Epigenetyka - Polski Serwis Naukowy

Epigenetyka - badanie dziedziczności pozagenowej. Termin ten w biologii ma dwa bliskoznaczne znaczenia:

badanie mechanizmów związanych z rozwojem, polegających na powstaniu cech dziedziczonych przez komórki potomne, które nie są związane z mutacjami w DNA. Przykładami procesów epigenetycznych w tym rozumieniu są między innymi:
stabilne zmiany ekspresji genów w rozwoju lub onkogenezie poprzez mechanizm wyciszenia transkrypcji
inaktywacja jednej z kopii chromosomu X u samic ssaków
wyciszenie ekspresji genów w rejonach telomerowych i centromerowych chromosomów.
badanie dziedziczności pozagenowej, w szczególności cech, które nie są determinowane sekwencją jądrowego DNA. Przykładami procesów epigenetycznych w tym rozumieniu są np.
zjawisko dziedziczenia związane z obecnością prionów u drożdży
matczyny efekt na kierunek skrętu muszli u ślimaków
odziedziczalny wpływ kwasu foliowego na fenotyp mutacji viable yellow determinującej kolor futra u myszy domowej
odziedziczalna utrata ekspresji genów u nicieni pod wpływem interferencji RNA
kontrola procesu transpozycji transpozonów i retrotranspozonów poprzez metylację DNA

Czasami dziedziczenie mitochondrialne zalicza się do zjawisk epigenetycznych, ze względu na odziedziczalność cech niezgodną z prawami Mendla i niezależną od genów jądrowych, lecz nie jest szczególnie poprawne, gdyż wiąże się z mutacjami w DNA mitochondrialnym.

Tkanka mięśniowa gładka (textus muscularis glaber)- rodzaj tkanki mięśniowej, która składa się z wrzecionowatych komórek, zawierających jedno centralnie położone jądro komórkowe. Filamenty w tej tkance są ułożone nieregularnie (brak prążkowania).

mtDNA, DNA mitochondrialne – materiał genetyczny w postaci kolistego DNA znajdujący się w macierzy mitochondrium (łac. matrix). Obecność DNA tłumaczona jest teorią endosymbiotycznego pochodzenia tych organelli.

Mechanizm molekularny zjawisk epigenetycznych

Mechanizmy epigenetyki są zróżnicowane, i nie we wszystkich przypadkach wyjaśnione. Niewyjaśnione mechanizmy epigenetyczne należą do najbardziej interesujących, nierozwiązanych, problemów współczesnej biologii. Stabilne, odziedziczalne, wyciszenie ekspresji ma związek z chemicznymi modyfikacjami białek histonowych i DNA.

Ubikwityna (Ub) jest małocząsteczkowym białkiem obecnym we wszystkich komórkach eukariotycznych i pełniącym kluczową rolę w naznaczaniu białek (ubikwitynacja), które mają ulec nielizosomalnej proteolizie.

Biologia (z gr. βίος (bios) - życie i λόγος (logos) - słowo, nauka) – gałąź nauki zajmująca się badaniem życia. Nauka ta skupia się na charakterystyce, klasyfikacji oraz zachowaniu organizmów żywych, jak również sposobie powstawania nowych gatunków oraz zależnościami między nimi a środowiskiem naturalnym.

Metylacja cytozyny

Więcej informacji na ten temat zawarte jest w artykule Metylacja DNA

Przyłączenie grupy metylowej do cytozyny, leży u podłoża trwałego nieuczynnienia ekspresji genu. Znakowany w ten sposób obszar przekształca się w heterochromatynę, poprzez przyłączenie białek heterochromatynowych specyficznie rozpoznających metylowany DNA. Odwrócenie tego procesu jest możliwe, lecz trudne. Zachodzi między innymi w procesie transferu jądrowego i jest nazywane reprogramowaniem epigenetycznym.

Epigeneza - hipoteza w biologii rozwoju zakładająca, że organizm potomny w procesie embriogenezy powstaje od nowa. Jest to hipoteza opozycyjna do teorii preformacji. Pogląd ten ma swój początek w myśli Arystotelesa, który zakładał, że zarodki formują się z homogenicznego materiału. Pogląd ten udowodnił w XVII wieku Caspar Friedrich Wolff, niemiecki uczony obserwujący rozwój embrionu kurzego. Proces epigenezy polega na postępującym różnicowaniu się komórek.

Transpozycja - proces przemieszczania się transpozonu na inną pozycje w genomie tej samej komórki. Transpozony czyli ruchome elementy genetyczne, zmieniające swą lokalizację w obrębie genomu, odkryto już w latach 50. XX wieku. Dokonała tego Barbara McClintock za co otrzymała Nagrodę Nobla w 1983 roku. Transpozycja powoduje mutacje i może zmieniać ilość DNA w genomie. W procesie transpozycji niezbędne są enzymy: polimeraza oraz ligaza.

Posttranslacyjne modyfikacje histonów

Białka histonowe leżą u podstaw wielu procesów dziedziczenia epigenetycznego. Białka te mogą ulegać modyfikacjom posttranslacyjnym polegającym na przyłączeniu różnych dodatkowych cząsteczek lub grup funkcyjnych (takich jak grupa metylowa, acetylowa, fosforanowa, białko ubikwityna) do aminokwasów: lizyny i argininy. Modyfikacje takie mogą być sygnałem dla białek przebudowywujących chromatynę. Chromatyna może być kondensowana (heterochromatynizacja) w miejscu gdzie występuje taka modyfikacja, co zatrzymuje ekspresję genów. Przykładem może być metylacja histonu H3 na dziewiątym aminokwasie (lizyna), która u wielu organizmów powoduje zmniejszenie ekspresji genów. Znane są modyfikacje histonów powodujące rozluźnienie struktury chromatyny i zwiększenie poziomu ekspresji genów. Warto zauważyć, że wpływ modyfikacji posttranslacyjnych histonów na stopień kondensacji chromatyny i ekspresję genów nie zależy tylko od rodzaju modyfikacji (metylacja, acetylacja, fosforylacja itp.), ale także od miejsca wystąpienia takiej modyfikacji na białku histonowym. Metylacja lizyny 9 histonu H3 może powodować zupełnie inny efekt niż metylacja lizyny 4. Jedna cząsteczka histonu może być modyfikowana w wielu miejscach, co dodatkowo utrudnia badania.

Heterochromatyna jest częścią chromatyny w jądrze interfazowym, w której nić DNA jest szczególnie mocno upakowana. Jej cechą charakterystyczną jest ograniczenie udziału w procesie transkrypcji co ma wpływ na ekspresję genów.

Lizyna (nazwa skrótowa Lys, skrót jednoliterowy K) jest organicznym związkiem chemicznym, polarnym aminokwasem należącym do 20 aminokwasów białkowych, najbardziej rozpowszechnionych na Ziemi. Należy też do grupy aminokwasów niezbędnych (liczącej 8 - 10 substancji), które nie mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka i muszą być dostarczane z dietą.

Hipoteza kodu histonowego

Badacze zajmujący się wpływem posttranslacyjnych modyfikacji histonów wysunęli hipotezę kodu histonowego, rozumianego jako zespół reguł mówiących o roli konkretnych modyfikacji histonów w regulacji struktury chromatyny i ekspresji genów. Prowadzone są liczne badania nad posttranslacyjnymi modyfikacjami histonów i ich funkcją w dziedziczeniu epigenetycznym, jednak do tej pory nie znaleziono uniwersalnego zespołu zasad który można by nazwać kodem histonowym. Wydaje się, że kod histonowy będzie różny dla różnych organizmów (nie będzie uniwersalny).

Ontogeneza, rozwój osobniczy (gr. on, ontos – byt, genesis – pochodzenie) – nauka zajmująca się rozwojem organizmu – zespołem przemian zachodzących w ciągu życia organizmu – od momentu jego powstania w procesie rozmnażania do śmierci.

Ślimaki, brzuchonogi (Gastropoda, z gr. gaster - brzuch + pous - noga) – jedna z najliczniejszych i najbardziej zróżnicowanych gromad mięczaków, zaliczana niekiedy do podtypu muszlowce.

Priony drożdżowe

Pewne cechy drożdży, które dziedziczą się w sposób epigenetyczny, są determinowane przez obecność prionów. Przykładami są URE3 będący prionową wersją białka Ure2p, związanego z katabolizmem związków azotowych.

Wymazywanie pamięci epigenetycznej

Najprostszym sposobem na wymazanie tego rodzaju zmian jest po prostu zaprzestanie ich odtwarzania w komórkach potomnych. Mimo tego istnieje kilka mechanizmów aktywnego usuwania modyfikacji chromatyny oraz histonów. Przykładowo istnieje co najmniej kilka enzymów HDAC (deacetylazy histonowej), istnieją też enzymy o aktywności demetylaz usuwające grupy metylowe z histonów i DNA (przykładowo taka aktywna demetylacja chromatyny zachodzi podczas wczesnej embriogenezy ssaków. W czasie rozwoju roślin niektóre geny są specyficznie demetylowane przy pomocy glikozylazy DNA DEMETER.

Zespół łamliwego chromosomu X (zespół kruchego chromosomu X, zespół Martina-Bella (ang. fragile X syndrome, FraX, FRA-X, Martin-Bell syndrome) – choroba genetyczna cechująca się obniżeniem poziomu rozwoju intelektualnego różnego stopnia, i której niektóre objawy behawioralne pokrywają się z objawami charakterystycznymi dla autyzmu .

Chromatyna (chromatinum) – włóknista substancja występująca w jądrze komórkowym, zbudowana z DNA, histonów, RNA i niehistonowych białek. Stanowi główny składnik chromosomów.

Zaburzenia epigenetyczne u ludzi

Istnieje szeroka gama chorób związanych bezpośrednio lub pośrednio z zaburzeniami natury epigenetycznej. Niektóre choroby nowotworowe są wywołane przez defekty impritingu rodzicielskiego, natomiast arterioskleroza wiąże się z zaburzeniami w różnicowaniu się niektórych komórek mięśni gładkich. Poniższa lista ukazuje przykładowe schorzenia wywołane zaburzeniami epigenetycznymi podczas ontogenezy.

Transpozon - sekwencja DNA, która może przemieszczać się na inną pozycje w genomie tej samej komórki w wyniku procesu zwanego transpozycją. Transpozycja często powoduje mutacje i może zmieniać ilość DNA w genomie. Transpozony są także nazywane "wędrującymi genami" lub "skaczącymi genami" (ang. jumping genes) oraz "mobilnymi elementami genetycznymi" (ang. mobile genetic elements). Za badania nad transpozonami u kukurydzy powodującymi zmiany ubarwienia nasion Barbara McClintock otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w roku 1983.

Jądro komórkowe, nukleus - otoczone błoną organellum obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych. Zawiera większość materiału genetycznego komórki, zorganizowanego w postaci wielu pojedynczych, długich nici DNA związanych z dużą ilością białek, na przykład histonowych, które razem tworzą chromosomy. Geny zlokalizowane w chromosomach stanowią genom komórki. Funkcją jądra komórkowego jest przechowywanie i powielanie informacji genetycznej oraz kontrolowanie czynności komórki, poprzez regulowanie ekspresji genów, dlatego właśnie stanowi ono centrum kontroli komórki. Główne struktury, które obecne są w budowie jądra komórkowego to błona jądrowa, podwójna membrana otaczająca całe organellum i oddzielająca je od cytoplazmy oraz blaszka jądrowa, sieć delikatnych włókienek białkowych utworzonych przez laminy, stanowiących rusztowanie dla jądra i nadających mu wytrzymałość mechaniczną. Błona jądrowa jest nieprzepuszczalna dla większości cząsteczek, dlatego obecne są w niej pory jądrowe. Są to kanały przechodzące przez obie błony, umożliwiające transport jonów i innych cząstek. Transport większych cząstek, takich jak białka, jest ściśle kontrolowany i zachodzi na zasadzie transportu aktywnego, kontrolowanego przez białka transportowe. Transport jądrowy jest kluczowy dla funkcjonowania komórki, ponieważ przemieszczanie cząstek poprzez błonę jądrową wymagany jest zarówno przy zarządzaniu ekspresją genów oraz utrzymywaniu chromosomów.

zespół łamliwego chromosomu X

zespół Retta

zespół ICF (powiązany z defektem acetylotransferazy DNA)

zespół ATR-X (wywołany zaburzeniami w metylacji DNA)

zespół BWS (uszkodzony zespół impritingowanych genów ojcowskich)

Historia terminu

Termin epigenetyka został zaproponowany przez C.H. Waddingtona na wyjaśnienie mechanizmów różnicowania w rozwoju organizmów w jego teorii pejzażu epigenetycznego. Słowo epigenetyka powstało z połączenia słów epigeneza oraz genetyka.

Chromosom – forma organizacji materiału genetycznego wewnątrz komórki. Nazwa pochodzi z greki, gdzie χρῶμα (chroma, kolor) i σῶμα (soma, ciało). Chromosomy rozróżniano poprzez wybarwienie.

Histony – zasadowe białka wchodzące w skład chromatyny, neutralizujące jej kwasowy charakter, o niewielkiej masie cząsteczkowej (poniżej 23 kDa). Charakteryzują się dużą zawartością aminokwasów zasadowych, zwłaszcza lizyny i argininy, co nadaje im właściwości polikationów. Wiążą się z helisą DNA, która jest polianionem, tworząc nukleoproteiny, które są obojętne elektrycznie.