Эпигенетическая наследственность

Содержание
  1. Разница между генетикой и эпигенетикой
  2. Ключевые области покрыты
  3. Что такое генетика
  4. Что такое эпигенетика
  5. Сходства между генетикой и эпигенетикой
  6. Определение
  7. Значимость
  8. Области исследования
  9. Примеры
  10. Заключение
  11. Ссылка:
  12. Греховная эпигенетика: каким образом страдания родителей отражаются на их детях
  13. Биологическая догма
  14. Самки и самцы генетически равны, и даже из одного и того же яйца можно вывести либо крокодила, либо крокодилиху — в зависимости от температуры инкубации.
  15. На самом деле, возможностей регуляции активности отдельного гена так много, что такую настройку лучше сравнить не с грубым выключателем, а с тонкой работой эквалайзера.
  16. Библейские истины
  17. На сегодняшний день известно больше сотни примеров эпигенетического наследования у животных, растений и бактерий.
  18. Отступление в химию
  19. Метилирование заключается в присоединении к ДНК простейшей и самой мелкой органической молекулы — метана.
  20. Новый синтез
  21. ДНК евреев, переживших холокост, и ДНК их потомстванесутсходные эпигенетические следы прошлой катастрофы.
  22. Например, эксперименты на мышах показали, что дети приученных к спиртному мышей — вопреки всякому ожиданию — были чувствительнее к действию алкоголя и были менее склонны к развитию такой зависимости.
  23. Эпигенетика и эпигенетическое наследование
  24. Стресс от бабушки, супермышцы и запасные органы. Что такое эпигенетика и как она работает
  25. Клетка как молекулярный наноробот
  26. «И тысячу за знание»

Разница между генетикой и эпигенетикой

Эпигенетическая наследственность

Генетика и эпигенетика – это два типа исследований генов.

главное отличие между генетикой и эпигенетикой заключается в том, что генетика – это исследование генов, которые контролируют функции организ

Генетика и эпигенетика – это два типа исследований генов.

главное отличие между генетикой и эпигенетикой заключается в том, что генетика – это исследование генов, которые контролируют функции организма, тогда как эпигенетика – это изучение наследственных изменений организмов, вызванных модификацией экспрессии генов.

, Гены являются основными единицами наследственности, которые передают генетическую информацию из поколения в поколение. Строение генов и его изменения изучены в генетике. В эпигенетике изучаются модификации экспрессии генов, которые изменяют фенотип.

Ключевые области покрыты

1. Что такое генетика
– определение, поля, роль
2. Что такое эпигенетика
– определение, поля, роль
3. Каковы сходства между генетикой и эпигенетикой
– Краткое описание общих черт
4. В чем разница между генетикой и эпигенетикой
– Сравнение основных различий

Ключевые слова: аллели, структура хроматина, метилирование ДНК, эпигенетика, генетика, наследственность, наследование, мутации.

Что такое генетика

Генетика относится к изучению наследственности и изменчивости наследственных признаков. Наследственность – это биологический процесс, посредством которого родитель передает свою генетическую информацию своему потомству. Каждый человек наследует гены от матери и отца. Следовательно, ген служит основной единицей наследственности.

Альтернативные формы гена называются аллелями. Многие организмы имеют два аллеля, которые могут быть гомозиготными или гетерозиготными. Некоторые аллели доминируют над другими и определяют фенотипы определенного организма. Многие гены состоят из ДНК. ДНК упаковывается в ядро ​​путем образования хромосом.

Организация генов показана в Рисунок 1.

Рисунок 1: хромосома и ген

У людей 46 хромосом: 22 аутосомы и две половые хромосомы. На этих 46 хромосомах расположено более 20000 генов. Наследование генов впервые было описано Грегором Менделем в 1890-х годах. Некоторые гены демонстрируют менделевское наследование, в то время как другие демонстрируют неменделевское наследство. Эти закономерности наследования изучаются в генетике.

Некоторые аллели вызывают генетические нарушения. Они также изучаются в области генетики. Изменения нуклеотидной последовательности в генах и хромосомах называются мутациями.

Влияние мутаций на конкретный организм также изучается в генетике. Мутации вызывают образование новых аллелей. Вариации аллелей вызывают генетические вариации в конкретной популяции.

Эти вариации изучаются в рамках популяционной генетики.

Что такое эпигенетика

Эпигенетика относится к изучению наследственных изменений организмов, вызванных изменением экспрессии генов, а не изменением генетического материала организмов.

Модификация экспрессии генов – это естественный процесс, который происходит внутри клетки для корректировки типов и количества белков, экспрессируемых в клетке. Двумя основными типами таких модификаций являются метилирование ДНК и модификация гистонов.

В Метилирование ДНКметильная группа добавляется к метке ДНК, либо активируя, либо подавляя экспрессию этой ДНК. В модификация гистоновэпигенетические факторы связываются с хвостами гистонов, изменяя степень обернутой ДНК вокруг нуклеосом.

Гистоны представляют собой тип белков, вокруг которых ДНК может связываться во время образования хроматина. Степень оборачивания ДНК вокруг гистонов изменяет экспрессию генов. Механизмы эпигенетики показаны в фигура 2.

Рисунок 2: Эпигенетические механизмы

Два типа хроматина образуются в зависимости от степени обертывания или конденсации хромосом. Свободно обернутые хроматины – это эухроматин, и они содержат активно экспрессирующие гены. Хроматин с плотной оболочкой является гетерохроматином, и он содержит как транскрипционно, так и генетически неактивные гены.

Как метилирование ДНК, так и модификация гистонов могут изменяться под воздействием факторов окружающей среды, таких как старение, диета, химические вещества, лекарства или различные заболевания. Эти влияния и степень модификации экспрессии генов изучаются в эпигенетике.

Сходства между генетикой и эпигенетикой

  • Генетика и эпигенетика – это два типа исследований генов.
  • Изменения сущностей, изучаемых как в генетике, так и в эпигенетике, являются наследственными.
  • Объекты, изучаемые как в генетике, так и в эпигенетике, участвуют в контроле образования и функций конкретного организма.

Определение

Генетика: Генетика относится к изучению наследственности и изменчивости наследственных признаков.

Epigenetics: Эпигенетика относится к изучению наследственных изменений в организмах, вызванных модификацией экспрессии генов.

Значимость

Генетика: Структура, взаимодействия, функции и изменения генов конкретного организма изучаются в генетике.

Epigenetics: Модификации экспрессии генов конкретного организма изучаются в эпигенетике.

Области исследования

Генетика: Генетика охватывает геномику, транскриптомику, протеомику, наследственность, эволюционную генетику и генетические заболевания.

Epigenetics: Эпигенетика охватывает регуляцию генов, взаимодействие гена и окружающей среды, а также взаимодействие белка и окружающей среды.

Примеры

Генетика: В генетике изучается комбинация аллелей в конкретном организме.

Epigenetics: В эпигенетике изучаются различные закономерности метилирования и ацетилирования ДНК и состояния хроматина.

Заключение

Генетика и эпигенетика – это две области, которые изучают генетический материал конкретного организма. В генетике изучены структура и функция генов. Однако в эпигенетике изучаются внешние факторы, участвующие в модификациях экспрессии генов, такие как метилирование ДНК и структура хроматина. В этом разница между генетикой и эпигенетикой.

Ссылка:

1. Мандал, Ананья. «Что такое генетика?» News-Medical.net, 18 марта 2013 г.,

Источник: https://ru.strephonsays.com/difference-between-genetics-and-epigenetics

Греховная эпигенетика: каким образом страдания родителей отражаются на их детях

Эпигенетическая наследственность

«ДНК -> РНК -> белок»: центральная догма молекулярной биологии не подразумевает движения в обратном направлении. ДНК является носителем передающейся по наследству информации. На основе ее генов считываются молекулы-посредники РНК.

На матрице РНК синтезируются белки, чей способ существования и есть жизнь. Смерть здесь — всего лишь механизм обратной связи в этой схеме. Изменчивость ДНК и, как следствие, модификации белков позволяют организмам адаптироваться к изменчивой среде.

Более удачные варианты выживают и становятся многочисленнее, остальные — идут «в расход».

Биологическая догма

Но при всем уважении к классической генетике и ее героям в такой упрощенной картине мира на многое придется закрыть глаза. Легко найти массу примеров тому, как совершенно одинаковые с точки зрения ДНК организмы и клетки получают совершенно разные признаки. Например, у крокодилов, да и вообще у рептилий, нет дополнительной половой хромосомы, как у млекопитающих.

Самки и самцы генетически равны, и даже из одного и того же яйца можно вывести либо крокодила, либо крокодилиху — в зависимости от температуры инкубации.

Это, конечно, не деградация хвоста, но уже кое-что довольно близкое. Или — пятнистая окраска кошек: вырастив несколько клонированных котят с полностью идентичными геномами, мы получим совершенно разных на вид животных.

В интернете легко гуглятся фотографии бело-черно-рыжей Рэйнбоу и ее точной копии Сиси с шерстью без единого рыжего или черного пятна. Судя по тому, что клоны радикально не похожи друг на друга, их окраска определяется чем-то еще, помимо самих генов. И ведь это мы еще не вспомнили про разницу взрослого насекомого и личинки, про рабочих пчел и королев…

ДНК — еще не приговор, и догматическая цепочка «ДНК -> РНК -> белок» далеко не так прямолинейна. В конце концов, ведь мы и сами состоим из триллионов клеток, содержащих совершенно одинаковые ДНК, полученные от мамы и папы.

Однако наши лейкоциты, эритроциты и нейроны — это «совершенно разные вещи».

Каждая клетка организма, как музыкант в оркестре, получает одну и ту же партитуру, но исполняет лишь свою определенную часть, а остальные гены остаются «выключенными».

На самом деле, возможностей регуляции активности отдельного гена так много, что такую настройку лучше сравнить не с грубым выключателем, а с тонкой работой эквалайзера.

Скажем, РНК или белки, синтезированные с одних генов, могут связываться с другими, меняя их активность. Какие-то гены могут быть отложены на дальнюю полку, сохраняясь скрытыми поглубже внутри структуры хромосом навсегда или временно.

Но чаще всего производится простое метилирование ДНК: присоединение к определенным участкам небольших молекулярных меток. Как правило, это приводит к выключению гена, хотя тут возможны варианты. Важно то, что в любом случае сама последовательность ДНК не меняется.

Сравнив геномы эритроцита и нейрона, геномы Рэйнбоу и Сиси, мы не найдем никакой разницы — хотя разница будет налицо.

Библейские истины

Такая регуляция называется эпигенетической, то есть «над-генетической», и она дает организмам совершенно новый уровень свободы. Эпигенетика позволяет не только держать под рукой все нужные гены, но и использовать их строго по мере надобности, реагируя на изменения следов быстрее и гибче.

Метилирование и другие модификации ДНК чутко отвечают на происходящее, настраивая геном в соответствии с личным опытом. Организм человека, испытавшего тяжелый голод, может запустить накопление жировых запасов — на будущий раз. Хуже того: эти настройки могут передаваться по наследству.

Вот за это до недавнего времени и полагалось схлопотать по морде: ведь получается, что в принципе какая-то часть личного опыта по наследству все-таки передается. Взять хотя бы Одри Хёпберн.

Икона кинематографа 1960–1970 годов выросла в Нидерландах, и в 16-летнем возрасте пережила страшную голодную зиму 1944-го. Германская блокада привела тогда к настоящему бедствию в западной части страны, где проживало больше 2 млн человек, из которых умерло около 20 тыс.

Но и выжившие — и Одри в их числе — навсегда сохранили отпечаток этого события, в том числе подорванное здоровье. Отличная медицина и детальные записи позволили медикам изучить долговременные последствия голодной зимы в Нидерландах куда детальнее, чем последствия ленинградской блокады у нас.

Такие работы показали, что негативные эффекты проявляются даже у детей, которые были тогда лишь эмбрионами на первых неделях и месяцах развития.

Их матери вскоре вернулись к нормальному питанию, и новорожденные не отличались даже пониженным весом.

Однако впоследствии у них стал обнаруживаться целый ворох проблем со здоровьем, избыточным весом и даже повышенная склонность к развитию психических отклонений.

Более того, эти эффекты проявляются и у их собственных детей, как по библейскому обещанию — «грехи отцов падут на детей», пусть и не до самого седьмого колена, а только до третьего. Вопрос лишь в том, какие именно признаки могут передаваться таким путем.

На самом деле, в лице эпигенетики мы столкнулись с довольно редкой для науки ситуацией: у нас есть объяснение, но далеко не все факты.

Мы знаем, как может происходить тонкая настройка ДНК, мы показали, что, по меньшей мере частично, она передается по наследству.

При этом мы выяснили еще далеко не все эффекты, которые могут быть связаны с эпигенетикой, — а некоторые эксперименты демонстрируют прямо-таки пугающие возможности такого наследования.

На сегодняшний день известно больше сотни примеров эпигенетического наследования у животных, растений и бактерий.

Можно заставить мышей до дрожи бояться запаха вишни (в опытах использовался ацетофенон, один из основных его компонентов), ударяя их разрядами тока. Поразительно, но этот страх будет передаваться и детям, и даже внукам таких животных. Быть может, и мы с вами сохранили дедушкину память о дискуссиях вокруг генетики и «Большом терроре» где-то в метилировании своей ДНК?..

Отступление в химию

Тут пожалуй, стоит напомнить, что вся наша наследственность заключается в 46 хромосомах, которые мы получаем пополам от отца и матери как собственный уникальный ремикс из старых музыкальных хитов. Каждая хромосома — это длинная, в миллионы звеньев, цепочка, состоящая из четырех видов нуклеотидов (не вдаваясь в подробности, будем звать их сокращенно А, Т, Г и Ц).

Комбинацией из трех нуклеотидов кодируется одна аминокислота — элементарное звено в полимерной цепочке белков — и вся последовательность, необходимая для кодирования целого белка, образует ген. Специальные группы нуклеотидов отмечают начало и конец гена, и начальный участок — промотор — позволяет регулировать его активность.

Здесь обычно и реализуется главный механизм эпигенетической настройки, метилирование.

Метилирование заключается в присоединении к ДНК простейшей и самой мелкой органической молекулы — метана.

Строго говоря, речь идет о его радикале — метильной группе, которая отличается от самого метана лишь отсутствием одного атома водорода: освободившаяся валентная связь высоко активна и при посредничестве ферментов ДНК-метилтрансфераз она присоединяется к нуклеотидам Ц в промоторе гена.

У человека известны три вида ДНК-метилтрансфераз, работа которых регулируется другими белками и РНК. В свою очередь, активность сигнальных белков и молекул РНК определяется влиянием массы факторов среды и состояния самого организма.

Это позволяет клеткам гибко реагировать на текущую ситуацию и, пользуясь инструментами-метилтрансферазами, вести тонкую настройку генома.

Впрочем, в арсенале эпигенетики есть и другие подходы. Те же хромосомы были бы слишком длинны и неудобны в обращении, если бы их цепочки оставались сами по себе, поэтому обычно они плотно намотаны на белковые «катушки», нуклеосомы.

Они обеспечивают дополнительный контроль над генами, связывая их плотнее и не давая проявлять активность или, наоборот, распуская нить и позволяя включиться в работу.

Для этого к ним может применяться и метилирование, и другие виды химических модификаций — фосфорилирование (присоединение фосфата), ацетилирование (уксусной кислоты) и т. п.

Новый синтез

Действительно, на нас эпигенетика может иметь влияние не менее серьезное, чем на мышей. Стресс, пережитый матерью от домашнего насилия в период беременности, способен привести к изменению метилирования гена, кодирующего рецепторы глюкокортикоидов, навсегда наделив ребенка повышенной тревожностью и всем, что с этим связано.

ДНК евреев, переживших холокост, и ДНК их потомства несут сходные эпигенетические следы прошлой катастрофы.

Обследование 32 жертв и 22 их уже взрослых потомков показало, что в сравнении с обычными людьми того же возраста у них сильнее метилирован ген FKBP5, активность которого коррелирует с риском развития депрессии.

Интересно, что у самих переживших холокост химическая модификация касается одного определенного участка гена, который у их детей и внуков чаще остается нетронутым.

Зато у них намного выше шансы заполучить метилирование в другой части гена FKBP5 — так, словно тяжелая травма родителей передалась им склонностью тяжелее реагировать на испытания в собственной жизни, — впрочем, здесь мы рискуем удалиться в совсем уж малонаучные дебри.

Одна из популярных сегодня гипотез связывает с эпигенетикой и гомосексуальность.

Сторонники этой идеи приводят довольно весомый пример близнецовых исследований: несмотря на идентичность ДНК однояйцевых близнецов, крайне редко оказывается так, чтобы оба они оказались гомосексуальны.

Считается, что полученные от родителей эпигенетические маркеры влияют на восприимчивость эмбриона к материнским гормонам, определяя и ход его полового развития — после зачатия, но уже до рождения.

Матери тут вообще, видимо, главное, что имеет значение. Можно испытать детей мышиных самцов, затерроризированных вишней: они будут точно так же бояться ее запаха. Но если взять только сперму и искусственно оплодотворить не обученных бояться самок, то никакого страха к запаху вишни у такого потомства не обнаружится.

Считается, что эпигенетические «настройки» генома у млекопитающих наследуются в основном по материнской линии, а химические маркеры на ДНК, полученной от отца, довольно быстро стираются. Конечно, и они оказывают определенное влияние, но если вспоминать про падающие на детей грехи, то насчет отцов тут — некоторое преувеличение.

Но все равно, как и всякая «библейская истина», она пугает, если вдуматься в нее как следует.

Получается, что все, происходящее с нами, — да и все, что мы сами делаем с собственной жизнью, скажется не только на нас, но и на наших детях и внуках. Причем заранее сказать, как именно наш опыт отразится на них, в большинстве случаев нельзя.

Например, эксперименты на мышах показали, что дети приученных к спиртному мышей — вопреки всякому ожиданию — были чувствительнее к действию алкоголя и были менее склонны к развитию такой зависимости.

Зато ни по каким мордасам теперь за это не отвесят. Холивар, который еще дарвинисты и ламаркисты устроили вокруг жирафа, продолжился тяжелым и принципиальным противостоянием в советской биологии 1930-х, но закончился так, как и полагается холивару, — где-то посередине.

Личный опыт наследуется, хотя и совершенно не так, как думали Ламарк и советские неоламаркисты. Но и догматическая строгость классической генетики описывает далеко не всю картину: «память поколений» может влиять на нас куда сильнее, чем казалось еще до недавнего времени.

И если кого-то это выводит из себя — возможно, так проявляют себя «настройки» ДНК, доставшиеся ему от мамы или бабушки.

Источник: https://knife.media/epigenetic-influences/

Эпигенетика и эпигенетическое наследование

Эпигенетическая наследственность

изменения в последовательности ДНК не происходят, но вместо этого другие генетические факторы заставляют гены вести себя по-другому.

Введение. Как бы то ни было, ДНК – очень значимая биологическая субстанция.

Благодаря расшифровке ее структуры раскрыта природа генетического кода и мутаций, поняты причины многих наследственных болезней, сформированы обстоятельные представления о собственно организации генов и геномов, полностью расшифрована нуклеотидная последовательность геномов многих бактерий и пока еще немногочисленных грибов, растений, животных и человека. Более того, мы научились конструировать принципиально новые гены и геномы и, главное, создавать трансгенные организмы. Многие из них (например, микробы) уже плодотворно трудятся на наше благо.

Однако достижения молекулярной биологии приносят все больше вопросов. В частности, мы очень мало знаем о том, как работают гены, почему они молчат в одной клетке организма и активны в другой. Каковы молекулярные механизмы так называемой клеточной дифференцировки? Как заставить работать полезные гены или принудить их замолчать, если они вредны? Во многих случаях именно потому, что мы не знаем ответов на эти вопросы, новые гены, всаживаемые в клетку, неэффективны либо сильно искажают ее природу. Нельзя забывать, что у организмов существуют мощные регуляторные элементы (в геноме и на уровне клетки), которые контролируют работу генов. Эти сигналы накладываются на генетику и часто по-своему решают, «быть или не быть». Даже самая отличная генетика может вовсе и не реализоваться, если эпигенетика будет неблагополучной по образному выражению П. и Д. Медаваров, «генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Долгое время эпигенетику не признавали, стыдливо или даже намеренно умалчивали о ней – как правило, потому, что природа эпигенетических сигналов и пути их реализации в организме казались очень расплывчатыми. Считалось, что генетика – это святое, а эпигенетика – от лукавого. В течение многих лет гены считались единственными носителями наследственной информации, передающийся у всех живых организмов из поколения в поколение. Сегодня эта концепция радикальным образом пересмотрена. Биологи находят все больше признаков, которые приобретаются организмами в течение жизни, никак не влияют на генотип, но при этом передаются потомству. Этот феномен известен как эпигенетическая наследственность, а эпигенетикой называют раздел молекулярной биологии, изучающий наследование функций гена, не связанных с первичной структурой ДНК.

Эпигенетика. Наука эпигенетика начала активно развиваться в конце XX века, когда ученые пришли к пониманию того, что наследственная информация заложена не только в самой последовательности ДНК, но и в определенных модификациях отдельных кодирующих «букв алфавита» – нуклеотидов.

Так, например, простое добавление метильной группы (CH3) часто приводит к инактивации модифицированного участка ДНК.

Проблема до сих пор была в отсутствии у исследователей хоть сколько-нибудь потокового метода работы с эпигеномом – модифицированные нуклеотиды искали практически «с лупой».

В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые другими механизмами, чем изменение последовательности ДНК (приставка эпи- означает «в дополнение»). Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ. Следует отметить, что изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). В случае эпигенетического наследования не происходит изменения последовательности ДНК, но другие генетические факторы регулируют активность генов. Лучшим примером эпигенетических изменений для эукариот является процесс дифференцировки клеток. (1) В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки (способные путем деления дать начало любому клеточному типу организма) становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона превращаются в полностью дифференцированные клетки. (2) Формы и функции клеток нервной ткани и клеток кожи различны, несмотря на то, что в своих ядрах эти клетки несут одну и ту же ДНК. И, если это разнообразие закодировано не в ДНК, то должны существовать не генетические механизмы, благодаря которым клетка кожи при делении дает именно клетки кожи. (3) Единственная клетка – зигота (оплодотворенная яйцеклетка) дифференцируется в различные типы клеток: нейроны, мышечные клетки, эпителиальные клетки, клетки кровеносных сосудов и многие другие. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие. Исследования регуляции активности генов различных видов микроорганизмов, растений, насекомых, животных и человека и секвенирование геномов, выполненные в последние десятилетия XX века, ознаменовались открытием ряда эпигенетических феноменов, к которым можно отнести:

эффект положения – изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов (относится к ядерной эпигенетической наследственности);

парамутация – взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, приводящее к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
трансвекция – взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
косупрессия или РНК-интерференця – посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (относится к внеядерной эпигенетической наследственности);
явление прионизации – накопления конформационно измененного аномального прионового белка в мозге при мутациях гена PRNP (20р12); прионизация лежит в основе тяжелых нейродегенеративных заболеваний с поздним проявлением (болезнь Creutzfeldt-Jakob, болезнь Gerstmann-Straussler, куру, семейная фатальная бессонница и трансмиссивная губчатая энцефалопатия – болезнь бешеных коров), возникающими в результате воздействия приона – инфекционного агента белковой природы, лишенного нуклеиновой кислоты; (прионизация также относится к внеядерной эпигенетической наследственности);
супрессия транспозонов – у многих организмов эпигенетическое выключение генов связано с повторяющимися последовательностями ДНК, локализованными преимущественно в гетерохроматиновых областях генома, которые включают как простые повторы, так и неактивные мобильные генетические элементы – транспозоны (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
геномный импринтинг – эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские гомологичные хромосомы, приводящий к разному фенотипическому проявлению мутаций у потомства, унаследованных от матери или отца (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
инактивация Х-хромосомы – механизмы, уравнивающие дозу Х-сцепленных генов между мужским (XY) и женским (XX) полом; предполагается наличие 4-х стадий инактивации Х-хромосомы у млекопитающих: (1) подсчет числа Х-хромосом в клетке; (2) инициация инактивации с центра, контролирующего этот процесс; (3) распространение гетерохроматинизации вдоль всей длины Х-хромосомы; (4) поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ходе последующих митотических делений. В ходе инактивации нетранслируемая РНК, продуцируемая геном Xist, покрывает Х-хромосому, в результате чего она конденсируется и инактивируется (относится к ядерной эпигенетической наследственности).

Эпигенетическая модификация генома – метилирование ДНК и компактизация хроматина.

Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) – Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования, и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В – для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза. В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина – так называемые «хроматиновые болезни». Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков – МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина.

Источник: https://doctorspb.ru/articles.php?article_id=1701

Стресс от бабушки, супермышцы и запасные органы. Что такое эпигенетика и как она работает

Эпигенетическая наследственность

Эпигенетика занимается тем, как наследуются приобретенные изменения. Нет, речь не о том, что если жираф будет систематически тренироваться объедать возможно более высокие ветки, то его дети вырастут еще выше.

И не о том, что живые существа можно приучить к чему-то так, чтоб их потомство поменяло свой внешний вид или свои физиологические особенности.

Эпигенетика — это наука о наследуемых изменениях в паттернах экспрессии генов, или, как писал еще в 1942 году сам автор термина Конрад Уоддингтон, «раздел биологии, изучающий те причинно-следственные связи между генами и их производными, которые приводят к формированию фенотипа».

Ни определение почтенного британского биолога, одной из ключевых фигур в теоретической биологии, ни слова о паттернах экспрессии сами по себе нельзя назвать особенно простыми, поэтому мы начнем с другой стороны.

Клетка как молекулярный наноробот

XX век открыл человечеству совершенно новый мир, где клетки оказались не безликими строительными кирпичиками живой ткани, а сложнейшими объектами, по сути организмами в организме. Или, что будет вполне корректно, самовоспроизводящимися нанороботами, существование которых поддерживается за счет трех типов молекул: липидов, белков и нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты и белки собираются из стандартных блоков — нуклеотидов и аминокислот соответственно.

При том, что земные организмы используют всего пять нуклеотидов, а аминокислот известно несколько сотен разновидностей, вариантов нуклеиновых кислот и белков может быть гораздо большее количество.

Сама возможность жизни основывается на том, что комплект белков и ДНК может синтезировать копию самого себя, создавая второй комплект ДНК и второй набор белков.

В ДНК записана информация, позволяющая синтезировать все остальные сложно организованные молекулы.

При помощи специальных белков с ДНК можно снять слепок в виде молекулы РНК (это рибонуклеиновая кислота, в ней одна нить вместо двух и чуть иной набор нуклеотидов), а уже на основе РНК создать рибосомы — специальные сложноорганизованные молекулярные машины, которые затем собирают белок из отдельных аминокислот.

Цепочка «ДНК — РНК — белок» вошла во все книги по биологии как центральная догма молекулярно-клеточной теории. Некоторое время считалось, что вся жизнь крутится вокруг генов, участков ДНК, связанных с синтезом отдельной молекулы белка или РНК.

Считывание информации с ДНК. А. Лапушко / Chdrk.

Но в этой схеме есть ряд изъянов, причем довольно очевидных. Например, у нейрона, клетки печени, сперматозоида или лимфоцита набор генов совершенно одинаковый, однако это совершенно разные клетки.

Более того, нейрон мыши невозможно отличить от человеческого без довольно тонкого молекулярного анализа, а вот отличить клетку кожи от нейрона в пределах одного организма сможет даже неспециалист. Геном человека содержит множество генов, которые почти не отличаются от генов дрожжей, но разница между нами и дрожжами очевидна.

Для наших клеток важно не только то, какие гены находятся в ДНК, но и то, сколько именно молекул собирается на их основе и какие именно гены сейчас активны.

«И тысячу за знание»

Есть анекдот про автослесаря, который устранил поломку одним ударом молотка, но при этом выставил счет на тысячу рублей: 10 за удар и 990 за знание, куда ударить.

Организация жизни клетки напоминает этот анекдот: ряд исследований указывает, что ключевую роль в эволюции сложных организмов сыграли не те гены, которые кодируют какие-то конкретные белки (то есть «ударяют»), а те, которые связаны с тонкой регуляцией работы остального генома (знают, куда «ударить»).

Под работой генов, или, как говорят биологи, экспрессией, подразумевается синтез белка или РНК, которые этот ген кодирует.

В классической догме «ДНК — РНК — белок» гены нужны для того, чтобы удовлетворить потребность клетки в чем-то конкретном: новых частях внутриклеточного скелета, ферментах для расщепления захваченных питательных веществ или каких-то веществах для секреции вовне.

Все перечисленное либо состоит из белков (кодируемых генами), либо требует специальных белков (снова кодируемых генами) для своей сборки.

Клеточный «скелет» из микротрубочек, покрашенный флуоресцентным красителем. Клетка, кстати, злокачественная. Howard Vindin / CC BY-SA 4.0

Однако детальное изучение молекулярно-биологических машин внутри клетки показало, что некоторые гены нужны еще и для того, чтобы регулировать работу своих соседей. А не просто для того, чтобы собрать белковую деталь для строительства клетки или даже белковую машину для производства чего-либо.

Существуют белки, называемые факторами транскрипции. Они «садятся» на ДНК в строго заданном месте — начале конкретного гена — и позволяют начать синтезировать молекулы РНК с этого фрагмента. А там, где РНК, потом появляется и соответствующий белок.

Это означает, что ген, кодирующий фактор транскрипции, позволяет клетке синтезировать белки, кодируемые иными генами. Всего в человеческом геноме около двадцати тысяч белков, из них две тысячи — это транскрипционные факторы.

Получается, что каждый десятый ген, по сути, сам ничего в клетке не производит, а лишь следит за тем, чтобы в нужное время и в нужных обстоятельствах что-то производилось.

Именно эти «менеджеры», точнее сеть взаимодействий между ними, на рубеже XX—XXI веков стали предметом пристального внимания биологов. Они пришли к выводу, что в эволюции, похоже, главную роль играет совершенствование управления генами, а не просто появление каких-то удачных белков. Примером — одним из многих — может быть ген FOXP2.

После того как его человеческий вариант включили в геном мышей, грызуны стали лучше обучаться и даже пищать начали иначе. Этот ген кодирует белок, который представляет собой именно транскрипционный фактор: он отвечает не за то, что ые связки должны быть как-то по особому эластичны, и не за то, что нервные клетки приобретают какие-то особые рецепторы.

FOXP2 — это лишь эффективный внутриклеточный управляющий, который знает, как использовать гены мыши.

Источник: https://tass.ru/sci/6816171

Все о медицине
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: