relația

  • Editor extern Eva Miadoková
  • 20 februarie 2018

Epigenetica este un domeniu genetic care evoluează progresiv, axat pe studiul mecanismelor responsabile de reglarea expresiei genice. Mecanismele epigenetice determină când și unde se manifestă o genă dată, i. j. dacă va fi activat sau expresia acestuia va fi suprimată, t. j. inactivat, modificând astfel/corectând „performanța” genelor. Epigenetica studiază procesele/mecanismele specifice care stimulează sau elimină genele noastre. Dacă genele noastre se manifestă nu este determinat de structura lor (sau de ordinea/secvența nucleotidelor - elementele de bază ale ADN-ului care alcătuiesc gene specifice), ci de mecanismele epigenetice și influențele externe/externe, resp. factori care declanșează/declanșează procese epigenetice.

Epimutații

Epigenetica a devenit sinonimă cu studiul fenomenelor în care modificările în trăsături și proprietăți nu sunt asociate mutaţie (schimbare ereditară genetică permanentă), dar așa-numitul. epimutație, t. j. de obicei prin modificarea chimică a unei macromolecule de ADN sau proteine ​​(histone) fără a interfera direct cu gena genică însăși. Cu alte cuvinte, epigenetica studiază modificările exprimării genelor care au loc la nivel chimic direct în gene individuale. Ordinea nucleotidelor nu se schimbă, dar ceea ce se schimbă prin epimutație este activitatea sau funcționalitatea genei. Spre deosebire de mutațiile genetice adevărate, care sunt în mare parte aleatorii (nu întotdeauna) și în cea mai mare parte ireversibile, epimutațiile/modificările epigenetice sunt în mod surprinzător reversibile și controlabile în multe cazuri.

Cartea vieții și a epimutației

Principiile ilustrative ale epigeneticii pot fi explicate cu următorul exemplu. Atunci când comparăm ADN-ul cu „cartea vieții”, atunci procesele epigenetice ne împiedică să citim anumite pagini din ea, de exemplu, atunci când ne lipesc din greșeală. Chiar dacă aceste pagini și litere din carte sunt găsite și rămân intacte (pe măsură ce se păstrează secvența nucleotidică/secvența ADN), nu putem citi informațiile deoarece citirea (expresia genică) este împiedicată să se lipească de pagini (schimbare epigenetică). Acest proces este reversibil, la fel cum paginile dintr-o carte pot fi dezlegate cu puțin efort, celulele au mijloacele necesare pentru a anula o schimbare epigenetică (în acest caz, pentru a dezactiva/dezactiva genele) și a reactiva aceste gene. Modificările epigenetice în expresia genelor (epimutații) pot persista mult timp și pot fi transmise generațiilor viitoare. Epimutațiile, precum mutațiile genetice, sunt moștenite. Aceasta înseamnă că trăsăturile epigenetice pot crea o „memorie ereditară” simplă, care a provocat o mare uimire și controverse în rândul multor oameni de știință.

Ceva din istorie

Numele de epigenetică, care este derivat din cuvântul grecesc „επι/dincolo, deasupra”, a fost folosit pentru prima dată de biologul, embriologul, geneticianul și filosoful englez Conrad Hal Waddington (1905 - 1975). Dezgustat de tendințele biologiei din acea vreme, evadând din ce în ce mai mult în „lumea virtuală a genelor” și statisticilor, C. H. Waddington a numit „industria biologiei din anii 1940 pentru a studia interacțiunile dintre gene și produsele lor” - epigenetica. El a înțeles epigenetica în sensul a ceva care este mai presus de genetică, resp. la îndemâna cercetării sale la momentul respectiv și a cunoașterii proceselor care duc la implementarea așa-numitelor „Steaguri virtuale”. Termenul de epigenetică a fost utilizat inițial într-un sens larg și vag pentru a se referi la toate procesele embriologice până acum complet neexplicate, precum și pentru a clarifica reglementarea complexă a expresiei (expresiei) genelor responsabile de cursul dezvoltării embrionare a organismelor. În trecut, mai mulți biologi credeau că epigenetica era mai mult decât genetică.

Sfârșitul contradicțiilor și al controversei

Acum este clar pentru orice expert că crearea artificială a contradicțiilor între genetică și epigenetică (genetică versus epigenetică) este pur și simplu inadecvată. Astăzi, nimeni din comunitatea științifică nu se ocupă de problema superiorității epigeneticii față de genetică, iar biologii moderni consideră controversele cu privire la acest „subiect” ca fiind inutile și fără sens. Epigenetica modernă este o parte importantă a geneticii. În mod figurativ, am putea defini relația dintre genetică și epigenetică după cum urmează: genetica este hardware, iar epigenetica este software. Gena poate fi considerată fixă ​​(face parte din hardware), dar atunci când introducem un alt program (software) în el, putem începe noile sale funcții, t. j. altele decât cele care au „fugit” până acum. De la expresia figurativă la reală, de fapt pentru unii laici, concluzia șocantă se aplică că expresia, respectiv. expresia tuturor genelor poate fi influențată epigenetic.

Mecanisme epigenetice

La om, cele mai importante patru tipuri de mecanisme epigenetice sunt cele mai importante: metilarea ADN-ului, modificările chimice ale histonelor (proteinele în jurul cărora structurile care formează ADN numite nucleozomi sunt înfășurate în cromozomi) și modificările asociate ale cromatinei (corpul care formează cromozomii) și activitatea mici molecule necodificatoare.ARN. Atenția oamenilor de știință a fost inițial concentrată în principal pe metilare (adăugarea de „etichete” - grupări metil, CH3) sau demetilarea ADN-ului (îndepărtarea „etichetelor”). În aceste procese epigenetice, grupările metil sunt fie atașate la anumite secvențe de ADN, fie îndepărtate din anumite situri de pe molecula de ADN, afectând astfel activitatea acesteia (sau funcția genelor) fără a modifica structura sau funcția ADN-ului. Secvența de nucleotide ADN.

În celulele umane, metilarea și demetilarea ADN joacă un rol de neînlocuit în oprirea (inactivarea) sau activarea (activarea) genelor specifice necesare unei celule la un moment dat, în diferențierea/specializarea celulelor în țesuturi sau în timpul dezvoltării întregului organism. În mod neașteptat, s-a constatat că diverși factori externi pot afecta locul în care etichetele metilice sunt atașate la ADN și, astfel, genele care le blochează expresia.

La început a fost o mare surpriză să aflăm că metilarea poate duce la diferențierea completă a indivizilor cu aceeași structură genetică (identică). Un exemplu ilustrativ este albina regină/regina și lucrătorul, ale căror gene sunt complet identice, dar diferă prin metilarea diferită a genelor. Diferențele în numărul de gene metilate la albine sunt cauzate de nutriția lor diferită. Astfel, hrana este unul dintre factorii externi care pot declanșa metilarea ADN-ului și astfel afectează aspectul și „clasificarea funcțională” a insectelor.

Prin schimbarea dietei, genele pot fi și demetilate, declanșând astfel activarea genelor temporar disfuncționale. De exemplu, consumul regulat de cantități mici de vin roșu permite, datorită prezenței resveratrolului, activarea genelor implicate în procesele antioxidante (așa-numitul paradox francez).

Care este rolul „epigenetic” al ARN-urilor mici care nu codifică?

ARN-urile mici care nu codifică împiedică cel mai adesea exprimarea unei gene prin reducerea la tăcere prin scindarea completă a așa-numitelor transcriere primară, t. j. ARNm generat în prima fază a expresiei/expresiei genice, i. j. transcriere. (Amintiți-vă că expresia genică constă în transcrierea genei și procesele de traducere/traducere). Datorită sarcinii îndeplinite, a doua fază a expresiei - traducerea, nu poate avea loc și, astfel, gena este eliminată funcțional. În alte cazuri, ARN-urile mici, împreună cu o proteină specifică (numită Argonaut), blochează direct translația proteinei pe care transcripția primară (ARNm) o codifică.

Modificările histonice reglează, de asemenea, activitatea genelor

Pe lângă metilarea ADN-ului și efectul reglator al ARN-urilor mici, care blochează funcția genei în cauză, modificările chimice ale proteinelor histonice (epimutații, de exemplu metilarea, acetilarea, fosforilarea acestora etc.) au, de asemenea, un efect mare asupra activității genice . Ei decid dacă ADN-ul se va înfășura în jurul histonelor liber sau strâns, i. j. dacă va fi sau nu accesibil procesului de transcriere a genei. Dacă o genă nu este transcrisă, înseamnă că gena nu „funcționează” deloc în corp, chiar dacă este prezentă. Cu toate acestea, inițial genele disfuncționale pot fi „reînviate” prin acetilarea histonei. Când etichetele epigenetice - grupări acetil - sunt atașate la histone în jurul cărora ADN-ul este strâns învelit în cromozomi (creând o structură numită nucleozom), ciupitul este eliberat și gena este activată. Situația este similară cu iluminarea camerei. Chiar dacă există o lampă (gene) în cameră, acest lucru nu înseamnă că există lumină în cameră. Lampa trebuie să fie aprinsă (acetilarea histonei).

Ce rol joacă epigenetica în cancer?

Ca factori externi influențează exprimarea genelor?

Procesele genetice și epigenetice sunt interconectate. Chiar și un laic nu mai are dubii că genele sunt responsabile pentru trăsăturile și proprietățile noastre („o avem în gene”, „genele noastre sunt responsabile pentru orice”), a cărei manifestare (deblocarea, blocarea epigenetică) depinde de mai multe influențe și factori (de ex. nutriție, stil de viață, stres etc.) mediu. Pur și simplu, acești factori pot fi declanșați de faptul că acești factori declanșează procese epigenetice și astfel decid indirect/indirect dacă genele individuale vor fi activate sau suprimate.

Impactul experiențelor pozitive și negative asupra expresiei genetice

Nu doar nutriția, ci și experiențele negative, neglijarea copilului, consumul de droguri sau alte situații stresante grave fac posibilă, prin modificările epigenetice biochimice induse, să semnalizeze genelor dacă ar trebui să se manifeste și cât de puternic ar trebui să se manifeste. În conformitate cu noile descoperiri, epigenetica se bazează pe experiențele traumatice ale omului și ale strămoșilor săi, care au lăsat „cicatrici moleculare”, respectiv. etichete pe ADN-ul generațiilor viitoare. Figurativ vorbind, purtăm cu noi experiențele strămoșilor noștri datorită epigeneticii. Mai multe studii științifice au arătat că condițiile de viață și experiențele adverse lasă urme epigenetice de lungă durată la om și pot provoca chiar depresie prin modificări ale metilării ADN și modificării histonelor. S-a dovedit că nu numai depresia însăși, ci și tratamentul acesteia cu antidepresive sunt legate de modificările dinamice cauzate de acțiunea mecanismelor epigenetice, în special metilarea ADN-ului.

Îngrijirea maternă

Dimpotrivă, unele studii epigenetice au arătat că tratamentul amabil al unei mame cu un copil sau un tânăr afectează semnificativ predispozițiile sale epigenetice în domeniul psihologic. Atunci când se compară șoareci neglijați maternali și ne-neglijați, au apărut mari diferențe epigenetice în echilibrul mental, abilități și inteligență. Un expert de seamă în domeniul epigeneticii, profesorul Moshe Szyf, a demonstrat experimental că îngrijirea maternă schimbă „setarea” genelor sale în creierul descendenței șoarecilor, care se poate manifesta la maturitate, de ex. prin afectarea nivelului de hormon al stresului (glucocorticoid) cortizol din sânge. Profesorul M. Szyf a constatat că creșterea nivelului de hormoni de stres glucocorticoizi în sângele puilor de șobolan, care a fost îngrijită prost de mamă, a fost cauzată de metilarea insuficientă a genei receptorului glucocorticoid, care controlează nivelurile acestor hormoni de stres. în sânge. Astfel de pui neglijați se caracterizează printr-un răspuns crescut la stres.

În legătură cu metilarea genei receptorului glucocorticoid, cercetătorii au efectuat cercetări și la oameni. Ei au descoperit că copiii ale căror mame au suferit din diferite motive în timpul sarcinii, precum și copiii care au fost abuzați la naștere, aveau o genă mult mai metilată, care ulterior le-a influențat comportamentul adulților. În plus față de un răspuns crescut la stres, metilarea crescută a genei receptorului glucocorticoid crește și riscul de obezitate, depresie și unele boli autoimune.

Procese epigenetice și substanțe dependente

Prin procese epigenetice, organismul poate dezvolta chiar rezistență la droguri și alcool. Când o persoană bea alcool, procesele epigenetice cresc producția enzimei alcool dehidrogenază în celulele hepatice. Cu cât este mai mare consumul de alcool, cu atât mai mult alcool produce ficatul dehidrogenază. Opusul este, de asemenea, adevărat. După abstinență prelungită, producția de alcool dehidrogenază este redusă semnificativ și o persoană „durează mai puțin”. Acest lucru se datorează faptului că organismul a încetinit producția de alcool dehidrogenază atunci când nu mai avea nevoie de ea. Același mecanism se aplică și altor substanțe dependente, droguri sau cofeină.

Când și de ce gemenii identici încetează să arate unul ca celălalt?

Echipamentul genetic poate fi influențat epigenetic chiar și la bătrânețe. Acest lucru a fost confirmat de studiile epigenetice efectuate pe gemeni. Cei care locuiau împreună, sau se întâlneau adesea și aveau aceleași obiceiuri, mâncare și alte obiceiuri, aveau, de asemenea, aceleași gene activate, iar moleculele lor de ADN erau aproape identice. Gemenii, care nu petreceau atât de mult timp împreună, trăiau în locuri diferite, nu numai că erau mai puțin asemănători, dar aveau și obiceiuri și caracteristici diferite. De vină este metilarea diferită a ADN-ului lor. De asemenea, este demn de remarcat faptul că diferențele în metilarea dublă cresc cu vârsta.

Genele pe care le primim în coroană la naștere nu sunt singurul regizor al poveștii noastre de viață. Deși contribuția lor la scrierea scenariului nostru de viață este crucială, epigenetica ne determină în mod semnificativ viața viitoare. Pe măsură ce profilul nostru epigenetic se schimbă de-a lungul vieții și markerii epigenetici care imprimă procese epigenetice în ADN-ul nostru pot fi transmise în a patra generație, depinde de noi să profităm de speranța pe care epigenetica ne poate da și să încercăm să influențăm cel puțin parțial pozitiv . Cu toate acestea, trebuie să schimbăm o mulțime de lucruri în viața noastră, inclusiv valorile noastre, stilul de viață, obiceiurile alimentare, activitatea fizică, experiența situațiilor stresante, emoțiile etc.

Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, dr. pentru redacția Științei din cadrul Reach, Departamentul de Genetică, Facultatea de Științe, Universitatea Comenius din Bratislava

Foto în articol: din arhiva prof. RNDr. Eva Miadoková, dr.