Epigenetica: aspecte teoretice și semnificație practică. Epigenetica: comandantul invizibil al genomului Definirea epigeneticii umane concepte de bază mecanisme

Poate cea mai încăpătoare și în același timp precisă definiție a epigeneticii aparține remarcabilului biolog englez, laureatul Nobel Peter Medawar: „Genetica propune, dar epigenetica dispune”.

Alexey Rzheshevsky Alexander Vaiserman

Știați că celulele noastre au memorie? Ei își amintesc nu numai ce mănânci de obicei la micul dejun, ci și ce au mâncat mama și bunica ta în timpul sarcinii. Celulele tale își amintesc bine dacă faci sport și cât de des bei alcool. Memoria celulelor stochează întâlnirile tale cu virușii și cât de mult ai fost iubit în copilărie. Memoria celulară decide dacă vei fi predispus la obezitate și depresie. În mare parte datorită memoriei celulare, nu suntem ca cimpanzeii, deși avem aproximativ aceeași compoziție a genomului cu ei. Și știința epigeneticii a ajutat la înțelegerea acestei trăsături uimitoare a celulelor noastre.

Epigenetica este o zonă destul de tânără a științei moderne și, până acum, nu este la fel de cunoscută ca genetica „sora” sa. Tradusă din greacă, prepoziția „epi-” înseamnă „deasupra”, „deasupra”, „deasupra”. Dacă genetica studiază procesele care duc la modificări ale genelor noastre, ale ADN-ului, atunci epigenetica studiază modificările activității genelor, în care structura ADN-ului rămâne Ne putem imagina că un „comandant” ca răspuns la stimuli externi, precum alimentația, stresul emoțional, activitatea fizică, dă ordine genelor noastre să crească sau, dimpotrivă, să le slăbească activitatea.

Procesele epigenetice se realizează la mai multe niveluri. Metilarea operează la nivelul nucleotidelor individuale. Următorul nivel este modificarea histonelor, proteine ​​implicate în ambalarea catenelor de ADN. De acest ambalaj depind și procesele de transcripție și replicare a ADN-ului. O ramură științifică separată - epigenetica ARN - studiază procesele epigenetice asociate cu ARN, inclusiv metilarea ARN mesager.

Controlul mutațiilor

Dezvoltarea epigeneticii ca ramură separată a biologiei moleculare a început în anii 1940. Atunci geneticianul englez Conrad Waddington a formulat conceptul de „peisaj epigenetic”, care explică procesul de formare a organismului. Multă vreme s-a crezut că transformările epigenetice sunt caracteristice numai pentru stadiul inițial dezvoltarea corpului și nu sunt observate la vârsta adultă. Cu toate acestea, în ultimii ani, s-a obținut o serie întreagă de dovezi experimentale care au produs un efect bombă în biologie și genetică.

O revoluție în viziunea genetică asupra lumii a avut loc chiar la sfârșitul secolului trecut. O serie de date experimentale au fost obținute în mai multe laboratoare simultan, ceea ce i-a făcut pe geneticieni să se gândească bine. Așadar, în 1998, cercetătorii elvețieni conduși de Renato Paro de la Universitatea din Basel au efectuat experimente cu muștele de fructe, care, din cauza mutațiilor, aveau ochii galbeni. S-a constatat că sub influența creșterii temperaturii la muștele de fructe mutante, descendenții s-au născut nu cu ochi galbeni, ci cu ochi roșii (în mod normal). Au activat un element cromozomial, care a schimbat culoarea ochilor.

Spre surprinderea cercetătorilor, culoarea roșie a ochilor a rămas la descendenții acestor muște încă patru generații, deși nu au mai fost expuși la căldură. Adică trăsăturile dobândite sunt moștenite. Oamenii de știință au fost forțați să tragă o concluzie senzațională: modificările epigenetice induse de stres care nu afectează genomul în sine pot fi reparate și transmise generațiilor următoare.

Dar poate asta se întâmplă doar la Drosophila? Nu numai. Mai târziu s-a dovedit că la om influența mecanismelor epigenetice joacă, de asemenea, un rol foarte important. De exemplu, a fost identificat un model conform căruia predispoziția adulților la diabet de tip 2 poate depinde în mare măsură de luna nașterii lor. Și asta în ciuda faptului că între influența anumitor factori asociați cu perioada anului și apariția bolii în sine, trec 50-60 de ani. Acesta este un exemplu clar al așa-numitei programari epigenetice.

Ce poate lega predispoziția de diabet și data nașterii? Oamenii de știință din Noua Zeelandă Peter Gluckman și Mark Hanson au reușit să formuleze o explicație logică pentru acest paradox. Ei au propus ipoteza nepotrivirii, conform căreia organism în curs de dezvoltare Poate apărea adaptarea „prognostică” la condițiile de mediu așteptate după naștere. Dacă prognoza este confirmată, acest lucru crește șansele organismului de a supraviețui în lumea în care va trăi. Dacă nu, adaptarea devine inadaptare, adică o boală.

De exemplu, dacă în timpul dezvoltării intrauterine fătul primește o cantitate insuficientă de hrană, în el apar modificări metabolice, care vizează stocarea resurselor alimentare pentru utilizare ulterioară, „pentru o zi ploioasă”. Dacă există cu adevărat puțină hrană după naștere, acest lucru ajută organismul să supraviețuiască. Dacă lumea în care o persoană intră după naștere se dovedește a fi mai prosperă decât se prevedea, acest model metabolic „economisit” poate duce la obezitate și diabet de tip 2 mai târziu în viață.

Experimentele conduse în 2003 de oamenii de știință americani de la Universitatea Duke, Randy Jirtle și Robert Waterland, au devenit deja manuale. Cu câțiva ani mai devreme, Jirtle reușise să introducă o genă artificială în șoarecii obișnuiți, ceea ce i-a făcut să se nască galbeni, grasi și bolnavi. După ce au creat astfel de șoareci, Jirtle și colegii săi au decis să verifice: este posibil să-i facă normali fără a elimina gena defectă? S-a dovedit că este posibil: au adăugat acid folic, vitamina B12, colină și metionină în hrana șoarecilor agouti gravide (cum au început să numească șoarecele galben „monstri”) și, ca rezultat, au apărut descendenți normali. Factorii nutriționali au reușit să neutralizeze mutațiile genelor. Mai mult, efectul dietei a persistat și pentru câteva generații ulterioare: pui de șoareci agouti, născuți normali datorită suplimentelor nutritive, au dat ei înșiși la viață șoareci normali, deși alimentația lor era deja normală.

Grupările metil se atașează la bazele citozinei fără a distruge sau a modifica ADN-ul, dar afectând activitatea genelor corespunzătoare. Există, de asemenea, un proces invers - demetilarea, în care grupările metil sunt îndepărtate și activitatea inițială a genelor este restabilită.

Putem spune cu încredere că perioada de sarcină și primele luni de viață sunt cele mai importante în viața tuturor mamiferelor, inclusiv a oamenilor. După cum a spus pe bună dreptate neurologul german Peter Spork: „Sănătatea noastră la bătrânețe este uneori mult mai influențată de dieta mamei noastre în timpul sarcinii decât de hrana în momentul actual al vieții”.

soarta prin moştenire

Cel mai studiat mecanism de reglare epigenetică a activității genelor este procesul de metilare, care constă în adăugarea unei grupări metil (un atom de carbon și trei atomi de hidrogen) la bazele citozinice ale ADN-ului. Metilarea poate influența activitatea genelor în mai multe moduri. În special, grupările metil pot preveni fizic contactul factorului de transcripție (o proteină care controlează procesul de sinteză a ARN mesager pe un șablon ADN) cu regiuni specifice ADN. Pe de altă parte, ele lucrează împreună cu proteinele care leagă metilcitozină, participând la procesul de remodelare a cromatinei, substanța care alcătuiește cromozomii, depozitul de informații ereditare.

Responsabil pentru aleatorie

Aproape toate femeile știu că este foarte important să consumi acid folic în timpul sarcinii. Acidul folic, împreună cu vitamina B12 și aminoacidul metionină, servește ca donor, furnizor de grupe metil necesare desfășurării normale a procesului de metilare. Vitamina B12 și metionina sunt aproape imposibil de obținut dintr-o dietă vegetariană, deoarece se găsesc în principal în produsele de origine animală, așa că dietele de descărcare. viitoare mamă poate fi dăunătoare copilului. Mai recent, s-a descoperit că o deficiență în alimentația acestor două substanțe, precum și acidul folic, poate provoca o încălcare a divergenței cromozomilor la făt. Și acest lucru crește foarte mult riscul de a avea un copil cu sindromul Down, care este de obicei considerat doar un accident tragic.
De asemenea, se știe că malnutriția și stresul în timpul sarcinii modifică în mai rău concentrația unui număr de hormoni în corpul mamei și al fătului - glucocorticoizi, catecolamine, insulină, hormon de creștere etc. Din această cauză, embrionul începe să experimenteze modificări epigenetice negative în celulele hipotalamusului și hipofizarului. Acest lucru este plin de faptul că copilul se va naște cu o funcție distorsionată a sistemului de reglare hipotalamo-hipofizar. Din această cauză, el va fi mai puțin capabil să facă față stresului de o natură foarte diferită: cu infecții, stres fizic și psihic etc. Este destul de evident că, mâncând prost și îngrijorându-se în timpul gestației, mama își face copilul nenăscut un învins vulnerabil din toate părțile.

Metilarea este implicată în multe procese asociate cu dezvoltarea și formarea tuturor organelor și sistemelor la om. Una dintre ele este inactivarea cromozomilor X din embrion. După cum știți, mamiferele de sex feminin au două copii ale cromozomilor sexuali, denumite cromozom X, iar masculii se mulțumesc cu un cromozom X și unul Y, care sunt mult mai mici ca dimensiune și ca cantitate de informații genetice. Pentru a egaliza bărbații și femeile în cantitatea de produse genetice (ARN și proteine) produse, majoritatea genelor de pe unul dintre cromozomii X la femele sunt dezactivate.

Punctul culminant al acestui proces are loc în stadiul de blastocist, când embrionul este format din 50-100 de celule. În fiecare celulă, cromozomul pentru inactivare (patern sau matern) este selectat aleatoriu și rămâne inactiv în toate generațiile ulterioare ale acestei celule. Asociat cu acest proces de „amestecare” cromozomilor paterni și materni este faptul că femeile sunt mult mai puțin susceptibile de a suferi de boli asociate cu cromozomul X.

Metilarea joacă un rol important în diferențierea celulară, procesul prin care celulele embrionare „universale” se dezvoltă în celule specializate în țesuturi și organe. Fibre musculare, țesut osos, celule nervoase - toate apar datorită activității unei părți strict definite a genomului. De asemenea, se știe că metilarea joacă un rol principal în suprimarea majorității soiurilor de oncogene, precum și a unor virusuri.

Metilarea ADN-ului este de cea mai mare importanță practică dintre toate mecanismele epigenetice, deoarece este direct legată de dietă, starea emoțională, activitatea creierului și alți factori externi.

Date care confirmă bine această concluzie au fost obținute la începutul acestui secol de către cercetătorii americani și europeni. Oamenii de știință au examinat oameni în vârstă olandezi născuți imediat după război. Perioada de sarcină a mamelor lor a coincis cu o perioadă foarte grea, când a fost o adevărată foamete în Olanda, în iarna anilor 1944-1945. Oamenii de știință au reușit să stabilească că stresul emoțional puternic și o dietă pe jumătate înfometată a mamelor au avut cel mai negativ impact asupra sănătății viitorilor copii. Născuți cu o greutate mică la naștere, ei au avut de câteva ori mai multe șanse de a suferi de boli de inimă, obezitate și diabet la vârsta adultă decât compatrioții lor născuți cu un an sau doi mai târziu (sau mai devreme).

O analiză a genomului lor a arătat absența metilării ADN-ului tocmai în acele zone în care aceasta asigură siguranța. Sanatate buna. Așadar, la persoanele în vârstă olandeze ale căror mame au supraviețuit foametei, metilarea genei factorului de creștere asemănător insulinei (IGF) a fost semnificativ redusă, din cauza căreia cantitatea de IGF din sânge a crescut. Și acest factor, așa cum este bine cunoscut oamenilor de știință, are o relație inversă cu speranța de viață: cu cât este mai mare nivelul de IGF în organism, cu atât viața este mai scurtă.

Mai târziu, omul de știință american Lambert Lumet a descoperit că, în generația următoare, copiii născuți în familiile acestor olandezi s-au născut și cu o greutate anormal de mică și mai des decât alții sufereau de toate bolile legate de vârstă, deși părinții lor trăiau destul de bine și a mancat bine. Genele și-au amintit informațiile despre perioada de foame a sarcinii bunicilor și le-au transmis nepoților chiar și după o generație.

Genele nu sunt o propoziție

Alături de stres și malnutriție, sănătatea fătului poate fi afectată de numeroase substanțe care distorsionează procesele normale de reglare hormonală. Se numesc „perturbatori endocrini” (distrugători). Aceste substanțe, de regulă, sunt de natură artificială: omenirea le primește industrial pentru nevoile lor.

Cel mai frapant și negativ exemplu este, poate, bisfenol-A, care a fost folosit de mulți ani ca întăritor la fabricarea produselor din plastic. Se găsește în unele tipuri de recipiente din plastic - sticle pentru apă și băuturi, recipiente pentru alimente.

Efectul negativ al bisfenol-A asupra organismului constă în capacitatea de a „distruge” grupările metil libere necesare pentru metilare și de a inhiba enzimele care atașează aceste grupări la ADN. Biologii de la Harvard Medical School au descoperit capacitatea bisfenolului-A de a inhiba maturarea ovulului și, prin urmare, de a duce la infertilitate. Colegii lor de la Universitatea Columbia au descoperit capacitatea bisfenolului-A de a șterge diferențele dintre sexe și de a stimula nașterea descendenților cu înclinații homosexuale. Sub influența bisfenolului, metilarea normală a genelor care codifică receptorii pentru estrogeni, hormonii sexuali feminini, a fost perturbată. Din această cauză, șoarecii masculi s-au născut cu un caracter „femelin”, complazător și calm.

Din fericire, există alimente care au un efect pozitiv asupra epigenomului. De exemplu, consumul regulat de ceai verde poate reduce riscul de cancer, deoarece acesta conține o anumită substanță (epigallocatechin-3-galat), care poate activa genele supresoare tumorale (supresoare) prin demetilarea ADN-ului lor. În ultimii ani, un modulator popular al proceselor epigenetice, genisteina, conținut în produsele din soia. Mulți cercetători leagă conținutul de soia din dieta asiaticilor cu susceptibilitatea lor mai scăzută la anumite boli legate de vârstă.

Studiul mecanismelor epigenetice a ajutat la înțelegerea unui adevăr important: foarte mult în viață depinde de noi. Spre deosebire de informațiile genetice relativ stabile, „semnele” epigenetice pot fi reversibile în anumite condiții. Acest fapt ne permite să mizăm pe metode fundamental noi de combatere a bolilor comune bazate pe eliminarea acelor modificări epigenetice care au apărut la om sub influența factorilor adversi. Utilizarea abordărilor care vizează ajustarea epigenomului ne deschide perspective mari.

), datorită exprimării diferitelor gene în diferite tipuri de celule, se poate realiza dezvoltarea unui organism multicelular format din celule diferențiate. Trebuie remarcat faptul că mulți cercetători sunt încă sceptici cu privire la epigenetică, deoarece admite posibilitatea moștenirii non-genomice ca răspuns adaptativ la schimbările din mediu, ceea ce contrazice paradigma genocentrică dominantă în prezent.

Exemple

Un exemplu de modificări epigenetice la eucariote este procesul de diferențiere celulară. În timpul morfogenezei, celulele stem totipotente formează diverse linii celulare embrionare pluripotente, care, la rândul lor, dau naștere la celule complet diferențiate. Cu alte cuvinte, un ovul fecundat – un zigot – se diferențiază în diferite tipuri de celule, printre care: neuroni, celule musculare, epiteliu, endoteliu vascular etc., prin diviziuni multiple. Acest lucru se realizează prin activarea unor gene, în timp ce în același timp inhibarea altora, prin mecanisme epigenetice.

Un al doilea exemplu poate fi demonstrat la șoarecii de câmp. Toamna, înainte de o răceală, se nasc cu păr mai lung și mai gros 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 blănii este o modificare a gradientului de concentrație de melatonină 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.

Etimologie și definiții

Termenul „epigenetică” (precum și „peisaj epigenetic”) a fost propus de Conrad Waddington în 1942 ca un derivat al cuvintelor genetică și epigeneză. Când Waddington a inventat termenul, natura fizică a genelor nu era pe deplin cunoscută, așa că l-a folosit ca model conceptual pentru modul 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”. 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 „în plus față de” factori genetici, ceea ce înseamnă că factorii epigenetici acționează în plus față de sau în plus față de factorii moleculari tradiționali ai eredității.

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 diverse fenotipuri 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.

Bazele moleculare ale epigeneticii

Baza moleculară a epigeneticii este destul de complexă prin faptul că nu afectează structura ADN-ului, ci modifică activitatea anumitor gene. 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 într-un spermatozoid sau un ovul, atunci unele manifestări epigenetice pot fi transmise de la o generație la alta. Acest lucru ridică întrebarea, pot schimbările epigenetice dintr-un organism să schimbe cu adevărat structura de bază a ADN-ului său? (vezi Evoluție).

În cadrul epigeneticii, sunt studiate pe larg procese precum paramutația, marcarea genetică, imprimarea genomică, inactivarea cromozomului X, efectul de poziție, efectele materne, precum și alte mecanisme de reglare a expresiei genelor.

Studiile epigenetice folosesc o gamă largă de tehnici de biologie moleculară, inclusiv - imunoprecipitarea cromatinei (diverse modificări ale ChIP-on-chip și ChIP-Seq), hibridizarea in situ, enzime de restricție sensibile la metilare, identificarea ADN-adenin metiltransferazei (DamID) și secvențierea bisulfiților . În plus, utilizarea metodelor bioinformatice (epigenetică asistată de computer) joacă un rol din ce în ce mai important.

Mecanisme

Metilarea ADN-ului și remodelarea cromatinei

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 remodulația cromatinei. Cromatina este un complex de ADN cu proteine ​​histonice: ADN-ul este înfășurat în jurul proteinelor histonice, care sunt reprezentate de structuri sferice (nucleozomi), în urma cărora se asigură compactarea acestuia în nucleu. Intensitatea expresiei genelor depinde de densitatea histonelor din regiunile exprimate activ ale genomului. Remodelarea cromatinei este un proces de modificare activă a „densității” nucleozomilor și a afinității histonelor pentru ADN. Se realizează în două moduri descrise mai jos.

Metilarea ADN-ului

Cel mai bine studiat mecanism epigenetic până în prezent este metilarea bazelor citozinei ADN. Începutul unor studii intensive privind rolul metilării în reglarea expresiei genetice, inclusiv în timpul îmbătrânirii, a fost stabilit în anii 70 ai secolului trecut de lucrările de pionierat ale lui Vanyushin B. F. și Berdyshev G. D. și colab. Procesul de metilare a ADN-ului constă în atașarea 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 presupune că DNMT3a și DNMT3b sunt metiltransferaze de novo care realizează formarea unui model de metilare a ADN-ului pe primele etape dezvoltare, în timp ce DNMT1 realizează metilarea ADN-ului în etapele ulterioare ale vieții organismului. Funcția metilării este de a activa/inactiva o genă. În cele mai multe cazuri, metilarea duce la suprimarea activității genelor, în special atunci când regiunile sale promotoare sunt metilate, iar demetilarea duce la activarea acesteia. S-a demonstrat că chiar și modificări minore ale gradului de metilare a ADN-ului pot schimba semnificativ nivelul de expresie genetică.

Modificări ale histonelor

Deși modificările aminoacizilor în histonele apar în întreaga moleculă de proteină, modificările N-tail apar mult mai frecvent. Aceste modificări includ: fosforilarea, ubicuitilarea, acetilarea, metilarea, sumoilarea. Acetilarea este cea mai studiată modificare a histonelor. Astfel, acetilarea lizinelor din coada histonei H3 de către acetiltransferaza K14 și K9 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 legarea complexului SWI/SNF și a altor factori de transcripție la ADN-ul liber care declanșează transcripția. Acesta este modelul „cis” de reglare epigenetică.

Histonele sunt capabile să-și mențină starea modificată și să acționeze ca un șablon pentru modificarea noilor histone care se leagă de ADN după replicare.

Mecanismul de reproducere a semnelor epigenetice este mai înțeles pentru metilarea ADN-ului decât pentru modificările histonelor. Astfel, 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.

prionii

miARN

Recent, s-a atras multă atenție studiului rolului ARN-ului mic de interferență (si-ARN) în reglarea activității genetice a ARN-urilor mici de interferență. ARN-urile care interferează pot modifica stabilitatea și translația ARNm prin modelarea funcției polizomului și a structurii cromatinei.

Sens

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”.

Medicamentul

Atât fenomenele genetice, cât și cele epigenetice au un impact semnificativ asupra sănătății umane. Sunt cunoscute mai multe boli care apar din cauza unei încălcări a metilării genelor, precum și din cauza hemizigozității pentru o genă supusă amprentei genomice. 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.

Evoluţie

Deși epigenetica este considerată în principal în contextul memoriei celulare, există și o serie de efecte epigenetice transgenerative în care modificările genetice sunt transmise descendenților. Spre deosebire de mutații, modificările epigenetice sunt reversibile și posibil dirijate (adaptative). Deoarece majoritatea dispar după câteva generații, pot fi doar adaptări temporare. De asemenea, este discutată în mod activ și posibilitatea influenței epigeneticii asupra frecvenței mutațiilor într-o anumită genă. 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.

Efecte epigenetice la om

Amprenta genomică și boli asociate

Unele boli umane sunt asociate cu amprentarea genomică, un fenomen în care aceleași gene au un model de metilare diferit în funcție de sexul părintelui lor. Cele mai cunoscute cazuri de boli legate de amprentare sunt sindromul Angelman și sindromul Prader-Willi. Motivul dezvoltării ambelor este o ștergere parțială în regiunea 15q. Acest lucru se datorează prezenței amprentarii genomice la acest loc.

Efecte epigenetice transgenerative

Marcus Pembrey și colab. au descoperit că nepoții (dar nu nepoatele) bărbaților care erau predispuși la foamete în Suedia în secolul al XIX-lea erau mai puțin predispuși la boli cardiovasculare, dar mai predispuși la diabet, ceea ce autorul crede că este un exemplu de moștenire epigenetică.

Cancer și tulburări de dezvoltare

Multe substanțe au proprietățile cancerigene epigenetice: duc la o creștere a incidenței tumorilor fără a prezenta un efect mutagen (de exemplu: dietilstilbestrol arsenit, hexaclorbenzen și compuși de nichel). Mulți teratogene, în special dietilstilbestrolul, au un efect specific asupra fătului la nivel epigenetic.

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.

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.

Epigenomul și îmbătrânirea

În ultimii ani, acumulat un numar mare de dovezi că procesele epigenetice joacă un rol important în viața ulterioară. În special, odată cu îmbătrânirea apar modificări ample în modelele de metilare. Se presupune că aceste procese sunt sub control genetic. De obicei, cea mai mare cantitate 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 ale 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 progirie Hutchinson-Gilford.

Se sugerează că demetilarea odată cu vârsta duce la rearanjamente cromozomiale datorită activării elementelor genetice transposabile (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 multora boli complexe care nu poate fi explicat prin 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.

Literatură

• Nessa Carey. Epigenetica: modul în care biologia modernă rescrie înțelegerea noastră despre genetică, boală și ereditate. - Rostov-pe-Don: Phoenix, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Note

1. Noile cercetări leagă modificarea obișnuită a ARN-ului de obezitate
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Epidemiologia epigenetică a bolilor asociate vârstei
4. Holliday, R., 1990. Mecanisme pentru controlul activității genelor în timpul dezvoltării. Biol. Rev. Cambr. Philos. soc. 65, 431-471
5. „Epigenetică”. BioMedicine.org. Accesat 2011-05-21.
6. V.L. Chandler (2007). Paramutație: de la porumb la șoareci. Celula 128(4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501.
7. Jan Sapp, Dincolo de genă. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, „Concepte de organizare: efectul de pârghie al protozoarelor ciliate”. În S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Geneza: Evoluția biologiei Oxford University Press, 2003.
8. Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0.
9. Verdel et al, 2004
10. Matzke, Birchler, 2005
11. O.J. Rando și K.J. Verstrepen (2007). „Scalele de timp ale moștenirii genetice și epigenetice”. Celula 128(4): 655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504 .
12. Jablonka, Eva; Gal Raz (iunie 2009). „Moștenirea epigenetică transgenerațională: prevalență, mecanisme și implicații pentru studiul eredității și evoluției”. 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). „Sindroamele Angelman și Prader-Willi au o deleție cromozomală comună, dar diferă în originea parentală a ștergerii”. Jurnalul American de Genetică Medicală 32(2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235.

Doi gemeni identici masculini identici genetic crescuți în același mediu au prezentat funcții neurologice foarte diferite. Ambii gemeni aveau aceeași mutație în gena adrenoleucodistrofiei X-linked (ALD), cu toate acestea, unul dintre gemeni avea: orbire, probleme de echilibru și pierderea mielinei în creier - caracteristici tipice unei boli neurologice progresive și fatale, apoi cum al doilea geamăn a rămas sănătos. Concluzia investigatorilor care au raportat această situație a fost că „unii factori non-genetici pot fi importanți pentru diferite fenotipuri ADL” (Korenke și colab., 1996). Pentru 1996, aceasta a fost într-adevăr o concluzie foarte importantă, în ciuda faptului că atenția citogeneticii medicale s-a concentrat pe secvența de nucleotide ADN. Dacă variațiile fenotipice nu pot fi explicate prin secvența de nucleotide ADN, atunci ele pot fi explicate prin factori externi. Similar cu gemenii identici discordanți cu ALD, mulți gemeni identici s-au dovedit a fi discordanți pentru schizofrenie, în ciuda faptului că sunt similare. conditii externeîn care au crescut (Petronis, 2004). Din fericire, cercetările din ultimul deceniu au concentrat în sfârșit atenția asupra modificărilor epigenetice (modificări ale informațiilor genetice care nu afectează secvența de nucleotide a ADN-ului) ca o potențială explicație pentru fenotipurile discordante la gemeni identici și la indivizi care, dintr-un motiv sau altul, au aceleași modificări în secvența ADN (Dennis, 2003; Fraga și colab., 2005).

Modificările epigenetice controlează modelele de expresie a genelor într-o celulă. Aceste modificări sunt stabile și ereditare, astfel încât celula hepatică mamă, după diviziune, va da cu siguranță naștere altor celule hepatice. În cazul celulelor care nu se divizează, cum ar fi neuronii, adaptarea regiunilor cromozomiale prin modificări ale cromatinei oferă un mecanism pentru menținerea (conservarea) informațiilor epigenetice și, eventual, mediarea răspunsului reproductibil al neuronilor la stimuli specifici. Epigenotipul (starea epigenetică a locusului genomic) este stabilit pe baza prezenței sau absenței metilării ADN-ului, modificărilor cromatinei și a unei varietăți de activități ARN necodante care necesită clarificări suplimentare.

La mamifere, metilarea ADN-ului, semnalul epigenetic cel mai bine studiat, are loc predominant la dinucleotidele CpG simetrice de carbon-5. Starea de metilare a ADN-ului este menținută după diviziunea celulară prin activitatea ADN-metiltransferazei 1, care metilează dinucleotidele hemimetilate CpG în celulele fiice. Modificările cromatinei includ modificări covalente post-translaționale ale „cozilor” histonelor amino-terminale proeminente prin adăugarea de acetil, metil, fosfat, ubiquitină sau alte grupări la acestea. Modificările de metil pot fi mono-, di- sau tri-metilare. Aceste modificări constituie un potențial „cod de histonă” care stă la baza unei structuri cromatinei specifice, care, la rândul său, influențează expresia genelor învecinate. Deoarece cromatina este alcătuită din catene dens de ADN înfășurate în jurul histonelor, modelul de pliere a ADN-ului în cromatină stă la baza modificărilor activității genelor, fără îndoială. Deși codurile histonelor și structurile cromatinei pot fi transmise stabil de la celulele părinte la cele fiice, mecanismele care stau la baza replicării unor astfel de structuri nu sunt pe deplin înțelese. Epigenotipul prezintă plasticitate în timpul dezvoltării embrionare și postnatal, în funcție de factorii de mediu și de experiența de viață (vezi mai jos „Interacțiunea epigenetică-mediu”); astfel, nu este de mirare că epigenotipurile pot contribui nu numai la tulburările dezvoltării embrionare umane, ci și la patologia postnatală și chiar la bolile adulte. O clasă de molecule descoperită relativ recent care joacă un rol în semnalul epigenetic sunt moleculele de ARN necodante. Timp de mulți ani, clasa de ARN non-codificator de proteine ​​(ARNnc) a inclus numai ARN-uri de transport, ribozomal și spliceosome. Cu toate acestea, datorită disponibilității secvențelor de nucleotide din genomul unei varietăți mari de organisme, precum și datorită studiilor genetice moleculare între specii (de la Escherichia coli la oameni), lista de ARNnc s-a extins, iar acest lucru a dus la identificarea a sute de ARNnc mici, inclusiv ARN nucleolar mic (ARN nucleolar mic - snoRNA), miARN (micro ARN - miARN), ARN cu interferență scurtă (ARN cu interferență scurtă - siRNA) și ARN dublu catenar mic. Unele dintre aceste molecule mici de ARN reglează modificările cromatinei, imprimarea, metilarea ADN-ului și tăcere transcripțională, care sunt discutate în detaliu în capitolul „Asamblarea ARNi și heterocromatinei”.

Prima dovadă certă a rolului pe care epigenetica îl joacă în boala umană a venit după înțelegerea amprentei genomice și după constatarea că unele gene sunt reglementate de acest mecanism (Reik, 1989). Imprimarea genomică este o formă de reglare epigenetică în care expresia unei gene depinde dacă gena este moștenită de la mamă sau de la tată. Astfel, expresia inegală a alelelor materne și paterne are loc în locusul diploid imprimat. În fiecare generație, mărcile de amprentă specifice părintelui trebuie șterse, „repornite” și menținute, făcând astfel locurile de amprentă vulnerabile la orice fel de eroare care poate apărea în timpul acestui proces. Greșeli precum mutațiile genelor care codifică proteinele care sunt implicate în metilarea ADN-ului, legarea de ADN-ul metilat și modificările histonelor, toate contribuie la o clasă de tulburări în creștere rapidă care afectează

Epigenetica este o ramură relativ recentă a științei biologice și nu este încă la fel de cunoscută ca genetica. Este înțeles ca o secțiune a geneticii care studiază modificările ereditare ale activității genelor în timpul dezvoltării unui organism sau a diviziunii celulare.

Modificările epigenetice nu sunt însoțite de o rearanjare a secvenței de nucleotide în acidul dezoxiribonucleic (ADN).

În organism, există diverse elemente de reglare în genomul însuși care controlează activitatea genelor, inclusiv în funcție de factori interni și externi. Multă vreme, epigenetica nu a fost recunoscută, deoarece existau puține informații despre natura semnalelor epigenetice și mecanismele de implementare a acestora.

Structura genomului uman

În 2002, ca rezultat al multor ani de eforturi ale unui număr mare de oameni de știință tari diferite a fost finalizată descifrarea structurii aparatului ereditar uman, care este închis în molecula principală de ADN. Aceasta este una dintre realizările remarcabile ale biologiei la începutul secolului al XXI-lea.

ADN-ul care conține toată informația genetică despre un anumit organism se numește genom. Genele sunt secțiuni separate care ocupă o parte foarte mică a genomului, dar în același timp formează baza acestuia. Fiecare genă este responsabilă de transmiterea informațiilor despre structura acidului ribonucleic (ARN) și a proteinei din corpul uman. Structurile care transmit informații ereditare se numesc secvențe de codificare. Ca urmare a Proiectului Genome, au fost obținute date, conform cărora genomul uman a fost estimat la peste 30.000 de gene. În prezent, datorită apariției unor noi rezultate ale spectrometriei de masă, se estimează că genomul conține aproximativ 19.000 de gene.

Informația genetică a fiecărei persoane este conținută în nucleul celulei și este localizată în structuri speciale numite cromozomi. Fiecare celulă somatică conține două seturi complete de cromozomi (diploizi). În fiecare set unic (haploid) există 23 de cromozomi - 22 obișnuiți (autozomi) și un cromozom sexual - X sau Y.

Moleculele de ADN conținute în toți cromozomii fiecărei celule umane sunt două lanțuri polimerice răsucite într-o dublă helix obișnuită.

Ambele lanțuri se țin reciproc cu patru baze: adenină (A), citozină (C), guanină (G) și tiamină (T). Mai mult, baza A de pe un lanț se poate conecta doar cu baza T de pe celălalt lanț și, în mod similar, baza D se poate conecta cu baza C. Acesta se numește principiul împerecherii bazelor. În alte cazuri, împerecherea încalcă întreaga integritate a ADN-ului.

ADN-ul există ca un complex strâns cu proteine ​​specializate și împreună formează cromatina.

Histonele sunt nucleoproteine, constituentul principal al cromatinei. Ele tind să formeze noi substanțe prin unirea a două elemente structurale într-un complex (dimer), care este o caracteristică pentru modificarea și reglarea epigenetică ulterioară.

ADN-ul, care stochează informația genetică, se auto-replica (se dublează) cu fiecare diviziune celulară, adică își face copii exacte (replicare). În timpul diviziunii celulare, legăturile dintre cele două catene ale dublei helix ADN sunt rupte și firele helixului sunt separate. Apoi, pe fiecare dintre ele este construită o catenă fiică de ADN. Ca rezultat, molecula de ADN se dublează, se formează celule fiice.

ADN-ul servește ca șablon pe care are loc sinteza diferitelor ARN (transcripție). Acest proces (replicare și transcripție) se desfășoară în nucleele celulelor și începe cu o regiune a genei numită promotor, de care se leagă complexele proteice, copiend ADN-ul pentru a forma ARN-ul mesager (ARNm).

La rândul său, acesta din urmă servește nu numai ca purtător al informațiilor ADN, ci și ca purtător al acestei informații pentru sinteza moleculelor proteice pe ribozomi (proces de traducere).

În prezent se știe că regiunile genei umane care codifică proteine ​​(exoni) ocupă doar 1,5% din genom. Majoritatea genomului nu are nimic de-a face cu genele și este inert în ceea ce privește transferul de informații. Regiunile identificate ale unei gene care nu codifică proteine ​​sunt numite introni.

Prima copie a ARNm obținută din ADN conține întregul set de exoni și introni. După aceea, complexele proteice specializate îndepărtează toate secvențele de introni și conectează exonii între ei. Acest proces de editare se numește splicing.

Epigenetica explică unul dintre mecanismele prin care o celulă este capabilă să controleze sinteza proteinei pe care o produce, determinând mai întâi câte copii de ARNm pot fi făcute din ADN.

Deci, genomul nu este o bucată de ADN înghețată, ci o structură dinamică, un depozit de informații care nu poate fi redus la o singură genă.

Dezvoltarea și funcționarea celulelor individuale și a organismului în ansamblu nu sunt programate automat într-un singur genom, ci depind de mulți factori interni și externi diferiți. Odată cu acumularea de cunoștințe, se dovedește că în genomul însuși există mai multe elemente de reglementare care controlează activitatea genelor. Acest lucru este acum confirmat în multe studii experimentale pe animale.

Când se împart în timpul mitozei, celulele fiice pot moșteni de la părinți nu numai informații genetice directe sub forma unei noi copii a tuturor genelor, ci și un anumit nivel al activității lor. Acest tip de moștenire a informațiilor genetice se numește moștenire epigenetică.

Mecanisme epigenetice de reglare a genelor

Subiectul epigeneticii este studiul moștenirii activității genelor care nu este asociată cu o modificare a structurii primare a ADN-ului lor. Modificările epigenetice au ca scop adaptarea organismului la condițiile în schimbare ale existenței sale.

Termenul de „epigenetică” a fost propus pentru prima dată de geneticianul englez Waddington în 1942. Diferența dintre mecanismele genetice și epigenetice ale moștenirii constă în stabilitatea și reproductibilitatea efectelor.

Trăsăturile genetice sunt fixate pe termen nelimitat până când apare o mutație în genă. Modificările epigenetice sunt de obicei afișate în celule pe durata de viață a unei generații a unui organism. Când aceste modificări sunt transmise generațiilor următoare, ele pot fi reproduse în 3-4 generații, iar apoi, dacă dispare factorul stimulator, dispar aceste transformări.

Baza moleculară a epigeneticii este caracterizată prin modificarea aparatului genetic, adică activarea și reprimarea genelor care nu afectează secvența primară a nucleotidelor ADN.

Reglarea epigenetică a genelor se realizează la nivelul transcripției (timpul și natura transcripției genelor), în timpul selecției ARNm matur pentru transportul lor către citoplasmă, în timpul selecției ARNm în citoplasmă pentru translație pe ribozomi, destabilizarea anumite tipuri de ARNm în citoplasmă, activarea selectivă, inactivarea moleculelor proteice după eliberarea lor.sinteză.

Colecția de markeri epigenetici este epigenomul. Modificările epigenetice pot influența fenotipul.

Epigenetica joacă un rol important în funcționarea celulelor sănătoase, asigurând activarea și reprimarea genelor, în controlul transpozonilor, adică a regiunilor ADN care se pot mișca în interiorul genomului, precum și în schimbul de material genetic în cromozomi.

Mecanismele epigenetice sunt implicate în imprimarea genomică (imprinting) - proces în care expresia anumitor gene se realizează în funcție de părintele din care provin alelele. Amprentarea se realizează prin procesul de metilare a ADN-ului în promotori, în urma căruia transcripția genelor este blocată.

Mecanismele epigenetice asigură lansarea proceselor în cromatina prin modificări ale histonelor și metilarea ADN-ului. În ultimele două decenii, ideile despre mecanismele de reglare a transcripției eucariote s-au schimbat semnificativ. Modelul clasic presupune că nivelul de exprimare este determinat de factorii de transcripție care se leagă de regiunile reglatoare ale genei, care inițiază sinteza ARN-ului mesager. Histonelor și proteinelor non-histone li sa atribuit rolul unei structuri de împachetare pasive pentru a asigura împachetarea compactă a ADN-ului în nucleu.

Studiile ulterioare au arătat rolul histonelor în reglarea traducerii. A fost descoperit așa-numitul cod al histonelor, adică o modificare a histonelor care nu este aceeași în diferite regiuni ale genomului. Codurile histonelor modificate pot duce la activarea și reprimarea genelor.

Diverse părți ale structurii genomului suferă modificări. La reziduurile terminale pot fi atașate grupări metil, acetil, fosfat și molecule de proteine ​​mai mari.

Toate modificările sunt reversibile și pentru fiecare există enzime care o instalează sau o îndepărtează.

Metilarea ADN-ului

La mamifere, metilarea ADN-ului (un mecanism epigenetic) a fost studiată înaintea altora. S-a demonstrat că se corelează cu represiunea genică. Datele experimentale arată că metilarea ADN-ului este un mecanism de protecție care suprimă o parte semnificativă a genomului de natură străină (virusuri etc.).

Metilarea ADN-ului într-o celulă controlează toate procesele genetice: replicarea, repararea, recombinarea, transcripția, inactivarea cromozomului X. Grupările metil perturbă interacțiunea ADN-proteină, împiedicând legarea factorilor de transcripție. Metilarea ADN-ului afectează structura cromatinei, blochează represorii transcripționali.

Într-adevăr, o creștere a nivelului de metilare a ADN-ului se corelează cu o creștere relativă a conținutului de ADN necodificare și repetitiv în genomul eucariotelor superioare. Datele experimentale arată că acest lucru se datorează faptului că metilarea ADN-ului servește în primul rând ca mecanism de apărare pentru a suprima o mare parte a genomului de origine străină (tranzitorii replicate, secvențe virale, alte secvențe repetitive).

Profilul de metilare – activare sau inhibare – variază în funcție de factorii de mediu. Influența metilării ADN-ului asupra structurii cromatinei este de mare importanță pentru dezvoltarea și funcționarea corp sanatos, pentru a suprima o parte semnificativă a genomului de origine străină, adică elemente tranzitorii replicate, secvențe virale și alte secvențe repetitive.

Metilarea ADN-ului are loc printr-o reacție chimică reversibilă a bazei azotate - citozină, în urma căreia gruparea metil CH3 este atașată de carbon pentru a forma metilcitozină. Acest proces este catalizat de enzimele ADN-metiltransferazei. Metilarea citozinei necesită guanină, rezultând două nucleotide separate prin fosfat (CpG).

Acumularea de secvențe CpG inactive se numește insule CpG. Acestea din urmă sunt reprezentate inegal în genom. Cele mai multe dintre ele se găsesc în promotorii de gene. Metilarea ADN-ului are loc în promotorii genelor, în regiunile transcrise și, de asemenea, în spațiile intergenice.

Insulele hipermetilate provoacă inactivarea genelor, ceea ce perturbă interacțiunea proteinelor reglatoare cu promotorii.

Metilarea ADN-ului are un impact uriaș asupra expresiei genelor și, în cele din urmă, asupra funcției celulelor, țesuturilor și a organismului în ansamblu. S-a stabilit o relație directă între nivel inalt Metilarea ADN-ului și numărul de gene reprimate.

Îndepărtarea grupărilor metil din ADN ca urmare a absenței activității metilazei (demetilare pasivă) are loc după replicarea ADN-ului. Cu demetilarea activă, este implicat un sistem enzimatic care transformă 5-metilcitozină în citozină, indiferent de replicare. Profilul de metilare se modifică în funcție de factorii de mediu în care se află celula.

Pierderea capacității de a menține metilarea ADN-ului poate duce la imunodeficiență, tumori maligne si alte boli.

Multă vreme, mecanismul și enzimele implicate în procesul de demetilare activă a ADN-ului au rămas necunoscute.

Acetilarea histonelor

Există un număr mare de modificări post-translaționale ale histonelor care formează cromatina. În anii 1960, Vincent Alfrey a identificat acetilarea și fosforilarea histonelor din multe eucariote.

Enzimele de acetilare și deacetilare a histonelor (acetiltransferaze) joacă un rol în cursul transcripției. Aceste enzime catalizează acetilarea histonelor locale. Histone deacetilazele reprimă transcripția.

Efectul acetilării este slăbirea legăturii dintre ADN și histone din cauza unei modificări a sarcinii, în urma căreia cromatina devine accesibilă factorilor de transcripție.

Acetilarea este adăugarea unei grupări chimice acetil (aminoacid lizină) la un situs de histonă liber. La fel ca metilarea ADN-ului, acetilarea lizinei este un mecanism epigenetic pentru modificarea expresiei genelor fără a afecta secvența genei originale. Modelul prin care apar modificări ale proteinelor nucleare a ajuns să fie numit codul histonelor.

Modificările histonelor sunt fundamental diferite de metilarea ADN-ului. Metilarea ADN-ului este o intervenție epigenetică foarte stabilă, care este mai probabil să fie fixată în majoritatea cazurilor.

Marea majoritate a modificărilor histonelor sunt mai variabile. Acestea afectează reglarea expresiei genelor, menținerea structurii cromatinei, diferențierea celulelor, carcinogeneza, dezvoltarea bolilor genetice, îmbătrânirea, repararea ADN-ului, replicarea și traducerea. Dacă modificările histonelor sunt benefice pentru celulă, atunci pot dura destul de mult timp.

Unul dintre mecanismele de interacțiune dintre citoplasmă și nucleu este fosforilarea și/sau defosforilarea factorilor de transcripție. Histonele au fost printre primele proteine ​​care au fost fosforilate. Acest lucru este realizat de protein kinaze.

Factorii de transcripție fosforilați controlează genele, inclusiv genele care reglează proliferarea celulară. Cu astfel de modificări, apar modificări structurale în moleculele proteinelor cromozomiale, care duc la modificări funcționale ale cromatinei.

În plus față de modificările post-translaționale ale histonelor descrise mai sus, există proteine ​​mai mari, cum ar fi ubiquitina, SUMO și altele, care pot fi atașate printr-o legătură covalentă la grupările amino laterale ale proteinei țintă, afectând activitatea acestora.

Modificările epigenetice pot fi moștenite (moștenirea epigenetică transgenerativă). Totuși, spre deosebire de informația genetică, modificările epigenetice se pot reproduce în 3-4 generații, iar în absența unui factor care să stimuleze aceste modificări, acestea dispar. Transferul de informații epigenetice are loc în procesul de meioză (diviziunea celulară cu reducerea la jumătate a numărului de cromozomi) sau mitoză (diviziunea celulară).

Modificările histonelor joacă un rol fundamental în procesele și bolile normale.

ARN reglatori

Moleculele de ARN îndeplinesc multe funcții în celulă. Una dintre ele este reglarea expresiei genelor. ARN-urile de reglementare responsabile pentru această funcție includ ARN-uri antisens (ARNa), microARN-uri (miARN-uri) și ARN-uri mici de interferență (siRNA-uri).

Mecanismul de acțiune al diferitelor ARN-uri reglatoare este similar și constă în suprimarea expresiei genelor, care se realizează prin atașarea complementară a ARN-ului reglator la ARNm, cu formarea unei molecule dublu-catenar (dsARN). Prin ea însăși, formarea ARNdc duce la întreruperea legării ARNm de ribozom sau de alți factori de reglare, suprimând translația. De asemenea, după formarea unui duplex, este posibilă manifestarea fenomenului de interferență ARN - enzima Dicer, după ce a găsit ARN dublu catenar în celulă, îl „taie” în fragmente. Unul dintre lanțurile unui astfel de fragment (siARN) este legat de complexul proteic RISC (ARN-induced silenting complex).

Ca rezultat al activității RISC, un fragment de ARN monocatenar se leagă la o secvență complementară a unei molecule de ARNm și determină tăierea ARNm de către o proteină din familia Argonaute. Aceste evenimente conduc la suprimarea expresiei genei corespunzătoare.

Funcțiile fiziologice ale ARN-urilor de reglare sunt diverse - aceștia acționează ca principalii regulatori non-proteici ai ontogeniei și completează schema „clasică” de reglare a genelor.

Amprenta genomică

O persoană are două copii ale fiecărei gene, dintre care una moștenită de la mamă, cealaltă de la tată. Ambele copii ale fiecărei gene au capacitatea de a fi active în orice celulă. Imprimarea genomică este expresia epigenetic selectivă a numai uneia dintre genele alelice moștenite de la părinți. Amprenta genomică afectează atât descendenții masculini, cât și feminini. Astfel, o genă imprimată activă pe cromozomul matern va fi activă pe cromozomul matern și „tăcută” pe cromozomul patern la toți copiii de sex masculin și feminin. Genele imprimate genomic codifică în principal factorii care reglează creșterea embrionară și neonatală.

Imprimarea este un sistem complex care se poate defecta. Amprentarea se observă la mulți pacienți cu deleții cromozomiale (pierderea unei părți a cromozomilor). Sunt cunoscute boli care apar la om din cauza unei defecțiuni a mecanismului de imprimare.

prionii

În ultimul deceniu, s-a atras atenția asupra prionilor, proteine ​​care pot provoca modificări fenotipice moștenite fără modificarea secvenței nucleotidelor ADN. La mamifere, proteina prionică este localizată pe suprafața celulelor. În anumite condiții, forma normală a prionilor se poate modifica, ceea ce modulează activitatea acestei proteine.

Wikner și-a exprimat convingerea că această clasă de proteine ​​este una dintre multele care constituie un nou grup de mecanisme epigenetice care necesită studii suplimentare. Poate fi în stare normală, iar într-o stare alterată, proteinele prionice se pot răspândi, adică devin infecțioase.

Prionii au fost descoperiți inițial ca agenți infecțioși de un nou tip, dar acum sunt considerați a fi un fenomen biologic general și sunt purtători ai unui nou tip de informații stocate în conformația proteinei. Fenomenul prion stă la baza moștenirii epigenetice și a reglarii expresiei genelor la nivel post-traducțional.

Epigenetica în medicina practică

Modificările epigenetice controlează toate etapele de dezvoltare și activitatea funcțională a celulelor. Încălcarea mecanismelor de reglare epigenetică este asociată direct sau indirect cu multe boli.

Bolile cu etiologie epigenetică includ bolile de amprentare, care la rândul lor sunt împărțite în gene și cromozomiale, în prezent existând 24 de nosologii în total.

În bolile de amprentare a genelor, expresia monoalelică este observată în loci cromozomilor unuia dintre părinți. Motivul este mutațiile punctuale ale genelor care sunt exprimate diferențial în funcție de originea maternă și paternă și conduc la metilarea specifică a bazelor citozinei în molecula de ADN. Printre acestea se numără: sindromul Prader-Willi (deleție în cromozomul 15 patern) – manifestat prin dismorfism cranio-facial, statură mică, obezitate, hipotensiune musculară, hipogonadism, hipopigmentare și retard mintal; Sindromul Angelman (deleția unei regiuni critice situată în al 15-lea cromozom matern), ale cărui principale caracteristici sunt microbrahicefalie, maxilar inferior mărit, limbă proeminentă, macrostomie, dinți rari, hipopigmentare; Sindromul Beckwith-Wiedemann (tulburare de metilare la brațul scurt al cromozomului 11), manifestat prin triada clasică, incluzând macrosomia, macroglosia omfalocel etc.

Printre cei mai importanți factori care influențează epigenomul sunt nutriția, activitate fizica, toxine, viruși, radiații ionizante etc. O perioadă deosebit de sensibilă la modificările epigenomului este perioada prenatală (care acoperă în special două luni după concepție) și primele trei luni după naștere. În timpul embriogenezei timpurii, genomul înlătură majoritatea modificărilor epigenetice primite de la generațiile anterioare. Dar procesul de reprogramare continuă pe tot parcursul vieții.

Unele tipuri de tumori, diabet zaharat, obezitate, astm bronsic, diverse boli degenerative și alte boli .

Epigonul în cancer se caracterizează prin modificări globale ale metilării ADN-ului, modificarea histonelor, precum și modificări ale profilului de expresie al enzimelor care modifică cromatina.

Procesele tumorale sunt caracterizate prin inactivarea prin hipermetilare a genelor supresoare cheie și prin hipometilare prin activarea unui număr de oncogene, factori de creștere (IGF2, TGF) și elemente mobile repetate situate în regiunile heterocromatinei.

Astfel, în 19% din cazurile de tumori hipernefroide ale rinichilor, ADN-ul insular CpG a fost hipermetilat, iar în cancerul de sân și carcinomul pulmonar non-mici, s-a găsit o relație între nivelurile de acetilare a histonelor și expresia supresoarelor tumorale - cu cât nivelurile de acetilare sunt mai scăzute, cu atât expresia genelor este mai slabă.

În prezent, au fost deja dezvoltate și puse în practică medicamente antitumorale bazate pe suprimarea activității ADN-metiltransferazei, ceea ce duce la o scădere a metilării ADN-ului, la activarea genelor supresoare de creștere a tumorii și la încetinirea proliferării celulelor tumorale. Deci, pentru tratamentul sindromului mielodisplazic în terapia complexă, se utilizează medicamentele decitabină (Decitabină) și azacitidină (Azacitidine). Din 2015, pentru tratamentul mielomului multiplu în combinație cu chimioterapia clasică, a fost utilizat panobinostat (Panibinostat), care este un inhibitor al histonei deacitilază. Aceste medicamente conform cercetare clinica au un efect pozitiv pronunțat asupra nivelului de supraviețuire și a calității vieții pacienților.

Modificări în expresia anumitor gene pot apărea și ca urmare a acțiunii factorilor de mediu asupra celulei. În dezvoltarea diabetului zaharat de tip 2 și a obezității, joacă un rol așa-numita „ipoteză a fenotipului economic”, conform căreia lipsa de nutrienți în procesul de dezvoltare embrionară duce la dezvoltarea unui fenotip patologic. La modelele animale, a fost identificată o regiune ADN (locus Pdx1), în care, sub influența malnutriției, nivelul de acetilare a histonelor a scăzut, în timp ce a existat o încetinire a diviziunii și diferențierea afectată a celulelor B ale insulelor Langerhans și dezvoltarea unei afecțiuni similare cu diabetul zaharat de tip 2.

Capacitățile de diagnostic ale epigeneticii se dezvoltă, de asemenea, în mod activ. Apar noi tehnologii care pot analiza modificările epigenetice (nivelul de metilare ADN, expresia microARN, modificări post-translaționale ale histonelor etc.), cum ar fi imunoprecipitarea cromatinei (CHIP), citometria în flux și scanarea laser, ceea ce sugerează că biomarkerii vor fi identificați în viitorul apropiat să studieze bolile neurodegenerative, bolile rare, multifactoriale și neoplasme maligneși implementate ca metode diagnostic de laborator.

Deci, în prezent, epigenetica se dezvoltă rapid. Este asociat cu progresul în biologie și medicină.

Literatură

1. Ezkurdia I., Juan D., Rodriguez J. M. et al. Mai multe componente de dovezi sugerează că ar putea exista până la 19.000 de gene care codifică proteine ​​umane // Human Molecular Genetics. 2014, 23(22): 5866-5878.
2. Consorțiul Internațional de Secvențiere a Genomului Uman. Secvențierea și analiza inițială a genomului uman // Natura. februarie 2001 409 (6822): 860-921.
3. Xuan D., Han Q., Tu Q. et al. Modularea epigenetică în parodontită: interacțiunea adiponectinei și axa JMJD3-IRF4 în macrofage // Journal of Cellular Physiology. mai 2016 231(5): 1090-1096.
4. Waddington C.H. Epigenotpye // Efortul. 1942; 18-20.
5. Bochkov N.P. Genetica clinica. M.: Geotar.Med, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C.D. Traducerea codului histonelor // Știință. 2001, 10 aug; 293 (5532): 1074-1080.
7. Kovalenko T.F. Metilarea genomului mamiferelor // Medicină moleculară. 2010. Nr 6. S. 21-29.
8. Alice D., Jenuwein T., Reinberg D. Epigenetica. M.: Technosfera, 2010.
9. Taylor P.D., Poston L. Programarea dezvoltării obezității la mamifere // Fiziologie experimentală. 2006. Nr 92. P. 287-298.
10. Lewin b. Genele. M.: BIOM, 2012.
11. Plasschaert R. N., Bartolomei M. S. Amprenta genomică în dezvoltare, creștere, comportament și celule stem // Dezvoltare. mai 2014 141(9): 1805-1813.
12. Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D. et al. Genetica prionilor: noi reguli pentru un nou tip de genă // Annu Rev Genet. 2004; 38:681-707.
13. Mutovin G. R. Genetica clinica. Genomica și proteomica patologiei ereditare: manual. indemnizatie. Ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare 2010.
14. Romantsova T. I. Epidemia de obezitate: evidentă și cauze probabile// Obezitate și metabolism. 2011, nr.1, p. 1-15.
15. Begin P., Nadeau K.C. Reglarea epigenetică a astmului și a bolilor alergice // Allergy Asthma Clin Immunol. 28 mai 2014; 10(1):27.
16. Martínez J. A., Milagro F. I., Claycombe K. J., Schalinske K. L. Epigenetica în țesutul adipos, obezitatea, pierderea în greutate și diabetul // Progrese în nutriție. 2014, 1 ian; 5(1): 71-81.
17. Dawson M.A., Kouzarides T. Epigenetica cancerului: de la mecanism la terapie // Celulă. 2012, 6 iul; 150(1): 12-27.
18. Kaminskas E., Farrell A., Abraham S., Baird A. Rezumat aprobări: azacitidină pentru tratamentul subtipurilor de sindrom mielodisplazic // Clin Cancer Res. 2005, 15 mai; 11(10): 3604-3608.
19. Laubach J. P., Moreau P., San-Miguel J..F, Richardson P. G. Panobinostat pentru tratamentul mielomului multiplu // Clin Cancer Res. 2015, 1 nov; 21(21): 4767-4773.
20. Bramswig N. C., Kaestner K. H. Epigenetica și tratamentul diabetului: o promisiune nerealizată? // Tendințe Endocrinol Metab. iunie 2012 23(6):286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C. M., Ozanne S. E., Constância M. Programarea epigenetică de dezvoltare și de mediu a pancreasului endocrin: consecințe pentru diabetul de tip 2 // Cell Mol Life Sci. 2013, mai; 70(9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X. et al. Abordări microscopice citometrice în flux și scanare cu laser în cercetarea epigenetică // Metode Mol Biol. 2009; 567:99-111.

V. V. Smirnov 1 doctor Stiinte Medicale, Profesor
G. E. Leonov

FGBOU VO RNIMU lor. N. I. Pirogov Ministerul Sănătății al Federației Ruse, Moscova