré môžu spôsobiť dedičné fenotypové zmeny bez zmeny nukleotidovej sekvencie DNA. U cicavcov sa priónový proteín nachádza na povrchu buniek. Za určitých podmienok sa môže zmeniť normálna forma priónov, čo moduluje aktivitu tohto proteínu.

Wikner vyjadril presvedčenie, že táto trieda proteínov je jednou z mnohých, ktoré tvoria novú skupinu epigenetických mechanizmov, ktoré si vyžadujú ďalšie štúdium. Môže byť v normálnom stave, ale v zmenenom stave sa môžu priónové proteíny šíriť, teda stať sa infekčnými.

Pôvodne boli prióny objavené ako infekčné agens nového typu, ale teraz sa verí, že predstavujú všeobecný biologický jav a sú nositeľmi nového typu informácií uložených v konformácii proteínu. Priónový fenomén je základom epigenetickej dedičnosti a regulácie génovej expresie na posttranslačnej úrovni.

Epigenetika v praktickej medicíne

Epigenetické modifikácie riadia všetky štádiá vývoja a funkčnú aktivitu buniek. Narušenie epigenetických regulačných mechanizmov je priamo alebo nepriamo spojené s mnohými ochoreniami.

Medzi choroby s epigenetickou etiológiou patria imprintingové choroby, ktoré sa zase delia na genetické a chromozomálne, v súčasnosti spolu 24 nosológií.

Pri ochoreniach z imprintingu génov sa monoalelická expresia pozoruje v chromozómových lokusoch jedného z rodičov. Príčinou sú bodové mutácie v génoch, ktoré sú rozdielne exprimované v závislosti od materského a otcovského pôvodu a vedú k špecifickej metylácii cytozínových báz v molekule DNA. Patria sem: Praderov-Williho syndróm (delécia v otcovskom chromozóme 15) – prejavuje sa kraniofaciálnym dysmorfizmom, nízkym vzrastom, obezitou, svalovou hypotóniou, hypogonadizmom, hypopigmentáciou a mentálnou retardáciou; Angelmanov syndróm (vymazanie kritickej oblasti lokalizovanej na 15. materskom chromozóme), ktorého hlavnými príznakmi sú mikrobrachycefália, zväčšená dolná čeľusť, vyplazený jazyk, makrostómia, riedke zuby, hypopigmentácia; Beckwittov-Wiedemannov syndróm (porucha metylácie na krátkom ramene 11. chromozómu), prejavujúci sa klasickou triádou, vrátane makrozómie, omfalokély, makroglosie atď.

Medzi najvýznamnejšie faktory ovplyvňujúce epigenóm patrí výživa, fyzická aktivita, toxíny, vírusy, ionizujúce žiarenie atď. Obzvlášť citlivým obdobím na zmeny v epigenóme je prenatálne obdobie (predovšetkým pokrývajúce dva mesiace po počatí) a prvé tri mesiace po pôrode. . Počas skorej embryogenézy genóm odstraňuje väčšinu epigenetických modifikácií získaných z predchádzajúcich generácií. Ale proces preprogramovania pokračuje počas celého života.

Medzi ochorenia, ktorých súčasťou je narušenie génovej regulácie, patria niektoré typy nádorov, diabetes mellitus, obezita, bronchiálna astma, rôzne degeneratívne a iné ochorenia.

Epigón pri rakovine je charakterizovaný globálnymi zmenami v metylácii DNA, modifikáciou histónov, ako aj zmenami v profile expresie enzýmov modifikujúcich chromatín.

Nádorové procesy sú charakterizované inaktiváciou prostredníctvom hypermetylácie kľúčových supresorových génov a prostredníctvom hypometylácie aktiváciou množstva onkogénov, rastových faktorov (IGF2, TGF) a mobilných opakujúcich sa elementov umiestnených v oblastiach heterochromatínu.

V 19 % prípadov hypernefroidných nádorov obličiek bola teda DNA CpG ostrovčekov hypermetylovaná a pri rakovine prsníka a nemalobunkovom karcinóme pľúc sa zistil vzťah medzi hladinami acetylácie histónov a expresiou supresora nádoru – čím nižšie sú hladiny acetylácie, tým slabšia je génová expresia.

V súčasnosti sú už vyvinuté a zavedené do praxe protinádorové lieky na báze potláčania aktivity DNA metyltransferáz, čo vedie k zníženiu metylácie DNA, aktivácii tumor supresorových génov a spomaleniu proliferácie nádorových buniek. Na liečbu myelodysplastického syndrómu sa teda v komplexnej terapii používajú lieky decitabín (Decitabín) a azacitidín (Azacitidín). Od roku 2015 sa na liečbu mnohopočetného myelómu používa v kombinácii s klasickou chemoterapiou Panibinostat, inhibítor históndeacytylázy. Tieto lieky majú podľa klinických štúdií výrazný pozitívny vplyv na mieru prežitia a kvalitu života pacientov.

Zmeny v expresii určitých génov môžu nastať aj v dôsledku pôsobenia faktorov prostredia na bunku. Pri vzniku diabetes mellitus 2. typu a obezity hrá úlohu takzvaná „hypotéza šetrného fenotypu“, podľa ktorej nedostatok živín počas embryonálneho vývoja vedie k rozvoju patologického fenotypu. Na zvieracích modeloch bola identifikovaná oblasť DNA (lokus Pdx1), v ktorej vplyvom podvýživy došlo k zníženiu úrovne acetylácie histónov, pričom došlo k spomaleniu delenia a zhoršenej diferenciácii B-buniek Langerhansových ostrovčekov a vývoju bol pozorovaný stav podobný diabetes mellitus 2. typu.

Aktívne sa rozvíjajú aj diagnostické schopnosti epigenetiky. Objavujú sa nové technológie, ktoré dokážu analyzovať epigenetické zmeny (úroveň metylácie DNA, expresia mikroRNA, posttranslačné modifikácie histónov atď.), ako je imunoprecipitácia chromatínu (CHIP), prietoková cytometria a laserové skenovanie, čo dáva dôvod domnievať sa, že biomarkery budú byť v blízkej budúcnosti identifikované pre štúdium neurodegeneratívnych ochorení, zriedkavých, multifaktoriálnych ochorení a malígnych novotvarov a zavedené ako laboratórne diagnostické metódy.

Epigenetika sa teda v súčasnosti rýchlo rozvíja. S tým je spojený pokrok v biológii a medicíne.

Literatúra

1. Ezkurdia I., Juan D., Rodriguez J. M. a kol. Viaceré reťazce dôkazov naznačujú, že môže existovať len 19 000 génov kódujúcich ľudský proteín // Ľudská molekulárna genetika. 2014, 23(22): 5866-5878.
2. Medzinárodné konzorcium pre sekvenovanie ľudského genómu. Počiatočné sekvenovanie a analýza ľudského genómu // Príroda. 2001, feb. 409 (6822): 860-921.
3. Xuan D., Han Q., Tu Q. a kol. Epigenetická modulácia pri parodontitíde: Interakcia adiponektínu a osi JMJD3-IRF4 v makrofágoch // Journal of Cellular Physiology. 2016, máj; 231(5):1090-1096.
4. Waddington C. H. Epigenotpye // Endeavour. 1942; 18-20.
5. Bochkov N. P. Klinická genetika. M.: Geotar.Med, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C.D. Preklad Histónového kódu // Veda. 2001, 10. august; 293 (5532): 1074-1080.
7. Kovalenko T.F. Metylácia genómu cicavcov // Molekulárna medicína. 2010. Číslo 6. S. 21-29.
8. Alice D., Genuwein T., Reinberg D. Epigenetika. M.: Technosféra, 2010.
9. Taylor P. D., Poston L. Vývojové programovanie obezity u cicavcov // Experimentálna fyziológia. 2006. Číslo 92. S. 287-298.
10. Lewin B. Gény. M.: BINOM, 2012.
11. Plasschaert R. N., Bartolomei M. S. Genomický imprinting vo vývoji, raste, správaní a kmeňových bunkách // Vývoj. 2014, máj; 141 (9): 1805-1813.
12. Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D. a kol. Priónová genetika: nové pravidlá pre nový druh génu // Annu Rev Genet. 2004; 38: 681-707.
13. Mutovin G. R. Klinická genetika. Genomika a proteomika dedičnej patológie: učebnica. príspevok. 3. vydanie, prepracované. a dodatočné 2010.
14. Romancová T.I. Epidémia obezity: zrejmé a pravdepodobné príčiny // Obezita a metabolizmus. 2011, č. 1, s. 1-15.
15. Bégin P., Nadeau K.C. Epigenetická regulácia astmy a alergických ochorení // Allergy Asthma Clin Immunol. 2014, 28. mája; 10 (1): 27.
16. Martínez J.A., Milagro F.I., Claycombe K.J., Schalinske K.L. Epigenetika v tukovom tkanive, obezita, chudnutie a cukrovka // Pokroky vo výžive. 2014, 1. januára; 5(1): 71-81.
17. Dawson M. A., Kouzarides T. Epigenetika rakoviny: od mechanizmu k terapii // Bunka. 6. júla 2012; 150 (1): 12-27.
18. Kaminskas E., Farrell A., Abraham S., Baird A. Súhrn schválenia: azacitidín na liečbu podtypov myelodysplastického syndrómu // Clin Cancer Res. 2005, 15. mája; 11 (10): 3604-3608.
19. Laubach J.P., Moreau P., San-Miguel J..F., Richardson P.G. Panobinostat na liečbu mnohopočetného myelómu // Clin Cancer Res. 2015, 1. novembra; 21 (21): 4767-4773.
20. Bramswig N. C., Kaestner K. H. Epigenetika a liečba cukrovky: nesplnený sľub? // Trendy Endocrinol Metab. jún 2012; 23 (6): 286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C. M., Ozanne S. E., Constância M. Vývojové a environmentálne epigenetické programovanie endokrinného pankreasu: dôsledky pre diabetes typu 2 // Cell Mol Life Sci. 2013, máj; 70 (9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X. a kol. Prietoková cytometria a laserové skenovacie mikroskopické prístupy vo výskume epigenetiky // Methods Mol Biol. 2009; 567:99-111.

V.V. Smirnov 1, Doktor lekárskych vied, profesor
G. E. Leonov

Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia Ruskej národnej výskumnej univerzity pomenovaná po. N. I. Pirogova, Ministerstvo zdravotníctva Ruskej federácie, Moskva

4910 0

V posledných rokoch lekárska veda čoraz viac presúva svoju pozornosť od štúdia genetického kódu k záhadným mechanizmom, ktorými DNA realizuje svoj potenciál: je zabalená a interaguje s proteínmi v našich bunkách.

Takzvané epigenetické faktory sú dedičné, reverzibilné a zohrávajú obrovskú úlohu pri zachovaní zdravia celých generácií.

Epigenetické zmeny v bunke môžu spustiť rakovinu, neurologické a duševné choroby, autoimunitné poruchy - nie je prekvapujúce, že epigenetika priťahuje pozornosť lekárov a výskumníkov z rôznych oblastí.

Nestačí, že vaše gény kódujú správnu sekvenciu nukleotidov. Expresia každého génu je neuveriteľne zložitý proces, ktorý si vyžaduje dokonalú koordináciu akcií niekoľkých zúčastnených molekúl.

Epigenetika predstavuje pre medicínu a vedu ďalšie výzvy, ktorým len začíname rozumieť.

Každá bunka v našom tele (až na malé výnimky) obsahuje rovnakú DNA, darovanú našimi rodičmi. Nie všetky časti DNA však môžu byť aktívne súčasne. Niektoré gény fungujú v pečeňových bunkách, iné v kožných a iné v nervových – preto sa naše bunky od seba nápadne líšia a majú svoju špecializáciu.

Epigenetické mechanizmy zabezpečujú, že bunka určitého typu bude fungovať s kódom jedinečným pre tento typ.

Počas ľudského života môžu určité gény „spať“ alebo sa náhle aktivovať. Tieto nejasné zmeny sú ovplyvnené miliardami životných udalostí – presťahovanie sa do novej oblasti, rozvod s manželkou, chodenie do posilňovne, kocovina alebo pokazený sendvič. Takmer všetky udalosti v živote, veľké aj malé, môžu ovplyvniť aktivitu určitých génov v nás.

Definícia epigenetiky

Epigenetické zmeny sú dedičné zmeny génovej expresie a bunkového fenotypu, ktoré neovplyvňujú samotnú sekvenciu DNA. Pod fenotypom sa rozumie celý súbor charakteristík bunky (organizmu) - v našom prípade je to štruktúra kostného tkaniva, biochemické procesy, inteligencia a správanie, tón pleti a farba očí atď.

Samozrejme, fenotyp organizmu závisí od jeho genetického kódu. Čím ďalej sa však vedci zaoberali otázkami epigenetiky, tým viac sa ukázalo, že niektoré vlastnosti tela sa dedia z generácie na generáciu bez zmien v genetickom kóde (mutácie).

Pre mnohých to bolo zjavenie: telo sa môže zmeniť bez zmeny génov a preniesť tieto nové vlastnosti na potomkov.

Epigenetický výskum v posledných rokoch dokázal, že faktory prostredia – život medzi fajčiarmi, neustály stres, zlá strava – môžu viesť k vážnym poruchám vo fungovaní génov (nie však v ich štruktúre) a že tieto poruchy sa ľahko prenášajú na ďalšie generácie. Dobrou správou je, že sú reverzibilné a v niektorých N-tých generáciách sa môžu rozpustiť bez stopy.

Aby sme lepšie pochopili silu epigenetiky, predstavme si svoj život ako dlhý film.

Naše bunky sú herci a herečky a naša DNA je vopred pripravený scenár, v ktorom každé slovo (gén) dáva hereckému obsadeniu potrebné príkazy. V tomto filme je režisérom epigenetika. Scenár môže byť rovnaký, ale režisér má moc odstrániť určité scény a kúsky dialógov. V živote teda epigenetika rozhoduje o tom, čo a ako povie každá bunka nášho obrovského tela.

Epigenetika a zdravie

Najviac študovaným aspektom epigenetiky je metylácia. Toto je proces pridávania metylových (CH3-) skupín do DNA.

Typicky metylácia ovplyvňuje génovú transkripciu - kopírovanie DNA do RNA alebo prvý krok v replikácii DNA.

Štúdia z roku 1969 bola prvou, ktorá ukázala, že metylácia DNA môže zmeniť dlhodobú pamäť jednotlivca. Odvtedy sa lepšie pochopila úloha metylácie pri rozvoji mnohých chorôb.

Choroby imunitného systému

Iní vedci sú presvedčení, že metylácia DNA je skutočnou príčinou rozvoja reumatoidnej artritídy.

Neuropsychiatrické ochorenia

Úloha metylácie DNA pri vzniku Alzheimerovej choroby je už prakticky dokázaná. Rozsiahla štúdia zistila, že aj pri absencii klinických príznakov sú gény v nervových bunkách u pacientov náchylných na Alzheimerovu chorobu metylované inak ako v normálnych mozgoch.

Teória o úlohe metylácie pri rozvoji autizmu bola navrhnutá už dlho. Početné pitvy skúmajúce mozgy chorých ľudí potvrdzujú, že ich bunky nemajú dostatok proteínu MECP2 (metyl-CpG-väzbový proteín 2). Ide o mimoriadne dôležitú látku, ktorá viaže a aktivuje metylované gény. Pri absencii MECP2 je narušená funkcia mozgu.

Onkologické ochorenia

V roku 1983 sa rakovina stala prvou ľudskou chorobou, ktorá bola spojená s epigenetikou. Potom vedci zistili, že bunky kolorektálneho karcinómu sú oveľa menej metylované ako normálne črevné bunky. Nedostatok metylových skupín vedie k nestabilite chromozómov a začína sa onkogenéza. Na druhej strane nadbytok metylových skupín v DNA „uspáva“ niektoré gény zodpovedné za potlačenie rakoviny.

Keďže epigenetické zmeny sú reverzibilné, ďalší výskum pripravil cestu pre inovatívnu liečbu rakoviny.

V oxfordskom časopise Carcinogenesis v roku 2009 vedci napísali: „Skutočnosť, že epigenetické zmeny, na rozdiel od genetických mutácií, sú potenciálne reverzibilné a možno ich obnoviť do normálu, robí z epigenetickej terapie sľubnú možnosť.“

Epigenetika je stále mladá veda, no vďaka mnohostrannému vplyvu epigenetických zmien na bunky sú jej úspechy už teraz úžasné. Škoda, že nie skôr ako o 30-40 rokov si naši potomkovia budú môcť naplno uvedomiť, koľko to znamená pre zdravie ľudstva.

: magister farmácie a odborný lekársky prekladateľ

Organizmus so svojím prostredím pri tvorbe fenotypu. Študuje mechanizmy, ktorými možno na základe genetickej informácie obsiahnutej v jednej bunke (zygota) v dôsledku rozdielnej génovej expresie v rôznych typoch buniek uskutočniť vývoj mnohobunkového organizmu pozostávajúceho z diferencovaných buniek. Treba poznamenať, že mnohí výskumníci sú stále skeptickí voči epigenetike, pretože v jej rámci je povolená možnosť negenomickej dedičnosti ako adaptívnej reakcie na zmeny prostredia, čo je v rozpore so súčasnou dominantnou genocentrickou paradigmou.

Príklady

Jedným príkladom epigenetických zmien v eukaryotoch je proces bunkovej diferenciácie. Počas morfogenézy tvoria totipotentné kmeňové bunky rôzne pluripotentné bunkové línie embrya, z ktorých následne vznikajú plne diferencované bunky. Inými slovami, jedno oplodnené vajíčko - zygota - sa diferencuje na rôzne typy buniek, vrátane: neurónov, svalových buniek, epitelu, vaskulárneho endotelu atď., prostredníctvom viacerých delení. To sa dosiahne aktiváciou niektorých génov a súčasne inhibíciou iných pomocou epigenetických mechanizmov.

Druhý príklad možno demonštrovať u hrabošov. Na jeseň, pred chladným počasím, sa rodia s dlhšími a hustejšími vlasmi ako na jar, hoci vnútromaternicový vývoj „jarných“ a „jesenných“ myší prebieha za takmer rovnakých podmienok (teplota, dĺžka dňa, vlhkosť atď.) . Štúdie ukázali, že signálom, ktorý spúšťa epigenetické zmeny vedúce k zvýšeniu dĺžky vlasov, je zmena gradientu koncentrácie melatonínu v krvi (na jar klesá a na jeseň stúpa). Ešte pred nástupom chladného počasia sa teda navodzujú epigenetické adaptačné zmeny (zvýšenie dĺžky vlasov), na ktoré je adaptácia pre organizmus prospešná.

Etymológia a definície

Termín „epigenetika“ (rovnako ako „epigenetická krajina“) navrhol Conrad Waddington v roku 1942 ako derivát slov genetika a epigenéza. Keď Waddington vytvoril tento termín, fyzická povaha génov nebola úplne známa, takže ho použil ako koncepčný model toho, ako môžu gény interagovať so svojím prostredím, aby vytvorili fenotyp.

Robin Halliday definoval epigenetiku ako „štúdium mechanizmov časovej a priestorovej kontroly aktivity génov počas vývoja organizmov“. Pojem "epigenetika" sa teda môže použiť na opísanie akýchkoľvek vnútorných faktorov, ktoré ovplyvňujú vývoj organizmu, okrem samotnej sekvencie DNA.

Moderné použitie slova vo vedeckom diskurze je užšie. Grécka predpona epi- v slove implikuje faktory, ktoré pôsobia „nad“ alebo „dodatočne“ genetických faktorov, čo znamená, že epigenetické faktory pôsobia navyše alebo navyše k tradičným molekulárnym faktorom dedičnosti.

Podobnosť so slovom „genetika“ viedla k mnohým analógiám v používaní tohto termínu. "Epigenóm" je analogický s výrazom "genóm" a definuje celkový epigenetický stav bunky. Metafora „genetického kódu“ bola tiež prispôsobená a termín „epigenetický kód“ sa používa na opis súboru epigenetických znakov, ktoré vytvárajú rôzne fenotypy v rôznych bunkách. Termín „epimutácia“ je široko používaný, čo sa týka zmeny v normálnom epigenóme spôsobenej sporadickými faktormi prenášanými v priebehu niekoľkých generácií buniek.

Molekulárne základy epigenetiky

Molekulárny základ epigenetiky je pomerne zložitý, neovplyvňuje síce štruktúru DNA, ale mení aktivitu určitých génov. To vysvetľuje, prečo diferencované bunky mnohobunkového organizmu exprimujú iba gény potrebné pre ich špecifické aktivity. Zvláštnosťou epigenetických zmien je, že pretrvávajú prostredníctvom delenia buniek. Je známe, že väčšina epigenetických zmien sa vyskytuje iba počas života jedného organizmu. Zároveň, ak dôjde k zmene DNA v sperme alebo vajíčku, potom sa niektoré epigenetické prejavy môžu prenášať z jednej generácie na druhú. To vyvoláva otázku, môžu epigenetické zmeny v organizme skutočne zmeniť základnú štruktúru jeho DNA? (Pozri Evolúcia).

V rámci epigenetiky sú široko študované procesy ako paramutácia, genetický bookmarking, genómový imprinting, inaktivácia X chromozómu, efekt polohy, materské účinky, ako aj ďalšie mechanizmy regulácie génovej expresie.

Epigenetické štúdie využívajú širokú škálu techník molekulárnej biológie, vrátane chromatínovej imunoprecipitácie (rôzne modifikácie ChIP-on-chip a ChIP-Seq), in situ hybridizácie, reštrikčných enzýmov citlivých na metyláciu, identifikácie DNA adenínmetyltransferázy (DamID) a bisulfitového sekvenovania Okrem toho stále významnejšiu úlohu zohráva využívanie bioinformatických metód (počítačová epigenetika).

Mechanizmy

Metylácia DNA a prestavba chromatínu

Epigenetické faktory ovplyvňujú expresnú aktivitu určitých génov na niekoľkých úrovniach, čo vedie k zmenám fenotypu bunky alebo organizmu. Jedným z mechanizmov tohto vplyvu je remodulácia chromatínu. Chromatín je komplex DNA s histónovými proteínmi: DNA je navinutá na histónové proteíny, ktoré sú reprezentované sférickými štruktúrami (nukleozómami), čo vedie k jej zhutneniu v jadre. Intenzita génovej expresie závisí od hustoty histónov v aktívne exprimovaných oblastiach genómu. Remodelácia chromatínu je proces aktívnej zmeny „hustoty“ nukleozómov a afinity histónov k DNA. Toto je dosiahnuté dvoma spôsobmi opísanými nižšie.

metylácia DNA

Doteraz najlepšie preštudovaným epigenetickým mechanizmom je metylácia báz cytozínovej DNA. Intenzívny výskum úlohy metylácie v regulácii genetickej expresie, a to aj počas starnutia, sa začal už v 70. rokoch minulého storočia priekopníckou prácou B. F. Vanyushina a G. D. Berdysheva et al. Proces metylácie DNA zahŕňa pridanie metylovej skupiny k cytozínu ako súčasť CpG dinukleotidu v polohe C5 cytozínového kruhu. Metylácia DNA je charakteristická hlavne pre eukaryoty. U ľudí je asi 1 % genómovej DNA metylovaných. Za proces metylácie DNA sú zodpovedné tri enzýmy nazývané DNA metyltransferázy 1, 3a a 3b (DNMT1, DNMT3a a DNMT3b). Predpokladá sa, že DNMT3a a DNMT3b sú de novo metyltransferázy, ktoré tvoria vzor metylácie DNA v skorých štádiách vývoja, a DNMT1 vykonáva metyláciu DNA v neskorších štádiách života organizmu. Funkciou metylácie je aktivovať/inaktivovať gén. Vo väčšine prípadov vedie metylácia k potlačeniu aktivity génu, najmä ak sú jeho promótorové oblasti metylované, a demetylácia vedie k jeho aktivácii. Ukázalo sa, že aj malé zmeny v stupni metylácie DNA môžu výrazne zmeniť úroveň genetickej expresie.

Histónové modifikácie

Hoci modifikácie aminokyselín v histónoch sa vyskytujú v celej molekule proteínu, modifikácie N-koncov sa vyskytujú oveľa častejšie. Tieto modifikácie zahŕňajú: fosforyláciu, ubikvityláciu, acetyláciu, metyláciu, sumoyláciu. Acetylácia je najviac študovanou modifikáciou histónov. Acetylácia chvostových lyzínov histónu H3 acetyltransferázou K14 a K9 teda koreluje s transkripčnou aktivitou v tejto oblasti chromozómu. K tomu dochádza, pretože acetylácia lyzínu mení jeho kladný náboj na neutrálny, čo mu znemožňuje viazať sa na negatívne nabité fosfátové skupiny v DNA. Výsledkom je, že históny sú oddelené od DNA, čo vedie k pristátiu na „nahej“ DNA komplexu SWI / SNF a iných transkripčných faktorov, ktoré spúšťajú transkripciu. Toto je „cis“ model epigenetickej regulácie.

Históny si dokážu zachovať svoj modifikovaný stav a fungujú ako templát pre modifikáciu nových histónov, ktoré sa po replikácii viažu na DNA.

Mechanizmus reprodukcie epigenetických značiek bol lepšie študovaný pre metyláciu DNA ako pre modifikácie histónov. Enzým DNMT1 má teda vysokú afinitu k 5-metylcytozínu. Keď DNMT1 nájde „hemimetylované miesto“ (miesto, kde je metylovaný cytozín iba na jednom vlákne DNA), metyluje cytozín na druhom vlákne na rovnakom mieste.

Prióny

MicroRNA

V poslednej dobe sa veľká pozornosť venuje štúdiu úlohy malej interferujúcej RNA (si-RNA) v procesoch regulácie genetickej aktivity. Interferujúce RNA môžu zmeniť stabilitu a transláciu mRNA modelovaním funkcie polyzómov a štruktúry chromatínu.

Význam

Epigenetická dedičnosť v somatických bunkách hrá rozhodujúcu úlohu vo vývoji mnohobunkového organizmu. Genóm všetkých buniek je takmer rovnaký, zároveň mnohobunkový organizmus obsahuje rôzne diferencované bunky, ktoré vnímajú signály prostredia rôznymi spôsobmi a vykonávajú rôzne funkcie. Sú to epigenetické faktory, ktoré poskytujú „bunkovú pamäť“.

Liek

Genetické aj epigenetické javy majú významný vplyv na zdravie človeka. Existuje niekoľko známych chorôb, ktoré vznikajú v dôsledku narušenej metylácie génov, ako aj v dôsledku hemizygotnosti génu, ktorý podlieha genómovému imprintingu. U mnohých organizmov bola dokázaná súvislosť medzi histónovou acetylačnou/deacetylačnou aktivitou a dĺžkou života. Možno, že tieto isté procesy ovplyvňujú dĺžku ľudského života.

Evolúcia

Aj keď sa o epigenetike uvažuje predovšetkým v kontexte bunkovej pamäte, existuje aj množstvo transgeneratívnych epigenetických účinkov, pri ktorých sa genetické zmeny prenášajú na potomkov. Na rozdiel od mutácií sú epigenetické zmeny reverzibilné a možno ich možno cielene (adaptívne). Keďže väčšina z nich po niekoľkých generáciách zmizne, môže ísť len o dočasné úpravy. Aktívne sa diskutuje aj o možnosti epigenetiky ovplyvňovať frekvenciu mutácií v konkrétnom géne. Ukázalo sa, že rodina cytozíndeaminázových proteínov APOBEC/AID sa podieľa na genetickej aj epigenetickej dedičnosti pomocou podobných molekulárnych mechanizmov. V mnohých organizmoch bolo zistených viac ako 100 prípadov transgeneratívnych epigenetických javov.

Epigenetické účinky u ľudí

Genomický imprinting a súvisiace choroby

Niektoré ľudské choroby sú spojené s genomickým imprintingom, fenoménom, pri ktorom majú rovnaké gény rôzne metylačné vzorce v závislosti od toho, z akého pohlavného rodiča pochádzajú. Najznámejšie prípady chorôb spojených s imprintingom sú Angelmanov syndróm a Prader-Williho syndróm. Obe sú spôsobené čiastočnou deléciou v oblasti 15q. Je to spôsobené prítomnosťou genómového imprintingu v tomto lokuse.

Transgeneratívne epigenetické účinky

Marcus Pembrey a spoluautori zistili, že vnúčatá (ale nie vnučky) mužov, ktorí boli vystavení hladomoru vo Švédsku v 19. storočí, mali menšiu pravdepodobnosť srdcovocievnych ochorení, ale častejšie cukrovku, čo je podľa autora príkladom epigenetiky. dedičstvo.

Rakovina a vývojové poruchy

Mnohé látky majú vlastnosti epigenetických karcinogénov: vedú k zvýšeniu výskytu nádorov bez prejavu mutagénneho účinku (napríklad: dietylstilbestrol arzenit, hexachlórbenzén, zlúčeniny niklu). Mnohé teratogény, najmä dietylstilbestrol, majú špecifické účinky na plod na epigenetickej úrovni.

Zmeny v acetylácii histónov a metylácii DNA vedú k rozvoju rakoviny prostaty zmenou aktivity rôznych génov. Aktivita génov pri rakovine prostaty môže byť ovplyvnená stravou a životným štýlom.

V roku 2008 americký Národný inštitút zdravia oznámil, že na výskum epigenetiky sa v priebehu nasledujúcich 5 rokov vynaloží 190 miliónov dolárov. Podľa niektorých výskumníkov, ktorí iniciovali financovanie, môže epigenetika zohrávať väčšiu úlohu pri liečbe ľudských chorôb ako genetika.

Epigenóm a starnutie

V posledných rokoch sa nahromadilo čoraz viac dôkazov, že epigenetické procesy hrajú dôležitú úlohu v neskoršom živote. Najmä rozsiahle zmeny v metylačných vzorcoch sa vyskytujú so starnutím. Predpokladá sa, že tieto procesy sú pod genetickou kontrolou. Typicky je najväčší počet metylovaných cytozínových báz pozorovaný v DNA izolovanej z embryí alebo novorodencov a toto množstvo sa s vekom postupne znižuje. Podobný pokles hladín metylácie DNA sa zistil v kultivovaných lymfocytoch z myší, škrečkov a ľudí. Je systematická, ale môže byť tkanivovo a génovo špecifická. Napríklad Tra a kol. (Tra et al., 2002) pri porovnaní viac ako 2000 lokusov v T lymfocytoch izolovaných z periférnej krvi novorodencov, ako aj ľudí v strednom a staršom veku, zistili, že 23 z týchto lokusov podlieha hypermetylácii a 6 hypometylácii s vekom, a Podobné zmeny v metylačných vzorcoch boli zistené aj v iných tkanivách: pankrease, pľúcach a pažeráku. U pacientov s Hutchinson-Gilfordovou progýriou boli identifikované závažné epigenetické deformácie.

Predpokladá sa, že demetylácia s vekom vedie k chromozomálnym preskupeniam prostredníctvom aktivácie mobilných genetických elementov (MGE), ktoré sú zvyčajne potlačené metyláciou DNA (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Systematický pokles hladín metylácie súvisiaci s vekom môže byť, aspoň čiastočne, zodpovedný za mnohé zložité choroby, ktoré nemožno vysvetliť pomocou klasických genetických konceptov. Ďalším procesom, ktorý prebieha v ontogenéze súbežne s demetyláciou a ovplyvňuje procesy epigenetickej regulácie, je kondenzácia chromatínu (heterochromatinizácia), vedúca k poklesu genetickej aktivity s vekom. V mnohých štúdiách sa dokázali epigenetické zmeny závislé od veku aj v zárodočných bunkách; smer týchto zmien sa zdá byť génovo špecifický.

Literatúra

• Nessa Carey. Epigenetika: Ako moderná biológia prepisuje naše chápanie genetiky, chorôb a dedičnosti. - Rostov na Done: Phoenix, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Poznámky

1. Nový výskum spája bežnú modifikáciu RNA s obezitou
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Epigenetická epidemiológia chorôb súvisiacich s vekom
4. Holliday, R., 1990. Mechanizmy kontroly aktivity génov počas vývoja. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431-471
5. Epigenetika. Bio-Medicine.org. Získané 21.05.2011.
6. V.L. Chandler (2007). „Paramutácia: Od kukurice po myši“. Cell 128(4):641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501.
7. Jan Sapp, Beyond the Gene. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, "Koncepcie organizácie: vplyv nálevníkových prvokov". V S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology Oxford University Press, 2003.
8. Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0.
9. Verdel a kol., 2004
10. Matzke, Birchler, 2005
11. O.J. Rando a K.J. Verstrepen (2007). "Časové plány genetickej a epigenetickej dedičnosti". Cell 128(4):655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504.
12. Jablonka, Eva; Gal Raz (jún 2009). "Transgeneračná epigenetická dedičnosť: prevalencia, mechanizmy a dôsledky pre štúdium dedičnosti a evolúcie." The Quarterly Review of Biology 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). "Syndrómy Angelman a Prader-Willi zdieľajú spoločnú chromozómovú deléciu, ale líšia sa v rodičovskom pôvode delécie." 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.. Pohlavne špecifické transgeneračné reakcie mužskej línie u ľudí. Eur J Hum Genet 2006; 14: 159-66. PMID 16391557. Robert Winston na túto štúdiu odkazuje v prednáške; pozri aj diskusiu na Leeds University, tu

Sekvenovanie DNA ľudského genómu a genómov mnohých modelových organizmov vyvolalo za posledných niekoľko rokov značné vzrušenie v biomedicínskej komunite a medzi širokou verejnosťou. Tieto genetické plány, demonštrujúce všeobecne akceptované pravidlá mendelovskej dedičnosti, sú teraz ľahko dostupné na starostlivú analýzu, čím sa otvárajú dvere k lepšiemu pochopeniu ľudskej biológie a chorôb. Tieto poznatky tiež vyvolávajú nové nádeje na nové liečebné stratégie. Mnohé zásadné otázky však zostávajú nezodpovedané. Napríklad, ako prebieha normálny vývoj, keď každá bunka má rovnakú genetickú informáciu a napriek tomu sleduje svoju vlastnú špecifickú vývojovú cestu s vysokou časovou a priestorovou presnosťou? Ako sa bunka rozhoduje, kedy sa má rozdeliť a diferencovať a kedy si zachovať svoju bunkovú identitu, reagovať a prejavovať sa podľa svojho normálneho vývojového programu? Chyby, ktoré sa vyskytujú vo vyššie uvedených procesoch, môžu viesť k chorobným stavom, ako je rakovina. Sú tieto chyby zakódované v chybných plánoch, ktoré sme zdedili od jedného alebo oboch rodičov, alebo existujú ďalšie vrstvy regulačných informácií, ktoré neboli správne prečítané a dekódované?

U ľudí je genetická informácia (DNA) organizovaná do 23 párov chromozómov, ktoré pozostávajú z približne 25 000 génov. Tieto chromozómy možno prirovnať ku knižniciam obsahujúcim rôzne súbory kníh, ktoré spolu poskytujú návody na vývoj celého ľudského organizmu. Nukleotidová sekvencia DNA nášho genómu pozostáva z približne (3 x 10 na mocninu 9) báz, v tejto sekvencii skrátených štyrmi písmenami A, C, G a T, ktoré tvoria určité slová (gény), vety, kapitoly a knihy. Čo však presne určuje, kedy a v akom poradí by sa tieto rôzne knihy mali čítať, nie je ani zďaleka jasné. Odpoveď na túto mimoriadnu výzvu pravdepodobne spočíva v pochopení toho, ako sú bunkové udalosti koordinované počas normálneho a abnormálneho vývoja.

Ak spočítate všetky chromozómy, molekula DNA vo vyšších eukaryotoch je dlhá asi 2 metre, a preto musí byť maximálne kondenzovaná - asi 10 000-krát - aby sa zmestila do bunkového jadra - kompartmentu bunky, v ktorom sa nachádza náš genetický materiál je uložený. Navinutie DNA na cievky proteínov, nazývané histónové proteíny, poskytuje elegantné riešenie tohto problému balenia a vedie k vzniku polyméru opakujúcich sa komplexov proteín:DNA známeho ako chromatín. V procese balenia DNA, aby sa lepšie zmestila na obmedzený priestor, sa však úloha stáva zložitejšou – podobne ako pri ukladaní príliš veľkého množstva kníh na police knižnice: je čoraz ťažšie nájsť a prečítať knihu podľa vlastného výberu, a preto je potrebný systém indexovania.

Toto indexovanie zabezpečuje chromatín ako platforma pre organizáciu genómu. Chromatín nie je vo svojej štruktúre homogénny; objavuje sa v rôznych obalových formách, od fibrily vysoko kondenzovaného chromatínu (známeho ako heterochromatín) po menej kompaktnú formu, kde sú gény typicky exprimované (známe ako euchromatín). Zmeny môžu byť zavedené do základného chromatínového polyméru zahrnutím neobvyklých histónových proteínov (známych ako histónové varianty), zmenených chromatínových štruktúr (známych ako chromatínová remodelácia) a pridaním chemických značiek k samotným histónovým proteínom (známe ako kovalentné modifikácie). . Okrem toho pridanie metylovej skupiny priamo k cytozínovej báze (C) v templáte DNA (známe ako metylácia DNA) môže vytvoriť miesta pripojenia proteínov na zmenu stavu chromatínu alebo ovplyvnenie kovalentnej modifikácie rezidentných histónov.

Nedávne údaje naznačujú, že nekódujúce RNA môžu „riadiť“ prechod špecializovaných oblastí genómu do kompaktnejších chromatínových stavov. Na chromatín by sa teda malo pozerať ako na dynamický polymér, ktorý dokáže indexovať genóm a zosilňovať signály z prostredia, čím v konečnom dôsledku určuje, ktoré gény by sa mali exprimovať a ktoré nie.

Celkovo tieto regulačné schopnosti poskytujú chromatínu princíp organizácie genómu známy ako „epigenetika“. V niektorých prípadoch sa zdá, že vzory epigenetického indexovania sú zdedené počas delenia buniek, čím poskytujú bunkovú „pamäť“, ktorá môže rozšíriť potenciál pre dedičné informácie obsiahnuté v genetickom (DNA) kóde. V užšom zmysle slova teda možno epigenetiku definovať ako zmeny v transkripcii génov spôsobené moduláciami chromatínu, ktoré nie sú výsledkom zmien v nukleotidovej sekvencii DNA.

Tento prehľad predstavuje základné pojmy súvisiace s chromatínom a epigenetikou a diskutuje o tom, ako môže epigenetická kontrola poskytnúť vodítka k niektorým dlhotrvajúcim záhadám - ako je identita buniek, rast nádorov, plasticita kmeňových buniek, regenerácia a starnutie. Keď sa čitatelia prepracujú nasledujúcimi kapitolami, odporúčame im, aby zvážili širokú škálu experimentálnych modelov, ktoré majú zrejme epigenetický (nie DNA) základ. Vyjadrené mechanisticky, pochopenie toho, ako funguje epigenetika, bude mať pravdepodobne dôležité a ďalekosiahle dôsledky pre ľudskú biológiu a choroby v tejto „postgenomickej“ ére.

Azda najkomplexnejšiu a zároveň najpresnejšiu definíciu epigenetiky má vynikajúci anglický biológ, nositeľ Nobelovej ceny Peter Medawar: „Genetika naznačuje, ale epigenetika disponuje.“

Vedeli ste, že naše bunky majú pamäť? Pamätajú si nielen to, čo zvyčajne raňajkujete, ale aj to, čo jedli počas tehotenstva vaša mama a stará mama. Vaše bunky si dobre pamätajú, či cvičíte a ako často pijete alkohol. Bunková pamäť uchováva vaše stretnutia s vírusmi a to, ako veľmi ste boli milovaní ako dieťa. O tom, či máte sklony k obezite a depresii, rozhoduje bunková pamäť. Z veľkej časti vďaka bunkovej pamäti nie sme ako šimpanzy, hoci máme približne rovnaké zloženie genómu. A veda o epigenetike nám pomohla pochopiť túto úžasnú vlastnosť našich buniek.

Epigenetika je pomerne mladá oblasť modernej vedy a ešte nie je taká známa ako jej „sesterská“ genetika. V preklade z gréčtiny znamená predložka „epi-“ „hore“, „hore“, „hore“. Ak genetika študuje procesy, ktoré vedú k zmenám v našich génoch, v DNA, potom epigenetika študuje zmeny v génovej aktivite, v ktorých štruktúra DNA zostáva rovnaká. Možno si predstaviť, že nejaký „veliteľ“ v reakcii na vonkajšie podnety, ako je výživa, emočný stres a fyzická aktivita, dáva príkazy našim génom, aby zvýšili alebo naopak znížili svoju aktivitu.

Kontrola mutácií

Vývoj epigenetiky ako samostatného odvetvia molekulárnej biológie sa začal v 40. rokoch 20. storočia. Potom anglický genetik Conrad Waddington sformuloval koncept „epigenetickej krajiny“, ktorý vysvetľuje proces formovania organizmu. Dlho sa verilo, že epigenetické transformácie sú charakteristické iba pre počiatočnú fázu vývoja organizmu a v dospelosti sa nepozorujú. V posledných rokoch sa však podarilo získať celý rad experimentálnych dôkazov, ktoré v biológii a genetike vyvolali efekt výbuchu bomby.

Revolúcia v genetickom svetonázore nastala na samom konci minulého storočia. V niekoľkých laboratóriách naraz sa získalo množstvo experimentálnych údajov, čo prinútilo genetikov veľmi premýšľať. V roku 1998 teda švajčiarski vedci pod vedením Renata Para z Bazilejskej univerzity uskutočnili experimenty s muchami Drosophila, ktoré mali kvôli mutáciám žlté oči. Zistilo sa, že pod vplyvom zvýšenej teploty sa mutantným ovocným muškám narodili potomkovia nie so žltými, ale s červenými (ako normálne) očami. Aktivoval sa v nich jeden chromozomálny prvok, ktorý zmenil ich farbu očí.

Na prekvapenie výskumníkov farba červených očí zostala potomkom týchto múch ďalšie štyri generácie, hoci už neboli vystavené teplu. To znamená, že došlo k dedičnosti získaných vlastností. Vedci boli prinútení urobiť senzačný záver: epigenetické zmeny vyvolané stresom, ktoré neovplyvňujú samotný genóm, môžu byť opravené a prenesené na budúce generácie.

Ale možno sa to deje len u ovocných mušiek? Nie len. Neskôr sa ukázalo, že u človeka zohráva veľmi dôležitú úlohu aj vplyv epigenetických mechanizmov. Napríklad sa zistilo, že náchylnosť dospelých na cukrovku 2. typu môže do značnej miery závisieť od mesiaca narodenia. A to aj napriek tomu, že medzi vplyvom určitých faktorov spojených s ročným obdobím a vznikom samotnej choroby uplynie 50-60 rokov. Toto je jasný príklad takzvaného epigenetického programovania.

Čo môže spájať predispozíciu s cukrovkou a dátum narodenia? Novozélandským vedcom Petrovi Gluckmanovi a Markovi Hansonovi sa podarilo sformulovať logické vysvetlenie tohto paradoxu. Navrhli „hypotézu nesúladu“, podľa ktorej sa vo vyvíjajúcom sa organizme môže vyskytnúť „prediktívna“ adaptácia na podmienky prostredia očakávané po narodení. Ak sa predpoveď potvrdí, zvyšuje to šance organizmu na prežitie vo svete, kde bude žiť. Ak nie, adaptácia sa stáva maladaptáciou, teda chorobou.

Napríklad, ak počas vnútromaternicového vývoja plod dostáva nedostatočné množstvo potravy, dochádza v ňom k metabolickým zmenám zameraným na ukladanie potravinových zdrojov na budúce použitie „na daždivý deň“. Ak je po narodení naozaj málo jedla, pomáha to telu prežiť. Ak sa ukáže, že svet, do ktorého sa človek ocitne po narodení, prosperuje viac, ako sa predpokladalo, táto „šetrná“ povaha metabolizmu môže neskôr v živote viesť k obezite a cukrovke 2. typu.

Experimenty, ktoré v roku 2003 uskutočnili americkí vedci z Duke University Randy Jirtle a Robert Waterland, sa už stali učebnicami. O pár rokov skôr sa Jirtlovi podarilo do obyčajných myší vložiť umelý gén, preto sa narodili žlté, tučné a chorľavé. Po vytvorení takýchto myší sa Jirtle a jeho kolegovia rozhodli skontrolovať: je možné ich normalizovať bez odstránenia defektného génu? Ukázalo sa, že je to možné: do potravy gravidných myší aguti (ako začali nazývať „monštrá“) žltých myší pridali kyselinu listovú, vitamín B 12, cholín a metionín, v dôsledku čoho sa objavili normálne potomkovia. Nutričné ​​faktory dokázali neutralizovať mutácie v génoch. Účinok stravy navyše pretrvával v niekoľkých nasledujúcich generáciách: mláďatá myší aguti, ktoré sa narodili normálne vďaka doplnkom výživy, samy porodili normálne myši, hoci už mali normálnu stravu.

Môžeme s istotou povedať, že obdobie tehotenstva a prvé mesiace života sú najdôležitejšie v živote všetkých cicavcov, vrátane človeka. Ako výstižne povedal nemecký neurológ Peter Sporck: „V starobe je naše zdravie niekedy oveľa viac ovplyvnené stravou našej matky počas tehotenstva ako jedlom v aktuálnom období života.

Osud podľa dedičstva

Najviac študovaným mechanizmom epigenetickej regulácie génovej aktivity je proces metylácie, ktorý zahŕňa pridanie metylovej skupiny (jeden atóm uhlíka a tri atómy vodíka) k cytozínovým bázam DNA. Metylácia môže ovplyvniť aktivitu génu niekoľkými spôsobmi. Najmä metylové skupiny môžu fyzicky zabrániť kontaktu transkripčného faktora (proteínu, ktorý riadi proces syntézy messengerovej RNA na šablóne DNA) so špecifickými oblasťami DNA. Na druhej strane pracujú v spojení s proteínmi viažucimi metylcytozín a podieľajú sa na procese prestavby chromatínu – látky, ktorá tvorí chromozómy, úložisko dedičných informácií.

metylácia DNA
Metylové skupiny sa viažu na cytozínové bázy bez zničenia alebo zmeny DNA, ale ovplyvňujú aktivitu zodpovedajúcich génov. Existuje aj opačný proces - demetylácia, pri ktorej sa odstránia metylové skupiny a obnoví sa pôvodná aktivita génov" border="0">

Metylácia sa podieľa na mnohých procesoch spojených s vývojom a tvorbou všetkých orgánov a systémov u ľudí. Jedným z nich je inaktivácia X chromozómov v embryu. Ako je známe, samice cicavcov majú dve kópie pohlavných chromozómov, označované ako chromozóm X, a samci sa uspokoja s jedným chromozómom X a jedným chromozómom Y, ktorý je čo do veľkosti a množstva genetickej informácie oveľa menší. Aby sa vyrovnali muži a ženy v množstve produkovaných génových produktov (RNA a proteíny), väčšina génov na jednom z chromozómov X u žien je vypnutá.

Kulminácia tohto procesu nastáva v štádiu blastocysty, keď embryo pozostáva z 50–100 buniek. V každej bunke je náhodne vybraný chromozóm, ktorý sa má inaktivovať (otcovský alebo materský), a zostáva neaktívny vo všetkých nasledujúcich generáciách tejto bunky. S týmto procesom „miešania“ otcovských a materských chromozómov je spojená skutočnosť, že ženy oveľa menej trpia chorobami spojenými s chromozómom X.

Metylácia hrá dôležitú úlohu v diferenciácii buniek, čo je proces, pri ktorom sa „všeobecné“ embryonálne bunky vyvíjajú na špecializované bunky tkanív a orgánov. Svalové vlákna, kostné tkanivo, nervové bunky - to všetko sa objavuje v dôsledku aktivity presne definovanej časti genómu. Je tiež známe, že metylácia hrá vedúcu úlohu pri potlačovaní väčšiny typov onkogénov, ako aj niektorých vírusov.

Metylácia DNA má zo všetkých epigenetických mechanizmov najväčší praktický význam, pretože priamo súvisí so stravou, emočným stavom, mozgovou aktivitou a ďalšími vonkajšími faktormi.

Údaje, ktoré dobre podporujú tento záver, získali začiatkom tohto storočia americkí a európski výskumníci. Vedci skúmali starších Holanďanov narodených bezprostredne po vojne. Tehotenské obdobie ich matiek sa zhodovalo s veľmi ťažkým obdobím, keď v Holandsku v zime 1944-1945 nastal skutočný hlad. Vedcom sa podarilo zistiť: silný emocionálny stres a polovyhladovaná strava matiek mala najnegatívnejší vplyv na zdravie budúcich detí. Keďže sa narodili s nízkou pôrodnou hmotnosťou, mali v dospelosti niekoľkonásobne vyššiu pravdepodobnosť srdcových chorôb, obezity a cukrovky ako ich krajania narodení o rok či dva neskôr (alebo skôr).

Analýza ich genómu ukázala absenciu metylácie DNA práve v tých oblastiach, kde zabezpečuje zachovanie dobrého zdravia. U starších Holanďanov, ktorých matky prežili hladomor, sa teda metylácia génu inzulínu podobného rastového faktora (IGF) výrazne znížila, a preto sa množstvo IGF v krvi zvýšilo. A tento faktor, ako vedci dobre vedia, má inverzný vzťah k očakávanej dĺžke života: čím vyššia je hladina IGF v tele, tým kratší je život.

Neskôr americký vedec Lambert Lumet zistil, že v ďalšej generácii sa deti narodené v rodinách týchto Holanďanov tiež rodili s abnormálne nízkou hmotnosťou a častejšie ako iné trpeli všetkými chorobami súvisiacimi s vekom, hoci ich rodičia žili celkom blahobytne a dobre sa najedol. Gény si pamätali informácie o hladovom období tehotenstva starých mám a odovzdávali ich aj cez generáciu svojim vnúčatám.

Mnoho tvárí epigenetiky

Epigenetické procesy prebiehajú na niekoľkých úrovniach. Metylácia funguje na úrovni jednotlivých nukleotidov. Ďalšou úrovňou je modifikácia histónov, proteínov podieľajúcich sa na balení reťazcov DNA. Od tohto balenia závisia aj procesy transkripcie a replikácie DNA. Samostatný vedný odbor - RNA epigenetika - študuje epigenetické procesy spojené s RNA, vrátane metylácie messenger RNA.

Gény nie sú rozsudkom smrti

Okrem stresu a podvýživy môžu zdravie plodu ovplyvniť aj mnohé látky, ktoré zasahujú do normálnej hormonálnej regulácie. Nazývajú sa „endokrinné disruptory“ (ničitelia). Tieto látky sú spravidla umelej povahy: ľudstvo ich získava priemyselne pre svoje potreby.

Najvýraznejším a najnegatívnejším príkladom je snáď bisfenol-A, ktorý sa dlhé roky používa ako tvrdidlo pri výrobe plastových výrobkov. Nachádza sa v niektorých typoch plastových nádob – fľašiach na vodu a pitie, nádobách na potraviny.

Negatívnym účinkom bisfenolu-A na organizmus je jeho schopnosť „ničiť“ voľné metylové skupiny potrebné na metyláciu a inhibovať enzýmy, ktoré tieto skupiny viažu na DNA. Biológovia z Harvard Medical School objavili schopnosť bisfenolu-A inhibovať dozrievanie vajíčok, a tým viesť k neplodnosti. Ich kolegovia z Kolumbijskej univerzity objavili schopnosť bisfenolu-A stierať rozdiely medzi pohlaviami a stimulovať narodenie potomkov s homosexuálnymi sklonmi. Pod vplyvom bisfenolu sa narušila normálna metylácia génov kódujúcich receptory pre estrogén a ženské pohlavné hormóny. Z tohto dôvodu sa samce myší narodili so „ženským“ charakterom, poslušným a pokojným.

Našťastie existujú potraviny, ktoré majú pozitívny vplyv na epigenóm. Pravidelná konzumácia zeleného čaju môže napríklad znížiť riziko rakoviny, pretože obsahuje určitú látku (epigalokatechín-3-galát), ktorá dokáže demetyláciou ich DNA aktivovať tumor supresorové gény (supresory). V posledných rokoch sa stal populárnym modulátor epigenetických procesov genisteín, obsiahnutý v sójových produktoch. Mnohí vedci spájajú obsah sóje v strave obyvateľov ázijských krajín s ich nižšou náchylnosťou na niektoré choroby súvisiace s vekom.

Štúdium epigenetických mechanizmov nám pomohlo pochopiť dôležitú pravdu: tak veľa v živote závisí od nás samých. Na rozdiel od relatívne stabilnej genetickej informácie môžu byť epigenetické „značky“ za určitých podmienok reverzibilné. Táto skutočnosť nám umožňuje počítať so zásadne novými metódami boja proti bežným ochoreniam, založených na eliminácii tých epigenetických modifikácií, ktoré u človeka vznikli pod vplyvom nepriaznivých faktorov. Využitie prístupov zameraných na korekciu epigenómu nám otvára veľké vyhliadky.