Epigenetica este studiul modificărilor în expresia genelor. Expresia (modificarea activității genelor) are loc prin metilarea ADN- ului , acetilarea histonelor și modificarea micro-ARN . Modificările epigenetice de acest fel pot fi moștenite și apoi afectează evoluția . Cercetările moderne sunt în desfășurare activ și a devenit deja clar că epigenetica are o mare influență asupra tuturor organismelor vii . [unu]
Metilarea ADN-ului este procesul prin care grupările metil sunt atașate la o moleculă de ADN . Metilarea modifică activitatea unui segment de ADN fără a modifica secvența ADN-ului în sine (adică nu provoacă mutații). Histonele sunt proteine care se găsesc în nucleele celulelor. Ei împachetează și ordonează ADN-ul în nucleozomi . Metilarea ADN-ului și modificarea histonelor sunt două mecanisme epigenetice care reglează expresia genelor la plante. Metilarea ADN-ului poate fi un proces stabil în timpul diviziunii celulare, care permite metilarea genelor să fie transmisă acelorași gene din genom . Metilarea ADN-ului, cu ajutorul demetilazei, poate deveni un proces reversibil. Modificarea histonelor este, de asemenea, un proces reversibil, cu îndepărtarea acetil histonelor de către deacetilază . Diferențele interspecifice ale plantelor datorate factorilor de mediu sunt asociate cu diferența dintre speciile de plante anuale și perene. Fiecare plantă are în cele din urmă propriile răspunsuri adaptative individuale. [2]
Formele de metilare a histonelor determină suprimarea anumitor gene, aceste modificări sunt moștenite stabil prin mitoză , dar pot fi șterse în timpul meiozei în timp. Perioadele de înflorire expuse la temperaturi scăzute de iarnă la această plantă demonstrează acest efect de metilare. Metilarea histonelor este implicată în suprimarea exprimării inhibitorului (supresorului) de înflorire în timpul apariției vremii reci. În guma de un an a lui Talya, metilarea histonelor similare este moștenită stabil prin mitoză, după revenirea la o perioadă caldă. Acest lucru permite plantei să înflorească continuu primăvara și vara până când îmbătrânește. Cu toate acestea, la plantele perene înrudite, modificarea histonelor dispare rapid după o creștere a temperaturii și permite, dimpotrivă, creșterea efectului inhibitorului și limitarea înfloririi la un interval scurt; pentru o plantă perenă, aceasta este o modalitate de depozitare. nutrienți pentru anul următor. Astfel, modificările epigenetice ale histonelor controlează o trăsătură adaptativă cheie a trifoiului lui Tal și, în același timp, modificarea se modifică rapid în cursul evoluției, fiind strategii de reproducere cu succes. [3]
Alte experimente au testat mecanismele epigenetice ale lui Tal pentru sensibilitatea la secetă, lipsa de nutrienți. Pentru experiment au fost selectate plante cu genomul cel mai asemănător. Plantele plasate în diferite condiții au arătat o ereditabilitate semnificativă a epigeneticii adaptive. Trăsăturile care au fost produse prin metilare și au fost importante pentru supraviețuire au fost transmise cu succes în timpul reproducerii. Metilarea ADN-ului a dat o distribuție diferită a rădăcinilor, rezistență la secetă, plasticitate la diferite tipuri de nutrienți. Acest lucru sugerează că numai variația și adaptarea epigenetică duce la o evoluție rapidă. [2]
Modificările induse de stres în metilarea ADN- ului sunt moștenite la păpădiile asexuate . Plantele asemănătoare genetic au fost supuse unor stresuri de mediu diferite. iar apoi urmașii lor au fost crescuți într-un mediu ecologic calm. Multe dintre stresurile de mediu au cauzat metilarea genomului și aceste modificări au fost transmise următoarei generații de păpădie. S-a ajuns la concluzia că o astfel de moștenire permite plantelor să aibă o plasticitate ridicată pentru supraviețuirea plantelor în orice condiții, de la umiditate ridicată până la secete și incendii. [3]
Paramutarea genei b1 la porumb. Gena b1 codifică un factor de transcripție major care este implicat în sinteza antocianilor . Când gena BI este exprimată, plantele acumulează antociani în țesuturile lor, rezultând o culoare violetă a plantei. Alela BI are o expresie ridicată a b1 care duce la pigmentarea întunecată a membranelor și a cojilor. În timp ce alela B are o expresie scăzută a b1, ceea ce duce la o pigmentare scăzută în aceste țesuturi. Când părinții homozigoți BI sunt crescuți cu părinți homozigoți B', descendenții lor F1 prezintă o pigmentare scăzută. Acest lucru se datorează „tăcerii” genei b1. Când plantele F1 sunt încrucișate, descendenții lor F2 prezintă o pigmentare scăzută și au niveluri scăzute de expresie b1. [4] [5] [6] [7]
Orice plantă F2, atunci când este încrucișată cu o plantă homozigotă BI, va produce descendenți care vor avea pigmentare scăzută și expresie b1. Absența descendenților F2 pigmentați întuneric este un exemplu de moștenire non-mendeliană , iar studiile ulterioare au arătat că alela BI este convertită în B' prin mecanisme epigenetice mai degrabă decât prin modificări ale secvenței ADN și mutații ale genelor. [4] [6] [5] [7]
Alelele B' și BI sunt identice în secvența ADN, dar diferă în metilarea ADN-ului și interacțiunile cromozomiale intranucleare. Ocazional, apare mutația spontană de la BI la B', dar o inversare de la B' la BI (de la verde la violet) nu a avut loc niciodată, deși au existat mii de observații la mii de plante de peste 50 de ani în experimente în seră și pe teren. [opt]
Au fost înregistrate și cazuri confirmate experimental de moștenire epigenetică în orez. Lăstarii de orez au fost supuși la secetă simulată și apoi au prezentat o toleranță crescută la secetă pe parcursul a 11 generații. Rezistența lăstarilor de orez „căliți” în secetă se datorează modificărilor direcționate ale metilării ADN-ului în întregul genom, aceste modificări au fost în cele din urmă moștenite sub formă de metilare ulterioară în fiecare generație de plante. [9] [10] [11]
Într-un alt experiment, plantele au fost atacate de omizi erbivore timp de câteva generații, apoi descendenții acestor plante au manifestat o rezistență mai mare la a fi mâncați de omizi, ADN-ul în ansamblu nu s-a schimbat, dar metilarea genomului din ADN s-a schimbat din nou. Și acele plante care au crescut fără atacuri de omizi nu au fost înzestrate cu astfel de adaptări. [zece]
O comparație a modelelor de metilare CpG între oameni și primate a arătat că există peste 800 de gene la oameni care diferă în modelele lor de metilare la urangutani , gorile , cimpanzei și bonobos . Chiar dacă oamenii și maimuțele numite împărtășesc aceleași gene, diferențele de metilare explică diferența fenotipică dintre oameni și maimuțe și, în general, variabilitatea fenotipică a acelorași gene. Toate aceste gene sunt oarecum responsabile pentru dezvoltarea fizică a oamenilor și a maimuțelor. Drept urmare, oamenii se disting de maimuțe la nivel de genă nu prin secvențe de proteine, ci prin modificări epigenetice ale genelor.
În momentul cercetării, este clar că la om, 171 de gene sunt metilate diferit decât la maimuțe. Gena 101 este, de asemenea, metilata în mod unic la cimpanzei și bonobo. 101 gene sunt metilate la gorile și 450 de gene sunt metilate la urangutani. De exemplu, genele implicate în reglarea tensiunii arteriale și dezvoltarea canalului semicircular al urechii interne sunt foarte metilate la oameni, dar nu și la maimuțe. Sunt cunoscute, de asemenea, 184 de gene, care sunt complet repetate în structura proteinelor la oameni și cimpanzei, dar diferă în condiții epigenetice. Metilarea este cea care face ca o persoană rezonabilă ceea ce este, și nu setul de gene în sine, care până la 99% repetă setul de gene la cimpanzei și alte primate superioare. Aceasta dovedește rolul important al epigeneticii în evoluția oamenilor și a maimuțelor în general [12] .
Sa dovedit că modificările elementelor de reglementare afectează situsurile inițiale ale transcripției genelor . Secvența de ADN 471 este îmbogățită sau epuizată în ceea ce privește metilarea histonelor în H3K4 în cortexul frontal al cimpanzeilor, oamenilor și macacilor. Dintre aceste secvențe, 33 sunt metilate selectiv în cromatina neuronală la copii și adulți. Unul dintre loci care a fost metilat este DPP10. Această genă este, de asemenea, responsabilă pentru adaptarea hominidelor asociate cu o rată mai mare de substituții de nucleotide și o serie de alți parametri de reglementare pe care oamenii îi au și sunt absenți de la alte primate. Reglarea epigenetică a cromatinei TSS a fost identificată ca o dezvoltare importantă în evoluția expresiei genelor în creierul uman. Aceste gene joacă un rol simultan în procesele cognitive și tulburările neurologice la oameni [13]
O analiză a profilurilor de metilare ale spermatozoizilor umani și de primate a arătat că reglarea epigenetică este activă și aici. Celulele de mamifere suferă o reprogramare a modelelor de metilare a ADN-ului în timpul stării embrionare a celulei , metilarea în spermatozoizii umani și cimpanzei poate fi comparată cu metilarea în celulele stem embrionare . S-au găsit multe diferențe de metilare între spermatozoizi și celulele stem embrionare. Mulți dintre promotorii din sperma umană și cimpanzeu au o metilare diferită. Astfel, metilarea diferă între spermatozoizi și celulele stem din același organism și între spermatozoizii umani și de primate. Acest lucru poate indica motivele diferențelor fenotipice dintre primate și Homo sapiens. [13]
În 1998, a fost efectuat un experiment pe Drosophila în Elveția. Omul de știință Renato Paro de la Universitatea din Basel a făcut următoarele - ca urmare a mutațiilor, muștele muștei fructelor aveau ochii galbeni, în mod normal sunt roșii. Dar odată cu creșterea temperaturii mediului, ochii Drosophilei s-au înroșit și apoi s-au născut și descendenții lor cu ochi roșii. S-a constatat că elementul cromozomial a fost activat la muște, a schimbat culoarea ochilor. Acesta este un exemplu de moștenire de către copii a trăsăturilor primite de părinți în timpul vieții. Ochii roșii au fost păstrați și în timpul reproducerii ulterioare încă patru generații, dar aceste generații nu au mai fost expuse efectelor termice. [paisprezece]
AlbineLa albinele Apis mellifera , modificarea fenotipului la nivel epigenetic are loc printr-o schimbare a tipului de hrană. Albinele lucrătoare hrănesc larvele cu lăptișor de matcă . Dar, în același timp, durata hrănirii variază. Acele larve care sunt hrănite cu lăptișor de matcă devin mai mult regine. În cadrul acestor albine apar modificări epigenetice care le deosebesc de albinele lucrătoare simple. Reginele au crescut sinteza hormonilor juvenili și activarea căii de semnalizare TOR, precum și modularea crescută a căii de semnalizare a insulinei. Dovada că tocmai mecanismele epigenetice fac indivizii de albine atât de diferiți este că matca depune ouă absolut identice în faguri . Nu sunt diferiți genetic unul de celălalt. [cincisprezece]
Dronele cresc din ouă nefertilizate . Din cele fertilizate cu ajutorul duratei hrănirii cu lapte se obțin fie mătci, fie albine lucrătoare. Reginele ajung să fie mai mari și trăiesc mult mai mult decât albinele lucrătoare. Diferența dintre speranța de viață a matcii și a albinei lucrătoare ajunge la 100 de ori, albinele lucrătoare trăiesc 15-38 de zile vara, 150-200 de zile iarna. Regina trăiește 1-2 ani. Este alimentația în stadiul larvar care are un efect atât de puternic asupra insectelor și demonstrează clar importanța modificărilor epigenetice de-a lungul vieții în genom. La albine, lăptișorul de matcă stimulează metilarea activă a ADN- ului ; în diverși taxoni, metilarea regiunilor ADN îmbogățite în perechi CG din regiunea promotoare a genei duce la inhibarea transcripției sale . [cincisprezece]
Într-un experiment cu albine , expresia genei Dnmt3 a fost suprimată folosind siARN . Această genă codifică o enzimă care, la rândul său, catalizează metilarea ADN-ului. Drept urmare, 72% dintre femelele eclozate au avut semne de matcă. [16] S-a descoperit că peste 550 de gene sunt metilate în mod diferit în creierul albinelor lucrătoare și reginei. [17] Cele mai mari diferențe au fost găsite în căile de semnalizare a insulinei și hormonilor juvenili , precum și în gena kinazei limfomului anaplazic . Gena kinazei joacă un rol important în reglarea metabolismului . La matci, nivelul de metilare a ADN-ului a crescut de la a doua la a patra zi a stadiului de dezvoltare larvară. La larvele de lucru, metilarea a crescut în toate etapele de dezvoltare. Peste 4.500 de gene sunt metilate diferit atât la rege, cât și la muncitori. Inclusiv diferențe puternice relevate în genele responsabile de stresul hipoxic . Albinele lucrătoare au arătat un nivel mai ridicat de transcriere a factorilor căii de semnalizare hipoxică HIFα/Sima, HIFβ/Tango și PHD/Fatig. Reginele au un nivel mai ridicat de expresie a două gene responsabile de procesul de reparare și prevenire a daunelor oxidative, în timp ce la albinele lucrătoare, activitatea acestor gene este, dimpotrivă, redusă. [cincisprezece]
[18] Studii la șoareci efectuate la Universitatea Duke de Randy Jirtle și Robert Waterland. Oamenii de știință au introdus o genă artificială în șoarecii obișnuiți, din cauza acesteia s-au născut galben, predispuși la obezitate și boli - șoarecii agouti. Apoi, o generație de astfel de șoareci, deja însărcinate, a început să adauge în furaj acid folic , vitamina B12 , colină și metionină . Drept urmare, descendenții sănătoși s-au născut la șoarecii bolnavi, dar gena care i-a făcut agouti nu a dispărut din genom, a fost păstrată, dar a fost înecată prin mecanisme epigenetice, iar epigenetica, la rândul ei, funcționează activ atunci când sus-menționat. substanțele sunt introduse în alimentație. Schimbarea dietei a reușit să schimbe epigenetica genomului și să neutralizeze mutația dăunătoare a genelor. Efectul schimbărilor a fost păstrat în următoarele câteva generații, în timp ce alimentația generațiilor a doua și următoare a fost făcută comună. [14] [19] [20] [21]
Biologii canadieni Michael Meaney și colegii de la Universitatea McGill au condus un experiment numit „lick and groom”. Ei au studiat efectul îngrijirii materne asupra puilor la șobolani. Sobolanii au fost impartiti in doua grupuri. Unii dintre puii de șobolan născuți au fost luați de la mame imediat după naștere. Puii de șobolan care nu au primit îngrijire maternă (inclusiv lins) au crescut nervoși, lipsiți de comunicare și agresiv lași. Toți puii de șobolan care au rămas cu mama lor s-au dezvoltat așa cum ar trebui să fie pentru șobolani - energici, antrenabili, activi social. Au apărut întrebări la ce nivel are loc reacția la îngrijire și neîngrijire la șobolani. Răspunsul a fost obținut în urma analizei ADN. Puii de șobolan înțărcați au experimentat modificări epigenetice negative în genom, în special cei responsabili pentru regiunea hipocampului a creierului . În hipocamp, numărul de receptori pentru hormonii de stres a fost redus. De aici reacția inadecvată a sistemului nervos la orice stimul extern - sunet, temperatură, alți șobolani. Hipocampul producea constant cantități excesive de hormoni de stres . În schimb, la puii de șobolan crescuți de mamele lor, hipocampul a funcționat normal [22] [19] [20]
De asemenea, la șobolani, au fost dezvăluite exemple de comportament diferit al mamelor. Sunt mame care au grija activ de sobolani, sunt cele care, dimpotriva, dedica putin timp copiilor. Drept urmare, acei șobolani care au crescut cu o mamă grijulie, au primit mult linge, curățare, hrănire, au crescut mai puțin fricoși, cu înclinații mai bune pentru învățare și, prin urmare, cu o mai mare adaptare la supraviețuire și reproducere cu succes în continuare. Dimpotrivă, puii de șobolan excesiv de nervoși de la mame nepăsătoare au șanse scăzute de reproducere cu succes . Cea mai importantă perioadă a fost prima săptămână după naștere, în această perioadă sistemul epigenetic al puilor de șobolan este cel mai flexibil și supus modificărilor genomului și, ca urmare, afectează glandele suprarenale , hipotalamusul și glanda pituitară . Șobolanii de la mame grijulii, așezați în situații stresante (atârnat de coadă, coborât într-un recipient cu apă) nu au cedat mult timp, încercând să iasă până la urmă dintr-o situație incomodă, periculoasă.Șobolani care nu au primit. afecțiunea și grija au căzut rapid în apatie, disperare. [19]
Pe parcursul studiului, folosind secvențierea bisulfatului , oamenii de știință au ajuns în regiunea de reglare a receptorului glucocorticoid - exonul 17. La puii de șobolan de la mame îngrijitoare, nu a existat nicio metilare a citozinei în exonul 17. Din acest motiv, gena este transcrisă activ , iar nivelul de acetilare a histonelor este ridicat, ceea ce indică o cromatină activă . La puii de șobolan neglijați, citozina din exonul 17 este metilată și expresia ARNm a acestuia este redusă [19] .
Următorul experiment a arătat că comportamentul matern afectează în mod direct modificările epigenetice ale exonului 17. În perioada de 12 ore după naștere, puii de șobolan au fost luați de la mame, unii au fost dați șobolanilor mame vitrege îngrijitoare , iar alții nu au fost grijulii. Mamele vitrege grijulii nu au avut metilarea citozinelor în exonul 17 și nu diferă de acei șobolani crescuți de propria lor mamă. La mamele vitrege neîngrijitoare, metilarea citozinei în exonul 17 a fost la fel ca la mamele vitrege neîngrijitoare, citozina a fost suprimată, iar exonul 17 a funcționat mult mai rău. Cu toate acestea, o încercare de a compensa pur și simplu metilarea cu substanțe chimice (în special, cu ajutorul unui inhibitor de deacetilază TSA) nu funcționează, ceea ce înseamnă că îngrijirea maternă declanșează sau nu declanșează o cascadă mult mai mare de reacții epigenetice în organism și aceasta nu se limitează doar la acțiunea asupra citozinei în exonul 17, și mai larg în ceea ce privește gama de acțiuni. [19]
La studierea transmiterii modificărilor epigeneticii în funcție de sexul șobolanilor, s-a dovedit că cea mai mare influență este obținută la masculii care au fost crescuți de mame nepăsătoare. Femeile din mame neîngrijitoare s-au descurcat mai bine cu sarcinile și nu au prezentat depresie. Se presupune că hormonii sexuali ai mamelor acționează diferit asupra bărbaților și femeilor. Apoi puii de șobolan au fost înțărcați de la mamele lor în stadiile incipiente ale hrănirii, majoritatea masculii prezentând simptome de comportament anxios. Acești masculi au fost încrucișați cu femele nulipare și, ca urmare, puii de șobolan născuți au primit îngrijire normală și se dezvoltă în intervalul normal. Cu toate acestea, în a doua generație, femelele au început să dea semne de depresie și anxietate, în timp ce bărbații nu, erau normali. În a treia generație, bărbații au manifestat din nou depresie și anxietate. Aceasta indică o moștenire discontinuă, dar destul de lungă a depresiei, cu cel puțin 4 generații înainte și este un exemplu de moștenire epigenetică a trăsăturilor dobândite în timpul vieții indivizilor. Citat: [23] [24]
„ Hipermetilarea insulelor CpG în regiunile de reglare ale genelor MeCP2, CB1 și hipometilarea regiunii de reglare a genei CRFR2 a condus la o scădere a expresiei ARNm a acestor gene. În același timp, nu au existat modificări în metilare. a regiunilor reglatoare ale genelor genei receptorului serotoninei (care joacă un rol semnificativ în dezvoltarea depresiei ) și monoaminooxidazei (catalizand separarea serotoninei ) Modificări ale nivelurilor de metilare care apar simultan în diferite gene sugerează că multe gene afectează comportamentul indivizilor .
Rezultatele acestui studiu sugerează că stresul postnatal afectează nu numai copiii, ci și descendenții mai îndepărtați . " [18]
Pentru oameni, studiile proceselor epigenetice sunt complicate de o serie de factori. Nu este posibil să experimentezi pur și simplu direct. De asemenea, comunitatea umană este un set complex de gene amestecate, influențe climatice, factori culturali, stres , caracteristici nutriționale. Moștenirea ADN-ului clasic poate arăta cu exactitate caracteristicile fenotipice ale oamenilor. Dar ea nu poate explica pe deplin de ce copiii uneori moștenesc de la părinți semne care sunt dobândite în mod clar în timpul vieții și apoi transmise în timpul reproducerii. [25] [26]
Cel mai masiv și mai precis proiect până în prezent este studiul epigeneticii pe exemplul iernii de foamete olandeze din 1944-1945 . Comoditatea acestui exemplu este că oamenii care i-au supraviețuit sunt cunoscuți cu precizie, perioada de timp în care oamenii au murit de foame, plus zona de foame definită cu precizie. 4,4 milioane de oameni au supraviețuit foametei, aceasta a durat din noiembrie 1944 până în mai 1945. Copiii care s-au născut în timpul foametei, după naștere au fost mai puțini decât cei născuți cu un an înainte de foamete. Și scăderea dimensiunii la oameni a durat două generații. Acești copii au un risc crescut de intoleranță la glucoză la vârsta adultă. Studiile au dezvăluit metilarea ADN-ului la acești indivizi, toți născuți din mame care le-au purtat în timpul unei ierni înfometate. Există sugestii că metilarea a provocat o încetinire a genei PIM3, care este responsabilă pentru rata metabolică , și cu cât gena este mai lent, cu atât metabolismul este mai lent. În general, aceste fapte sunt numite sindromul de iarnă foame olandez. [27] [28]
Copiii și nepoții de la mame și bunici care au supraviețuit acestei foamete au avut mai multe boli metabolice, boli cardiovasculare. Erau mai predispuși să aibă schizofrenie , tulburări schizotipale și neurologice . [29] [30] Efectele foametei nu sunt aceleași pentru toți copiii și variază în funcție de gradul de rudenie și liniile de rudenie.
1 - Indicele de masă corporală mai mare la băieți la 9 ani, acesta a fost transmis de la tați.
2 - Fiicele nu aveau un indice de masă corporală crescut la 9 ani, dar au început să fumeze mai devreme .
3 - Foamea bunicului patern este asociată doar cu mortalitatea nepoților (băieți), dar nu și a nepoților (fetelor).
4 - Foamea bunicii paterne era asociată cu mortalitatea nepoatelor.
5 - Alimentația proasta a tatălui și alimentația bună a mamei sunt asociate cu un risc mai scăzut de boli cardiovasculare la copii. [31]
În unele cazuri, a fost observată o pierdere a expresiei în genom, ducând la sindromul Prader-Willi și sindromul Angelman . În cadrul studiului, s-a dovedit că acest lucru este cauzat de modificări epigenetice ale ambelor alele , dar nu de o mutație genetică a ADN-ului. În toate cele 19 cazuri înregistrate de astfel de patologii, acestea sunt în mod clar legate de gradul de rudenie dintre copiii și strămoșii celor care au supraviețuit foametei. În special, tații purtau un cromozom cu o etichetă SNURF-SNRPN mutată matern, care, la rândul său, a fost moștenit de tați de la bunica lor paternă. Modificările epigenetice ale genei MLH1 au fost înregistrate la două persoane, dar nu a existat nicio mutație în gena în sine și, prin urmare, boala sub formă de cancer colorectal ereditar non-polipoz nu a fost înregistrată, iar în cazul unei mutații genetice, aceasta boala apare la om. [27]
S-a stabilit că linia paternă este responsabilă de reglarea greutății la naștere a fiicelor cu risc potențial de a dezvolta cancer de sân . [32] [33]
Modificarea epigenetică a expresiei receptorului de glucocorticoizi este observată la copiii care au suferit abuz, abuz, abuz sexual sau neglijare demonstrativă a copilului de către părinți în copilărie . Acești receptori joacă un rol vital în activitatea hipotalamusului , a glandelor pituitare și suprarenale . Experimentele pe animale indică faptul că schimbările epigenetice depind de relația dintre mamă și copil. De asemenea, bebelușii moștenesc modificări epigenetice de la mame în timpul etapei de gestație . Dacă mamele în timpul sarcinii au fost supuse violenței, stresului, atunci copiii lor au avut modificări epigenetice în gena responsabilă pentru receptorii glucocorticoizi și au fost predispuși la un nivel ridicat de anxietate și au cedat mai ușor stresului. Expunerea la substanța dietilstilbestrol la femei duce la faptul că nepoții până la a treia generație au un risc crescut de a dezvolta tulburare de hiperactivitate cu deficit de atenție . [34] [35] [36] [37] [38]
La om s-a înregistrat corelația lunii de naștere și o predispoziție la diabet de tip 2. În același timp, diferența dintre timpul de influență a factorilor la nașterea unui copil și debutul bolii în sine este în medie de 50-60 de ani. Peter Gluckman și Mark Hanson au formulat această problemă după cum urmează - în organismul în curs de dezvoltare, adaptarea epigenetică are loc la condițiile de mediu care afectează mama care poartă copilul. Dar în cazul unei mișcări sau al unei schimbări a condițiilor de mediu, corpul copilului „greșește” și există riscuri de îmbolnăvire. Deci, dacă un copil în timpul dezvoltării fetale are o lipsă de nutriție, procesele metabolice apar în organism, epigenetica stimulează genele pentru a stoca resurse pentru utilizare ulterioară. Un astfel de copil după naștere, dacă foamea continuă, are șanse mari de supraviețuire, dar dacă nu există foame, riscul său de obezitate, diabet și boli de inimă crește dramatic. [14] [19] [20]
Formarea corpului uman și epigeneticaMecanismele epigenetice (în special metilarea ) de reglare a activității genelor sunt implicate în multe procese asociate cu dezvoltarea și formarea întregului corp uman. Inactivarea cromozomilor X în embrion este o problemă pentru epigenetică, aceasta se datorează faptului că mamiferele de sex feminin au două copii ale cromozomului sexual X, iar masculii au un cromozom X și un cromozom Y. Cromozomul Y este mai mic și poartă mai puțină informație genetică, prin urmare, cu ajutorul metilării, un cromozom X feminin este dezactivat, acest lucru egalizează femelele și masculii în transferul geneticii către descendenți și nu permite moștenirea distorsionată. [39]
După cum știți, dezvoltarea embrionului începe cu o singură celulă zigotă, apoi în stadiul de 32 de celule se formează un blastocist, este format dintr-un trofoblast și un embrioblast, urmat de implantarea în peretele uterin. Fără epigenetică, cu ajutorul ADN-ului și ARN - ului simplu ar fi imposibil să se determine cu exactitate simetria corpului, în ce direcție va crește capul și în ce picioare. În general, epigenetica este responsabilă pentru aceste procese și pentru amestecarea uniformă a genomilor materni și paterni în embrion. În stadiul embrionar de 50-100 de celule, în fiecare celulă, cromozomul (patern sau matern) este oprit prin metilare accidental și rămâne deja inactiv în timpul dezvoltării ulterioare a celulei. [39] [40]
Embrionul aflat în stadiul de dezvoltare primară este format din celule embrionare universale , ele pot deveni orice celulă a corpului - celule ale creierului sau celule ale unghiilor. Reglarea epigenetică a genomului determină ce celulă sau țesut va începe să se formeze și unde. Orice eșec în activitatea epigeneticii duce la patologii sau moartea embrionului, în timp ce ADN-ul însuși poate fi normal, fără patologii și mutații. Dezavantajul metilării este că are legătură directă cu alimentația tatălui și a mamei, mai ales în perioada concepției și gestației. Tulburările emoționale, activitatea creierului mamei, temperatura, foamea, stresul au un impact puternic asupra epigeneticii și metilării ADN-ului la embrion și apoi la copil. [39] [40]
Epigenetica este responsabilă pentru formarea straturilor germinale, aceasta este prima etapă a diviziunii celulare în țesuturi și organe viitoare. Drept urmare, în etapa finală, epigenetica va împărți celulele în aproape două sute de tipuri. Toate acestea sunt rezultatul activării și dezactivării genelor într-o perioadă de timp strict definită. Ca urmare, genele acționează ca programe complet controlate, în timp ce mecanismele epigenetice reglează aceste programe. [40]
ImunitateMecanisme epigenetice – modificarea histonelor prin acetilarea și deacetilarea reziduurilor de lizină, remodelarea cromatinei sunt regulatori de importanță critică a imunității la toți oamenii. Epigenetica este responsabilă pentru toate răspunsurile tuturor celulelor imune la diferite amenințări. În contextul imunității înnăscute, epigenetica reglează separarea celulelor înnăscute de cele mieloide și este responsabilă pentru variația fenotipică a celulelor separate. Celulele imune răspund la antigene și infecții prin cascade transcripționale. Aceste cascade de reacție sunt reglate epigenetic prin modificări ale histonelor, remodelarea cromatinei la nivel de genă, microARN și metilarea ADN-ului. Ca rezultat, citokinele și moleculele antiinfecțioase sunt exprimate ca răspuns la amenințare. Metilarea ADN-ului în contextul imunității înnăscute este mai puțin studiată decât acetilarea histonelor. Se știe că după boli apar modificări semnificative în metilarea ADN-ului în celulele imunității înnăscute. Acțiunea vaccinurilor se bazează pe epigenetica organismului. [41]
Moștenirea epigenetică poate afecta fitness-ul dacă schimbă în mod previzibil trăsăturile unui organism prin selecția naturală. S-a dovedit că stimulii de mediu afectează schimbarea epigenelor. Un astfel de sistem este relativ similar cu ceea ce a sugerat Lamarck, dar nu anulează sistemul darwinian de selecție naturală. Epigenetica oferă unui organism un avantaj într-o schimbare bruscă a mediului (de la foame la temperaturi) și îi permite să supraviețuiască cu mai mult succes la scări mici și medii de timp. În același timp, selecția darwiniană va acționa asupra tuturor organismelor, iar dacă anumite modificări epigenetice nu sunt benefice, indivizii nu vor lăsa urmași. [douăzeci]
La plantele Linaria vulgaris , gena Lcyc controlează simetria florii. Linnaeus a descris flori mutante simetrice radial; ele apar cu o metilare puternică a genei Lcyc. Pentru polenizatori, atât forma, cât și simetria florilor este un factor important, astfel încât astfel de încălcări ale genei Lcyc provoacă consecințe dăunătoare pentru plante. Și la animale, epigenetica nu aduce întotdeauna schimbări benefice. Trăsăturile moștenite pot duce la o susceptibilitate crescută la boli. În special, modificările epigenetice la om conduc la oncologie. Modelele de metilare tumorală în promotorii genei sunt asociate pozitiv cu transmiterea oncologică prin moștenire, în cadrul familiilor. Metilarea genei MSH2 la om este asociată cu cancer colorectal și endometrial cu debut precoce. [42] [43] [44] [45]
Ca experiment, semințele de Arabidopsis thaliana au fost demitilate, ceea ce a cauzat o creștere semnificativă a mortalității, creștere lentă, înflorire lentă și număr scăzut de fructe. Aceste fapte indică faptul că epigenetica poate crește fitness-ul organismelor. Primite ca urmare a stresului din mediu, răspunsurile la stres sunt moștenite și asociate pozitiv cu fitness-ul organismelor. La animale precum șoarecii, epigenetica influențează cuibărirea comunității, creșterea îngrijirii parentale și contactul social și îmbunătățește șansele de supraviețuire ale urmașilor. [46] [47] [48]
Efectele epigenetice moștenite asupra fenotipurilor sunt bine documentate la bacterii, protisti, ciuperci, plante, nematode și muștele de fructe. În general, conform evoluțiilor moderne în experimente, epigenetica joacă un rol mai mare pentru plante decât pentru animale. La animale aflate într-un stadiu incipient (germeni), moștenirea prin mecanismul epigenetic este mai dificilă, în timp ce la plante și ciuperci, celulele somatice pot fi incluse în dezvoltarea embrionară. Există o teorie conform căreia cu cât animalul este mai mare, cu atât trăiește mai mult, cu atât moștenirea epigenetică este mai puțin eficientă, din cauza decalajului de timp mai mare dintre generații. De exemplu, la șoareci, sunt vizibile în mod clar modificările epigenetice benefice care afectează supraviețuirea și adaptarea rapidă la noile condiții. Cu toate acestea, cu cât organismul este mai mare, cu atât este mai dificil pentru acesta să schimbe habitatele, tipul de nutriție, comportamentul sexual și așa mai departe. [49] [50]
Descoperirile epigenetice nu contrazic nici teoria lui Lamarck, nici teoria lui Darwin, ci mai degrabă sunt legate de ambele. De exemplu, Lamarck a postulat că factorii de mediu influențează schimbările în fenotipuri. Astăzi este clar că acest lucru este adevărat, atunci când este expus la mediu, în special în forme extreme (secetă, foamete), modificările epigenetice ale genomului și liniilor germinale sunt intensificate, ceea ce crește diversitatea fenotipică. Teoria lui Darwin a postulat că selecția naturală sporește capacitatea populațiilor supraviețuitoare de a se reproduce cu succes, iar cele mai rapid adaptate la condițiile de mediu în schimbare supraviețuiesc întotdeauna. Darwinismul este astfel în concordanță cu plasticitatea schimbării epigenetice între generații și cu creșterea constantă a diversității fenotipice ca urmare a epigeneticii care sporește transmiterea trăsăturilor dobândite de viață. [25] [51]
Organismele din același loc beneficiază cel mai mult de transmiterea epigenetică a trăsăturilor. Cu cât un organism este mai atașat de un punct, cu atât capacitatea lui de a dispersa genele în alte puncte este mai redusă și, cu cât comportamentul său este mai simplu, cu atât este mai important ca acesta să transmită descendenților trăsăturile epigenetice acumulate în timpul vieții cât mai mult posibil. Acest lucru explică de ce există mai puține organisme epigenetic active într-un mediu în schimbare puțin și mai multe dintre ele într-un mediu în schimbare activ. [25] [51]