Indhold
- Epigenetik: Definition og oversigt
- Sådan fungerer Epigenetic Modification
- Epigenetiske begrænsninger til DNA-adgang
- Yderligere epigenetiske histonmodifikationer
- RNA kan forstyrre genekspression
- DNA-methylering er en vigtig faktor i genekspression
- Epigenetiske eksempler: Sygdomme
- Epigenetiske eksempler: Opførsel
Den genetiske information for en organisme er kodet i organismenes kromosomers DNA, men der er andre påvirkninger på arbejdet. DNA-sekvenserne, der udgør et gen, er muligvis ikke aktive, eller de kan være blokeret. En organisms egenskaber bestemmes af dens gener, men hvorvidt generne rent faktisk skaber den kodede egenskab kaldes genekspression.
Mange faktorer kan påvirke genekspression ved at bestemme, om genet producerer dets egenskaber overhovedet eller nogle gange kun svagt. Når genekspression er påvirket af hormoner eller enzymer, kaldes processen genregulering.
Epigenetik studerer molekylærbiologien for genregulering og den anden epigenetiske påvirkninger på genekspression. Grundlæggende er enhver påvirkning, der ændrer effekten af DNA-sekvenser uden at ændre DNA-koden, et emne for epigenetik.
Epigenetik: Definition og oversigt
Epigenetik er den proces, gennem hvilken genetiske instruktioner indeholdt i DNA fra organismer påvirkes af ikke-genetiske faktorer. Den primære metode til epigenetiske processer er kontrol af genekspression. Nogle kontrolmekanismer er midlertidige, men andre er mere permanente og kan arves via epigenetisk arv.
Et gen udtrykker sig ved at lave en kopi af sig selv og indsætte kopien ud i cellen for at fremstille det protein, der er kodet i dets DNA-sekvenser. Proteinet, enten alene eller i kombination med andre proteiner, producerer en specifik organismeegenskab. Hvis genet blokeres for at producere proteinet, vises organismernes karakteristika ikke.
Epigenetics ser på, hvordan genet kan blokeres for at producere sit protein, og hvordan det kan tændes igen, hvis det er blokeret. Blandt de mange epigenetiske mekanismer der kan påvirke genekspression er følgende:
Epigenetik undersøger, hvordan gener udtrykkes, hvad der påvirker deres ekspression og mekanismerne, der kontrollerer gener. Det ser på påvirkningslaget over det genetiske lag og på, hvordan dette lag bestemmer epigenetiske ændringer i, hvordan en organisme ser ud, og hvordan den opfører sig.
Sådan fungerer Epigenetic Modification
Selvom alle celler i en organisme har det samme genom, har cellerne forskellige funktioner baseret på, hvordan de regulerer deres gener. På organismeniveau kan organismer have den samme genetiske kode, men ser og opfører sig anderledes. For mennesker, for eksempel har identiske tvillinger det samme menneskelige genom, men vil se og opføre sig lidt anderledes, afhængigt af epigenetiske ændringer.
Sådanne epigenetiske effekter kan variere afhængigt af mange interne og eksterne faktorer, herunder følgende:
Hver af disse kan være epigenetiske faktorer, der fremmer eller forstyrrer genekspression i cellerne. Sådan epigenetisk kontrol er en anden måde at regulere genekspression uden at ændre den underliggende genetiske kode.
I begge tilfælde ændres den samlede genekspression. De interne og eksterne faktorer er enten nødvendige til genekspression, eller de kan blokere et af trinnene. Hvis en påkrævet faktor, såsom et enzym, der er nødvendigt til proteinproduktion, er fraværende, produceres ikke proteinet.
Hvis der er en blokerende faktor, kan den tilsvarende genekspressionstrin ikke fungere, og ekspressionen af det relevante gen blokeres. Epigenetik betyder, at et træk, der er kodet i DNA-sekvenserne af et gen, muligvis ikke vises i organismen.
Epigenetiske begrænsninger til DNA-adgang
Genomet er kodet i tynde, lange molekyler af DNA-sekvenser, der skal vikles tæt i en kompliceret kromatinstruktur for at passe ind i små cellekerner.
For at udtrykke et gen kopieres DNA'et via a transkription mekanisme. Den del af en DNA-dobbelt helix, der indeholder genet, der skal udtrykkes, afvikles lidt, og et RNA-molekyle fremstiller en kopi af DNA-sekvenserne, der udgør genet.
DNA-molekylerne vikles omkring specielle proteiner kaldet histoner. Histonerne kan ændres, så DNA'et vikles mere eller mindre tæt.
Sådan histon modifikationer kan resultere i, at DNA-molekyler vikles så tæt, at transkriptionsmekanismen, der består af specielle enzymer og aminosyrer, ikke kan nå det gen, der skal kopieres. Begrænsning af adgang til et gen gennem histonmodifikation resulterer i epigenetisk kontrol af genet.
Yderligere epigenetiske histonmodifikationer
Ud over at begrænse adgangen til gener kan histonproteiner ændres for at binde mere eller mindre tæt til de DNA-molekyler, der er viklet omkring dem i kromatinstrukturen. Sådanne histonmodifikationer påvirker transkriptionsmekanismen, hvis funktion er at fremstille en RNA-kopi af generne, der skal udtrykkes.
Histonmodifikationer, der påvirker genekspression på denne måde, inkluderer følgende:
Når histoner ændres for at øge binding, transkriberes den genetiske kode for et specifikt gen, og genet udtrykkes ikke. Når bindingen reduceres, kan der fremstilles flere genetiske kopier, eller de kan gøres lettere. Det specifikke gen udtrykkes derefter mere og mere af dets kodede protein produceres.
RNA kan forstyrre genekspression
Efter at DNA-sekvenserne af et gen er kopieret til en RNA-sekvens, forlader RNA-molekylet kernen. Proteinet kodet i den genetiske sekvens kan fremstilles af småcellefabrikker kaldet ribosomer.
Virksomhedskæden er som følger:
De to nøglefunktioner i et RNA-molekyle er transkription og translation. Ud over det RNA, der bruges til at kopiere og overføre DNA-sekvenserne, kan celler producere interferens RNA eller iRNA. Dette er korte tråde af RNA-sekvenser, der kaldes ikke-kodende RNA fordi de ikke har nogen sekvenser, der koder for gener.
Deres funktion er at forstyrre transkription og translation, hvilket reducerer genekspression. På denne måde har iRNA en epigenetisk virkning.
DNA-methylering er en vigtig faktor i genekspression
Under DNA-methylering kaldes enzymer DNA-methyltransferaser bind methylgrupper til DNA-molekyler. For at aktivere et gen og starte transkriptionsprocessen skal et protein fastgøres til DNA-molekylet nær starten. Methylgrupperne anbringes på de steder, hvor et transkriptionsprotein normalt ville binde sig, hvilket blokerer transkriptionsfunktionen.
Når celler deler sig, kopieres DNA-sekvenserne fra cellernes genom i en kaldet proces DNA-replikation. Den samme proces bruges til at skabe sædceller og ægceller i højere organismer.
Mange af de faktorer, der regulerer genekspression, går tabt, når DNA'et kopieres, men en masse af DNA-methyleringsmønstrene er repliceret i de kopierede DNA-molekyler. Dette betyder, at reguleringen af genekspression forårsaget af DNA-methylering kan nedarves selvom de underliggende DNA-sekvenser forbliver uændrede.
Da DNA-methylering reagerer på epigenetiske faktorer, såsom miljø, diæt, kemikalier, stress, forurening, livsstilsvalg og stråling, kan de epigenetiske reaktioner fra eksponering for sådanne faktorer arves gennem DNA-methylering. Det betyder, at et individ ud over genealogiske påvirkninger er formet af forældrenes adfærd og de miljøfaktorer, som de blev udsat for.
Epigenetiske eksempler: Sygdomme
Celler har gener, der fremmer celledeling såvel som gener, der undertrykker hurtig, ukontrolleret cellevækst, såsom i tumorer. Gener, der forårsager vækst af tumorer kaldes onkogener og de der forhindrer tumorer kaldes tumorundertrykkende gener.
Humane kræftformer kan være forårsaget af den forøgede ekspression af oncogener kombineret med den blokerede ekspression af tumorundertrykkende gener. Hvis DNA-methyleringsmønsteret, der svarer til dette genekspression, arves, kan afkommet have en øget følsomhed for kræft.
I tilfælde af tyktarmskræft, kan et defekt DNA-methyleringsmønster overføres fra forældre til afkom. Ifølge en undersøgelse fra 1983 og papir fra A. Feinberg og B. Vogelstein, viste DNA-methyleringsmønsteret hos kolorektale kræftpatienter øget methylering og blokering af tumorundertrykkende gener med en nedsat methylering af onkogener.
Epigenetik kan også bruges til at hjælpe behandle genetiske sygdomme. I fragilt X-syndrom mangler et X-kromosomgen, der producerer et vigtigt regulatorisk protein. Fraværet af proteinet betyder, at BRD4-proteinet, som hæmmer intellektuel udvikling, produceres i overskud på en ukontrolleret måde. Lægemidler, der inhiberer ekspressionen af BRD4, kan bruges til at behandle sygdommen.
Epigenetiske eksempler: Opførsel
Epigenetik har en stor indflydelse på sygdom, men det kan også påvirke andre organismetræk såsom adfærd.
I en undersøgelse fra 1988 ved McGill University observerede Michael Meany, at rotter, hvis mødre plejede dem ved at slikke og være opmærksomme på dem, udviklede sig til rolige voksne. Rotter, hvis mødre ignorerede dem, blev ængstelige voksne. En analyse af hjernevæv viste, at mødrenes opførsel forårsagede ændringer i methylering af hjerneceller hos babyrotter. Forskellene i rotteafkom var resultatet af epigenetiske effekter.
Andre undersøgelser har set på effekten af hungersnød. Da mødre blev udsat for hungersnød under graviditeten, som det var tilfældet i Holland i 1944 og 1945, havde deres børn en højere forekomst af fedme og koronar sygdom sammenlignet med mødre, der ikke blev udsat for hungersnød. De højere risici blev sporet til reduceret DNA-methylering af et gen, der producerer en insulinlignende vækstfaktor. Sådan epigenetiske effekter kan arves over flere generationer.
Effekter fra adfærd, der kan overføres fra forældre til børn og fremover, kan omfatte følgende:
Disse virkninger er resultaterne af ændringer i DNA-methylering, der overføres til afkom, men hvis disse faktorer kan ændre DNA-methylering hos forældre, kan de faktorer, som børnene oplever, ændre deres egen DNA-methylering. I modsætning til den genetiske kode kan DNA-methylering hos børn ændres ved opførsel og miljøeksponering i senere liv.
Når DNA-methylering påvirkes af opførsel, kan methylmærkerne på DNA, hvor methylgrupperne kan fastgøre, ændre og påvirke genekspression på den måde. Selvom mange af de undersøgelser, der beskæftiger sig med genekspression, stammer fra mange år siden, er det først for nylig, at resultaterne er forbundet med en voksende mængde af epigenetisk forskning. Denne undersøgelse viser, at epigenetikens rolle kan have en så stærk indflydelse på organismer som den underliggende genetiske kode.