Epigenetica ( altă greacă ἐπι- - un prefix care denotă a fi pe ceva sau a fi plasat pe ceva) este o secțiune a geneticii . Epigenetica este studiul modificărilor moștenite ale activității genelor în timpul creșterii și diviziunii celulare ( moștenirea epigenetică ) - modificări ale sintezei proteinelor cauzate de mecanisme care nu modifică secvența de nucleotide a ADN-ului. Modificările epigenetice persistă printr-o serie de diviziuni mitotice ale celulelor somatice și pot fi, de asemenea, transmise generației următoare. Regulatori ai sintezei proteinelor (activități ale secvențelor genetice) - metilarea și demetilarea ADN-ului, acetilarea și deacetilarea histonelor , fosforilarea și defosforilarea factorilor de transcripție și alte mecanisme intracelulare [1] .
Un epigenom este un set de markeri moleculari care reglează activitatea genelor, dar nu modifică structura primară a ADN-ului [2] .
În cadrul epigeneticii sunt studiate procese precum paramutația , marcarea genetică, imprimarea genomică , inactivarea cromozomului X , efectul de poziție, efectele materne, reprogramarea, precum și alte mecanisme de reglare a expresiei genelor. În 2011, s-a demonstrat că metilarea ARNm joacă, de asemenea, un rol în predispoziția la diabet , dând naștere unei noi ramuri a epigeneticii ARN [3] .
Studiile epigenetice folosesc o gamă largă de metode de biologie moleculară, inclusiv imunoprecipitarea cromatinei (diverse modificări ale ChIP-on-chip și ChIP-Seq), hibridizarea in situ , enzimele de restricție sensibile la metilare , identificarea ADN-adenin metiltransferazei (DamID), secvențierea bisulfiților . În plus, utilizarea metodelor bioinformatice (epigenetică asistată de computer) joacă un rol din ce în ce mai important .
Un exemplu de modificări epigenetice la eucariote este procesul de diferențiere celulară . În timpul morfogenezei , celulele stem pluripotente formează diferite linii celulare pluripotente în embrion, care, la rândul lor, dau naștere la celule complet diferențiate. Cu alte cuvinte, un ovul fecundat - un zigot - dă naștere la diferite tipuri de celule: neuroni , celule musculare, epiteliu , vase de sânge. În acest caz, într-o serie de diviziuni celulare succesive, are loc activarea unor gene, precum și inhibarea altora folosind mecanisme epigenetice [4] .
Al doilea exemplu poate fi demonstrat cu volei . Toamna, înainte de o răceală, se nasc cu o blană mai lungă și mai groasă decât primăvara, deși dezvoltarea intrauterină a șoarecilor de „primăvară” și „toamnă” are loc pe fondul aproape acelorași condiții (temperatură, ore de zi, umiditate). , etc.). Studiile au arătat că semnalul care declanșează modificări epigenetice care conduc la creșterea lungimii părului este o modificare a gradientului de concentrație a melatoninei din sânge (acesta scade primăvara și crește toamna). Astfel, modificări epigenetice adaptative (o creștere a lungimii părului) sunt induse chiar înainte de apariția vremii reci, adaptarea la care este benefică pentru organism.
Termenul „epigenetică” (precum și „peisaj epigenetic”) a fost propus ca un derivat al cuvintelor „genetică” și al cuvântului aristotelic „ epigeneză ”. Autorul ipotezei despre „modificările epigenetice ale cromozomilor ” este biologul rus Nikolai Konstantinovici Koltsov [5] [6] [7] [8] , care a susținut-o cu ipoteza sa timpurie despre metilarea genomului (1915) [9] . Experimental, fenomenul a fost modelat de studentul lui Koltsov I.A.Rapoport (1941) [10] . Termenul de „epigenetică” a fost popularizat de biologul englez Conrad Waddington [11] [2] . În plus, psihologul Erik Erickson a folosit termenul de „epigenetică” în teoria sa asupra dezvoltării psihosociale, cu toate acestea, definiția acestuia nu are nicio legătură directă cu terminologia biologică [12] .
În anii 1930 și 40, când acest termen a intrat în uz științific [8] , natura fizică a genelor nu era pe deplin cunoscută, așa că a folosit-o ca model conceptual al modului în care genele pot interacționa cu mediul lor pentru a forma un fenotip.
Robin Holliday a definit epigenetica ca „studiul mecanismelor de control temporal și spațial al activității genelor în timpul dezvoltării organismelor” [13] . Astfel, termenul „epigenetică” poate fi folosit pentru a descrie orice factori interni care influențează dezvoltarea unui organism, cu excepția secvenței ADN în sine.
Utilizarea modernă a cuvântului în discursul științific este mai restrânsă. Prefixul grecesc epi- din cuvânt implică factori care influențează „pe deasupra” sau „pe lângă” factori genetici, ceea ce înseamnă că factorii epigenetici acționează în plus față de sau în plus față de factorii genetici tradiționali ai eredității.
Cea mai des folosită definiție a epigeneticii astăzi a fost introdusă de A. Riggs ( Arthur D. Riggs ) în anii 90 ai secolului XX și este formulată ca „studiul modificărilor moștenite mitotic și/sau meiotic în funcția genelor care nu pot fi explicate prin modificări ale secvenței ADN” [14] .
Asemănarea cu cuvântul „genetică” a dat naștere la multe analogii în utilizarea termenului. "Epigenom" este analog termenului "genom" și definește starea epigenetică globală a celulei. Metafora „codului genetic” a fost, de asemenea, adaptată, iar termenul „cod epigenetic” este folosit pentru a descrie setul de caracteristici epigenetice care produc fenotipuri diverse în celule diferite. Este folosit pe scară largă termenul „epimutație”, care se referă la o modificare a epigenomului normal cauzată de factori sporadici, transmisi într-un număr de generații de celule.
Baza moleculară a epigeneticii este complexă și nu afectează structura primară a ADN-ului, ci modifică activitatea anumitor gene [15] [2] . Aceasta explică de ce numai genele necesare activității lor specifice sunt exprimate în celule diferențiate ale unui organism multicelular. O caracteristică a modificărilor epigenetice este că acestea sunt păstrate în timpul diviziunii celulare. Se știe că majoritatea modificărilor epigenetice se manifestă numai în timpul vieții unui singur organism. În același timp, dacă a apărut o modificare a ADN-ului la un spermatozoid sau un ou, atunci unele manifestări epigenetice pot fi transmise de la o generație la alta [16] .
Cel mai bine studiat mecanism epigenetic până în prezent este metilarea bazelor citozinelor ADN . Studiile intensive ale rolului metilării în reglarea expresiei genetice, inclusiv în timpul îmbătrânirii, au început în anii 1970 prin munca de pionierat a lui B. F. Vanyushin și G. D. Berdyshev și colab. Procesul de metilare a ADN-ului constă în adăugarea unei grupări metil la citozină ca parte a unei dinucleotide CpG la poziția C5 a inelului de citozină. Metilarea ADN-ului este în principal inerentă eucariotelor. La om, aproximativ 1% din ADN-ul genomic este metilat. Trei enzime sunt responsabile de procesul de metilare a ADN-ului, numite ADN metiltransferaze 1, 3a și 3b (DNMT1, DNMT3a și DNMT3b). Se sugerează că DNMT3a și DNMT3b sunt metiltransferaze de novo care modelează profilul de metilare a ADN-ului în stadiile incipiente de dezvoltare, în timp ce DNMT1 menține metilarea ADN-ului în etapele ulterioare ale vieții unui organism. Enzima DNMT1 are o afinitate mare pentru 5-metilcitozină. Când DNMT1 găsește un „situs semimetilat” (un situs în care citozina este metilată pe o singură catenă de ADN), metilează citozina de pe a doua catenă în același loc. Funcția metilării este de a activa/inactiva o genă. În cele mai multe cazuri, metilarea regiunilor promotoare ale unei gene duce la suprimarea activității genei. S-a demonstrat că chiar și modificări minore ale gradului de metilare a ADN-ului pot schimba semnificativ nivelul de expresie a genelor.
Deși modificările aminoacizilor în histone apar în întreaga moleculă de proteină, modificările N-tail apar mult mai frecvent. Aceste modificări includ: fosforilare , ubiquitinare , acetilare , metilare , sumoilare . Acetilarea este cea mai studiată modificare a histonelor. Astfel, acetilarea lizinelor 14 și 9 ale histonei H3 (H3K14ac și respectiv H3K9ac) de către acetiltransferază se corelează cu activitatea transcripțională în această regiune a cromozomului. Acest lucru se datorează faptului că acetilarea lizinei își schimbă sarcina pozitivă în neutră, făcând imposibilă legarea acesteia de grupările fosfat încărcate negativ din ADN. Ca rezultat, histonele sunt detașate de ADN, ceea ce duce la atașarea complexului SWI/SNF și a altor factori de transcripție la ADN-ul gol care declanșează transcripția. Acesta este modelul „cis” de reglare epigenetică.
Histonele sunt capabile să își mențină starea modificată și să acționeze ca un șablon pentru modificarea noilor histone care se leagă de ADN după replicare .
Factorii epigenetici afectează activitatea de exprimare a anumitor gene la mai multe niveluri, ceea ce duce la o modificare a fenotipului unei celule sau organism. Unul dintre mecanismele unei astfel de influențe este remodelarea cromatinei. Cromatina este un complex de ADN cu proteine, în principal cu proteine histonice . Histonele formează nucleozomul , în jurul căruia este înfășurat ADN-ul, rezultând compactarea acestuia în nucleu. Intensitatea expresiei genelor depinde de densitatea nucleozomilor din regiunile exprimate activ ale genomului . Cromatina fără nucleozomi se numește cromatina deschisă . Remodelarea cromatinei este un proces de modificare activă a „densității” nucleozomilor și a afinității histonelor pentru ADN.
Proteinele prionice au o structură tridimensională anormală și sunt capabile să catalizeze transformarea structurală a proteinelor normale omoloage într-o proteină similară (prion) prin atașarea la proteina țintă și modificarea conformației acesteia. De regulă, starea prionică a unei proteine este caracterizată prin tranziția elicelor α ale proteinei la straturile β. Prionii sunt singurii agenți infecțioși care se reproduc fără participarea acizilor nucleici. Ei efectuează singura modalitate cunoscută de a transfera informații de la proteină la proteină.
În celulele ciliate identice genetic , cum ar fi Tetrahymena și Paramecium , a fost demonstrată moștenirea diferențelor în natura organizării rândurilor de cili pe suprafața celulei. Un model modificat experimental poate fi transferat celulelor fiice. Este probabil ca structurile existente să acționeze ca șabloane pentru structuri noi. Mecanismele unei astfel de moșteniri nu sunt clare, dar există motive de a crede că organismele multicelulare au și sisteme de moștenire structurală [17] [18] .
Recent, s-a atras multă atenție studiului rolului în reglarea activității genetice a ARN-ului mic necodant (miARN) [19] [20] . MicroARN-urile pot modifica stabilitatea și translația ARNm prin legarea complementară la regiunea 3’-netradusă a ARNm.
Moștenirea epigenetică în celulele somatice joacă un rol important în dezvoltarea unui organism multicelular. Genomul tuturor celulelor este aproape același; în același timp, un organism multicelular conține celule diferit diferențiate care percep semnalele de mediu în moduri diferite și îndeplinesc funcții diferite. Factorii epigenetici sunt cei care asigură „memoria celulară” [15] .
Atât fenomenele genetice, cât și cele epigenetice au un impact semnificativ asupra sănătății umane. Se știe că mai multe boli apar din cauza metilării anormale a genelor, precum și din cauza hemizigozității pentru o genă supusă amprentei genomice . Terapiile epigenetice sunt în prezent dezvoltate pentru a trata aceste boli prin țintirea epigenomului și corectarea anomaliilor. Pentru multe organisme, a fost dovedită relația dintre activitatea de acetilare/deacetilare a histonelor și durata de viață. Poate că aceleași procese afectează speranța de viață a oamenilor.
Deși epigenetica este considerată în principal în contextul memoriei celulare somatice, există și o serie de efecte epigenetice transgenerative în care modificările genetice sunt transmise descendenților. Spre deosebire de mutații, modificările epigenetice sunt reversibile și pot fi eventual direcționate (adaptative) [15] . Deoarece majoritatea dispar după câteva generații, pot fi doar adaptări temporare. Problema posibilității influenței epigeneticii asupra frecvenței mutațiilor într-o anumită genă este, de asemenea, discutată activ [21] . S-a demonstrat că familia APOBEC/AID de proteine citozin deaminazei este implicată atât în moștenirea genetică, cât și în cea epigenetică, folosind mecanisme moleculare similare. Peste 100 de cazuri de fenomene epigenetice transgenerative au fost găsite în multe organisme [22] .
Unele boli umane sunt asociate cu amprentarea genomică , un fenomen în care alelele unei gene au un profil diferit de metilare în funcție de sexul părintelui din care provin. Cele mai cunoscute cazuri de boli legate de imprimare sunt sindromul Angelman și sindromul Prader-Willi . Motivul dezvoltării ambelor este o ștergere parțială în regiunea 15q [23] . Acest lucru se datorează prezenței amprentei genomice la acest loc.
Marcus Pembrey și colab. au descoperit că nepoții (dar nu nepoatele) bărbaților care au fost afectați de foamete în Suedia în secolul al XIX-lea erau mai puțin predispuși la boli cardiovasculare, dar mai susceptibili la diabet, despre care autorul crede că este un exemplu de moștenire epigenetică [24] .
Multe substanțe au proprietățile cancerigene epigenetice: duc la o creștere a incidenței tumorilor fără a prezenta un efect mutagen (de exemplu, arsenitul de dietilstilbestrol, hexaclorbenzen, compuși de nichel). Mulți teratogene , în special dietilstilbestrolul, au un efect specific asupra fătului la nivel epigenetic [25] [26] [27] .
Modificările în acetilarea histonelor și metilarea ADN-ului duc la dezvoltarea cancerului de prostată prin modificarea activității diferitelor gene. Activitatea genelor în cancerul de prostată poate fi influențată de dietă și stilul de viață [28] .
În 2008, Institutul Național de Sănătate din SUA a anunțat că 190 de milioane de dolari vor fi cheltuiți pentru cercetarea epigenetică în următorii 5 ani. Potrivit unora dintre cercetătorii care au condus finanțarea, epigenetica poate juca un rol mai mare decât genetica în tratamentul bolilor umane.
În ultimii ani, s-a acumulat o mare cantitate de dovezi că procesele epigenetice joacă un rol important în etapele ulterioare ale vieții. În special, odată cu îmbătrânirea apar modificări ample ale profilurilor de metilare [2] . Se presupune că aceste procese sunt sub control genetic. De obicei, cel mai mare număr de baze de citozină metilate se observă în ADN izolat de la embrioni sau animale nou-născute, iar acest număr scade treptat odată cu vârsta. O scădere similară a metilării ADN-ului a fost găsită în limfocitele cultivate de la șoareci, hamsteri și oameni. Are un caracter sistematic, dar poate fi specific țesuturilor și genelor. De exemplu, Tra et al. (Tra et al., 2002), când au comparat peste 2000 de loci din limfocitele T izolate din sângele periferic al nou-născuților, precum și al persoanelor de vârstă mijlocie și înaintată, a relevat că 23 dintre acești loci suferă hipermetilare și 6 hipometilare odată cu vârsta. , și modificări similare în natura metilării au fost găsite și în alte țesuturi: pancreas, plămâni și esofag. S-au găsit distorsiuni epigenetice pronunțate la pacienții cu progerie Hutchinson-Gilford .
Se sugerează că demetilarea odată cu vârsta duce la rearanjamente cromozomiale datorită activării elementelor genetice transpozabile ( MGE ), care sunt de obicei suprimate prin metilarea ADN-ului (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Scăderea sistematică a metilării legată de vârstă poate fi, cel puțin parțial, cauza multor boli complexe care nu pot fi explicate folosind concepte genetice clasice.
Un alt proces care are loc în ontogenie în paralel cu demetilarea și afectează procesele de reglare epigenetică este condensarea cromatinei (heterocromatinizarea), care duce la scăderea activității genetice odată cu vârsta. Într-o serie de studii, modificările epigenetice dependente de vârstă au fost demonstrate și în celulele germinale; direcția acestor schimbări, aparent, este specifică genei.
O dovadă importantă a importanței metilării ADN-ului a fost dezvoltarea ceasurilor epigenetice , cu ajutorul cărora a devenit posibil nu numai să se calculeze vârsta biologică a unui organism cu o acuratețe incredibilă, indiferent de parametrii săi fiziologici, ci și să se identifice modificări patologice . în ea [29] .
Medicina personalizata | |
---|---|
Secțiuni de date Omix | |
Secțiuni de aplicație | |
Metode | |
Articole similare |
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|