В биологии эпигенетика — это изучение наследственных признаков или стабильных изменений функции клеток, которые происходят без изменений в последовательности ДНК . [1] Греческий префикс эпи- ( ἐπι- «над, снаружи, вокруг») в эпигенетике подразумевает признаки, которые находятся «поверх» или «в дополнение к» традиционному (основанному на последовательности ДНК) генетическому механизму наследования. [2] Эпигенетика обычно включает в себя изменения, которые не стираются при делении клеток и влияют на регуляцию экспрессии генов . [3] Такое воздействие на клеточные и физиологические фенотипические признаки может быть результатом факторов окружающей среды или быть частью нормального развития. Они могут привести к раку. [4]
Этот термин также относится к механизму изменений: функционально значимые изменения генома , не связанные с мутацией нуклеотидной последовательности . Примерами механизмов, вызывающих такие изменения, являются метилирование ДНК и модификация гистонов , каждый из которых изменяет способ экспрессии генов, не изменяя основную последовательность ДНК . [5] Кроме того, было показано, что некодирующие последовательности РНК играют ключевую роль в регуляции экспрессии генов. [6] Экспрессию генов можно контролировать с помощью белков-репрессоров , которые прикрепляются к сайленсёрным участкам ДНК. Эти эпигенетические изменения могут сохраняться посредством клеточных делений на протяжении всей жизни клетки, а также могут сохраняться в течение нескольких поколений, даже если они не связаны с изменениями в основной последовательности ДНК организма; [7] вместо этого негенетические факторы заставляют гены организма вести себя (или «выражать себя») по-другому. [8]
Одним из примеров эпигенетических изменений в биологии эукариот является процесс клеточной дифференциации . В ходе морфогенеза тотипотентные стволовые клетки превращаются в различные плюрипотентные клеточные линии эмбриона , которые , в свою очередь , становятся полностью дифференцированными клетками. Другими словами, поскольку одна оплодотворенная яйцеклетка – зигота – продолжает делиться , образующиеся дочерние клетки превращаются во все различные типы клеток организма, включая нейроны , мышечные клетки , эпителий , эндотелий кровеносных сосудов и т. д., путем активируя одни гены и подавляя экспрессию других. [9]
Термин «эпигенез» имеет общее значение «дополнительный рост», которое используется в английском языке с 17 века. [10] В научных публикациях термин «эпигенетика» начал появляться в 1930-х годах (см. рис. справа). Однако его современный смысл появился лишь в 1990-е годы. [11]
Определение концепции эпигенетического признака как «стабильно наследуемого фенотипа, возникающего в результате изменений хромосомы без изменений в последовательности ДНК» было сформулировано на встрече в Колд-Спринг-Харборе в 2008 году [12] , хотя альтернативные определения, включающие ненаследственные признаки, до сих пор широко используются. [13]
Гипотезу об эпигенетических изменениях, влияющих на экспрессию хромосом , выдвинул российский биолог Николай Кольцов . [14] Исходя из общего значения и связанного с ним прилагательного «эпигенетический» , британский эмбриолог Ч. Х. Уоддингтон в 1942 году ввёл термин «эпигенетика» , относящийся к эпигенезу , параллельно с «феногенетикой» Валентина Хеккера ( Phänogenetik ). [15] Эпигенез в контексте биологии того периода относился к дифференциации клеток из их исходного тотипотентного состояния во время эмбрионального развития . [16]
Когда Уоддингтон придумал этот термин, физическая природа генов и их роль в наследственности еще не была известна. Вместо этого он использовал ее как концептуальную модель того, как генетические компоненты могут взаимодействовать с окружающей средой, создавая фенотип ; он использовал фразу « эпигенетический ландшафт » как метафору биологического развития . Уоддингтон считал, что судьбы клеток задаются во время развития в процессе, который он назвал канализацией, подобно тому, как шарик скатывается до точки самой низкой локальной отметки . [17] Уоддингтон предложил визуализировать возрастающую необратимость дифференциации типов клеток как гребни, поднимающиеся между долинами, по которым перемещаются шарики (аналогичные клеткам). [18]
В последнее время представление Уоддингтона об эпигенетическом ландшафте было строго формализовано в контексте подхода системной динамики состояний к изучению судеб клеток. [19] [20] Предполагается, что детерминация клеточной судьбы будет демонстрировать определенную динамику, такую как конвергенция аттрактора (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странным аттрактором ) или колебательная. [20]
Робин Холлидей определил в 1990 году эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов во время развития сложных организмов». [21]
Более позднее использование этого слова в биологии следует более строгим определениям. По определению Артура Риггса и его коллег, это «изучение митотически и/или мейотически наследуемых изменений в функции генов, которые нельзя объяснить изменениями в последовательности ДНК». [22]
Однако этот термин также использовался для описания процессов, передача которых по наследству не была доказана, таких как некоторые формы модификации гистонов. Следовательно, предпринимаются попытки переопределить «эпигенетику» в более широком смысле, чтобы избежать ограничений, связанных с требованием наследственности . Например, Адриан Берд определил эпигенетику как «структурную адаптацию хромосомных областей с целью регистрации, сигнализации или сохранения измененных состояний активности». [7] Это определение будет включать временные модификации, связанные с репарацией ДНК или фазами клеточного цикла , а также стабильные изменения, сохраняющиеся на протяжении нескольких поколений клеток, но исключать другие, такие как формирование шаблонов мембранной архитектуры и прионы , если они не влияют на функцию хромосом. Однако такие переопределения не являются общепринятыми и все еще являются предметом дискуссий. [23] В проекте NIH «Дорожная карта эпигеномики», который осуществлялся с 2008 по 2017 год, используется следующее определение: «Для целей этой программы эпигенетика относится как к наследственным изменениям в активности и экспрессии генов (в потомстве клеток или индивидуумов). ), а также стабильные, долгосрочные изменения транскрипционного потенциала клетки, которые не обязательно передаются по наследству». [24] В 2008 году на встрече в Колд-Спринг-Харборе было принято консенсусное определение эпигенетического признака, «стабильно наследуемого фенотипа, возникающего в результате изменений в хромосоме без изменений в последовательности ДНК» . [12]
Сходство слова со словом «генетика» породило множество параллельных его значений. « Эпигеном » является параллелью слова « геном », относящегося к общему эпигенетическому состоянию клетки, а эпигеномика относится к глобальному анализу эпигенетических изменений во всем геноме. [13] Фраза « генетический код » также была адаптирована – « эпигенетический код » использовался для описания набора эпигенетических особенностей, которые создают разные фенотипы в разных клетках из одной и той же базовой последовательности ДНК. В крайнем случае, «эпигенетический код» может отражать общее состояние клетки, при этом положение каждой молекулы учитывается на эпигеномной карте , схематическом представлении экспрессии генов, метилирования ДНК и статуса модификации гистонов конкретного генома. область, край. Чаще всего этот термин используется в отношении систематических усилий по измерению конкретных, соответствующих форм эпигенетической информации, такой как код гистонов или закономерности метилирования ДНК . [ нужна цитата ]
Ковалентная модификация ДНК (например, метилирование и гидроксиметилирование цитозина) или белков-гистонов (например, ацетилирование лизина, метилирование лизина и аргинина, фосфорилирование серина и треонина, а также убиквитинирование и сумойлирование лизина) играют центральную роль во многих типах эпигенетического наследования. Поэтому слово «эпигенетика» иногда используется как синоним этих процессов. Однако это может ввести в заблуждение. Ремоделирование хроматина не всегда наследуется, и не всегда эпигенетическое наследование включает ремоделирование хроматина. [25] В 2019 году в научной литературе появилась еще одна модификация лизина, связывающая эпигенетическую модификацию с клеточным метаболизмом, а именно лактилирование [26]
Поскольку на фенотип клетки или индивидуума влияет то, какой из его генов транскрибируется, наследуемые состояния транскрипции могут вызывать эпигенетические эффекты. Существует несколько уровней регуляции экспрессии генов . Одним из способов регулирования генов является ремоделирование хроматина. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и белков- гистонов , с которыми он связан. Если изменится способ, которым ДНК обернута вокруг гистонов, может измениться и экспрессия генов. Ремоделирование хроматина осуществляется посредством двух основных механизмов:
Часто существует обратная связь между метилированием ДНК и метилированием лизина гистонов. [32] Например, белок метилсвязывающего домена MBD1 , привлекаемый и связывающийся с метилированным цитозином в CpG-сайте ДНК , также может ассоциироваться с активностью метилтрансферазы H3K9 для метилирования гистона 3 по лизину 9. С другой стороны, поддерживающее метилирование ДНК путем DNMT1, по-видимому, частично зависит от распознавания метилирования гистонов на нуклеосоме, присутствующей в участке ДНК, для осуществления метилирования цитозина на вновь синтезированной ДНК. [32] Существуют дополнительные перекрестные помехи между метилированием ДНК, осуществляемым DNMT3A и DNMT3B, и метилированием гистонов, так что существует корреляция между распределением метилирования ДНК по всему геному и метилированием гистонов. [33]
Механизмы наследственности состояния гистонов недостаточно изучены; однако многое известно о механизме наследования состояния метилирования ДНК во время деления и дифференцировки клеток. Наследственность состояния метилирования зависит от определенных ферментов (таких как DNMT1 ), которые имеют более высокое сродство к 5-метилцитозину, чем к цитозину. Если этот фермент достигает «полуметилированной» части ДНК (где 5-метилцитозин находится только в одной из двух цепей ДНК), фермент метилирует другую половину. Однако теперь известно, что DNMT1 физически взаимодействует с белком UHRF1 . Недавно было признано, что UHRF1 необходим для поддержания метилирования ДНК, опосредованного DNMT1. UHRF1 — это белок, который специфически распознает гемиметилированную ДНК, таким образом перенося DNMT1 на свой субстрат для поддержания метилирования ДНК. [33]
Хотя модификации гистонов происходят на протяжении всей последовательности, особенно сильно модифицируются неструктурированные N-концы гистонов (так называемые хвосты гистонов). Эти модификации включают ацетилирование , метилирование , убиквитилирование , фосфорилирование , сумойлирование , рибозилирование и цитруллинирование. Ацетилирование является наиболее изученной из этих модификаций. Например, ацетилирование лизинов K14 и K9 хвоста гистона H3 ферментами гистон-ацетилтрансферазы (HAT) обычно связано с транскрипционной компетентностью [35] (см. Рисунок).
Один из способов мышления заключается в том, что эта тенденция ацетилирования, связанная с «активной» транскрипцией, имеет биофизическую природу. Поскольку на конце лизина обычно имеется положительно заряженный азот, он может связывать отрицательно заряженные фосфаты основной цепи ДНК. В результате ацетилирования положительно заряженная аминогруппа боковой цепи превращается в нейтральную амидную связь. Это удаляет положительный заряд, тем самым отделяя ДНК от гистона. Когда это происходит, такие комплексы, как SWI/SNF и другие факторы транскрипции, могут связываться с ДНК и обеспечивать возможность транскрипции. Это «цис» модель эпигенетической функции. Другими словами, изменения в хвостах гистонов оказывают прямое влияние на саму ДНК.[36]
Другая модель эпигенетической функции — «транс»-модель. В этой модели изменения в хвостах гистонов косвенно влияют на ДНК. Например, ацетилирование лизина может создать сайт связывания для ферментов, модифицирующих хроматин (или также механизмов транскрипции). Этот ремоделировщик хроматина может затем вызывать изменения в состоянии хроматина. Действительно, бромодомен – белковый домен, который специфически связывает ацетиллизин – обнаружен во многих ферментах, которые помогают активировать транскрипцию, включая комплекс SWI/SNF . Возможно, ацетилирование действует таким и предыдущим способом, помогая активации транскрипции.
Идея о том, что модификации действуют как стыковочные модули для родственных факторов , также подтверждается метилированием гистонов . Метилирование лизина 9 гистона H3 уже давно связано с конститутивным транскрипционно молчащим хроматином (конститутивным гетерохроматином ) (см. нижний рисунок). Было установлено, что хромодомен (домен, который специфически связывает метиллизин) в транскрипционно-репрессивном белке HP1 рекрутирует HP1 в метилированные области K9. Одним из примеров, который, кажется, опровергает эту биофизическую модель метилирования, является то, что триметилирование гистона H3 по лизину 4 тесно связано с (и необходимо для полной) активацией транскрипции (см. верхний рисунок). В этом случае триметилирование приведет к появлению фиксированного положительного заряда на хвосте.
Было показано, что за активность метилирования гистонов H3 и H4 отвечает гистон-лизин-метилтрансфераза (KMT). Этот фермент использует каталитически активный сайт, называемый доменом SET (супрессор пестролистности, усилитель Zeste, Trithorax). Домен SET представляет собой последовательность из 130 аминокислот, участвующую в модуляции активности генов. Было продемонстрировано, что этот домен связывается с хвостом гистона и вызывает метилирование гистона. [37]
Различные модификации гистонов, вероятно, будут функционировать по-разному; ацетилирование в одном положении, вероятно, будет функционировать иначе, чем ацетилирование в другом положении. Кроме того, одновременно могут возникать множественные модификации, и эти модификации могут работать вместе, изменяя поведение нуклеосомы . Идея о том, что множественные динамические модификации регулируют транскрипцию генов систематическим и воспроизводимым образом, называется кодом гистонов , хотя идея о том, что состояние гистонов можно читать линейно как цифровой носитель информации, в значительной степени развенчана. Одной из наиболее изученных систем, которые осуществляют подавление на основе хроматина, является подавление скрытых локусов типа спаривания дрожжей HML и HMR на основе белка SIR .
Метилирование ДНК часто происходит в повторяющихся последовательностях и помогает подавить экспрессию и подвижность « мобильных элементов »: [38] Поскольку 5-метилцитозин может спонтанно дезаминироваться (замещая азот кислородом) до тимидина , сайты CpG часто мутируют и становятся редкими. в геноме, за исключением CpG-островков , где они остаются неметилированными. Таким образом, эпигенетические изменения этого типа могут управлять увеличением частоты постоянных генетических мутаций. Известно, что закономерности метилирования ДНК устанавливаются и модифицируются в ответ на факторы окружающей среды посредством сложного взаимодействия по крайней мере трех независимых ДНК-метилтрансфераз : DNMT1, DNMT3A и DNMT3B, потеря любой из которых приводит к летальному исходу у мышей. [39] У беспозвоночных социальных медоносных пчел основными ферментами являются DNMT1 и DNMT3. [40] DNMT1 является наиболее распространенной метилтрансферазой в соматических клетках, [41] локализуется в очагах репликации, [42] в 10–40 раз предпочитает гемиметилированную ДНК и взаимодействует с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA). [43]
Предпочтительно модифицируя полуметилированную ДНК, DNMT1 переносит паттерны метилирования на вновь синтезированную цепь после репликации ДНК , и поэтому ее часто называют «поддерживающей» метилтрансферазой. [44] DNMT1 необходим для правильного эмбрионального развития, импринтинга и Х-инактивации. [39] [45] Чтобы подчеркнуть отличие этого молекулярного механизма наследования от канонического механизма спаривания оснований Уотсона-Крика передачи генетической информации, был введен термин «эпигенетический шаблон». [46] Более того, в дополнение к поддержанию и передаче метилированных состояний ДНК, тот же принцип может работать при поддержании и передаче модификаций гистонов и даже цитоплазматических ( структурных ) наследственных состояний. [47]
У беспозвоночных медоносных пчел метилирование ДНК изучается с момента секвенирования генома медоносной пчелы [48] в 2006 году. Метилирование ДНК связано с альтернативным сплайсингом и регуляцией генов на основе функциональных геномных исследований, опубликованных в 2013 году . [49] Кроме того, ДНК метилирование связано с изменением экспрессии иммунных генов, когда медоносные пчелы своевременно подвергаются летальной вирусной инфекции. [50] Было опубликовано несколько обзорных статей по темам метилирования ДНК у социальных насекомых. [51] [52]
Метилирование РНК N6-метиладенозина (m6A) как наиболее распространенная модификация эукариотической РНК недавно было признано важным механизмом регуляции генов. [53]
У беспозвоночных, таких как социальные насекомые медоносных пчел, метилирование РНК изучается как возможный эпигенетический механизм, лежащий в основе агрессии посредством реципрокных скрещиваний. [54]
Гистонами H3 и H4 также можно манипулировать посредством деметилирования с использованием лизиндеметилазы гистонов (KDM). Этот недавно идентифицированный фермент имеет каталитически активный сайт, называемый доменом Джумонджи (JmjC). Деметилирование происходит, когда JmjC использует несколько кофакторов для гидроксилирования метильной группы, тем самым удаляя ее. JmjC способен деметилировать моно-, ди- и триметилированные субстраты. [55]
Хромосомные области могут принимать стабильные и наследуемые альтернативные состояния, что приводит к бистабильной экспрессии генов без изменений последовательности ДНК. Эпигенетический контроль часто связан с альтернативными ковалентными модификациями гистонов. [56] Предполагается, что стабильность и наследственность состояний более крупных хромосомных областей связаны с положительной обратной связью, когда модифицированные нуклеосомы рекрутируют ферменты, которые аналогичным образом модифицируют близлежащие нуклеосомы. [57] Упрощенную стохастическую модель для этого типа эпигенетики можно найти здесь. [58] [59]
Было высказано предположение, что регуляция транскрипции на основе хроматина может быть опосредована действием малых РНК. Малые интерферирующие РНК могут модулировать экспрессию транскрипционных генов посредством эпигенетической модуляции целевых промоторов . [60]
Иногда ген после включения транскрибирует продукт, который (прямо или косвенно) поддерживает активность этого гена. Например, Hnf4 и MyoD усиливают транскрипцию многих генов, специфичных для печени и мышц, соответственно, включая их собственные, за счет активности фактора транскрипции белков , которые они кодируют. Передача сигналов РНК включает дифференциальное привлечение иерархии родовых комплексов, модифицирующих хроматин, и ДНК-метилтрансфераз к специфическим локусам с помощью РНК во время дифференцировки и развития. [61] Другие эпигенетические изменения опосредуются производством различных форм сплайсинга РНК или образованием двухцепочечной РНК ( РНКи ) . Потомки клетки, в которой был включен ген, унаследуют эту активность, даже если исходный стимул для активации гена больше не присутствует. Эти гены часто включаются или выключаются посредством сигнальной трансдукции , хотя в некоторых системах, где важны синцитии или щелевые соединения , РНК может распространяться непосредственно в другие клетки или ядра путем диффузии . Большое количество РНК и белка вносится в зиготу матерью во время оогенеза или через кормовые клетки , что приводит к фенотипам материнского эффекта . Меньшее количество РНК сперматозоидов передается от отца, но недавно появились данные о том, что эта эпигенетическая информация может привести к видимым изменениям в нескольких поколениях потомства. [62]
МикроРНК (миРНК) являются членами некодирующих РНК , размер которых варьируется от 17 до 25 нуклеотидов. микроРНК регулируют широкий спектр биологических функций у растений и животных. [63] К 2013 году у людей было обнаружено около 2000 микроРНК, и их можно найти в Интернете в базе данных микроРНК. [64] Каждая микроРНК, экспрессируемая в клетке, может нацеливаться примерно на 100–200 информационных РНК (мРНК), которые она подавляет. [65] Подавление мРНК в большинстве случаев происходит за счет разрушения целевой мРНК, тогда как некоторое снижение регуляции происходит на уровне трансляции в белок. [66]
Похоже, что около 60% генов, кодирующих человеческие белки, регулируются микроРНК. [67] Многие микроРНК эпигенетически регулируются. Около 50% генов микроРНК связаны с CpG-островками [63] , которые могут подавляться эпигенетическим метилированием. Транскрипция с метилированных CpG-островков сильно и наследственно подавляется. [68] Другие микроРНК эпигенетически регулируются либо модификациями гистонов, либо комбинированным метилированием ДНК и модификацией гистонов. [63]
В 2011 году было продемонстрировано, что метилирование мРНК играет решающую роль в энергетическом гомеостазе человека . Показано, что ген FTO , связанный с ожирением, способен деметилировать N6-метиладенозин в РНК. [69] [70]
мРНК – это небольшие (50–250 нуклеотидов) высокоструктурированные некодирующие фрагменты РНК, обнаруженные у бактерий. Они контролируют экспрессию генов, в том числе генов вирулентности патогенов, и рассматриваются как новые мишени в борьбе с устойчивыми к лекарствам бактериями. [71] Они играют важную роль во многих биологических процессах, связываясь с мРНК и белками-мишенями у прокариот. Их филогенетический анализ, например, посредством взаимодействия мРНК-мРНК с мишенью или свойств связывания белков , используется для создания комплексных баз данных. [72] Также строятся карты генов мРНК на основе их мишеней в микробных геномах. [73]
Многочисленные исследования продемонстрировали решающее участие длинных некодирующих РНК (днРНК) в регуляции экспрессии генов и хромосомных модификаций, тем самым обеспечивая значительный контроль над клеточной дифференцировкой. Эти длинные некодирующие РНК также способствуют геномному импринтингу и инактивации Х-хромосомы. [74] У беспозвоночных, таких как социальные насекомые медоносных пчел, длинные некодирующие РНК выявляются как возможный эпигенетический механизм через аллель-специфичные гены, лежащие в основе агрессии посредством реципрокных скрещиваний. [75]
Прионы – это инфекционные формы белков . В целом белки складываются в отдельные единицы, выполняющие различные клеточные функции, но некоторые белки также способны образовывать инфекционное конформационное состояние, известное как прион. Хотя прионы часто рассматриваются в контексте инфекционных заболеваний , их более широко определяют по их способности каталитически конвертировать другие версии того же белка в нативном состоянии в инфекционное конформационное состояние. Именно в этом последнем смысле их можно рассматривать как эпигенетические агенты, способные вызывать фенотипические изменения без модификации генома. [76]
Некоторые считают, что грибковые прионы являются эпигенетическими, поскольку инфекционный фенотип, вызываемый прионом, может передаваться по наследству без модификации генома. PSI+ и URE3, обнаруженные у дрожжей в 1965 и 1971 годах, являются двумя наиболее изученными прионами этого типа. [77] [78] Прионы могут оказывать фенотипический эффект за счет секвестрации белка в агрегатах, тем самым снижая активность этого белка. В клетках PSI+ потеря белка Sup35 (который участвует в терминации трансляции) приводит к тому, что рибосомы имеют более высокую скорость считывания стоп- кодонов , что приводит к подавлению нонсенс-мутаций в других генах. [79] Способность Sup35 образовывать прионы может быть консервативным признаком. Это может дать адаптивное преимущество, давая клеткам возможность переключаться в состояние PSI+ и выражать спящие генетические особенности, которые обычно прекращаются мутациями стоп-кодонов. [80] [81] [82] [83]
Эпигенетика на основе прионов также наблюдалась у Saccharomyces cerevisiae . [84]
Эпигенетические изменения модифицируют активацию определенных генов, но не последовательность генетического кода ДНК. [85] Микроструктура (не код) самой ДНК или связанных с ней белков хроматина может быть изменена, вызывая активацию или молчание. Этот механизм позволяет дифференцированным клеткам многоклеточного организма экспрессировать только те гены, которые необходимы для их собственной активности. Эпигенетические изменения сохраняются при делении клеток. Большинство эпигенетических изменений происходят только в течение жизни одного отдельного организма; однако эти эпигенетические изменения могут передаваться потомству организма посредством процесса, называемого трансгенерационным эпигенетическим наследованием . Более того, если инактивация гена происходит в сперматозоиде или яйцеклетке, что приводит к оплодотворению, эта эпигенетическая модификация также может быть передана следующему поколению. [86]
Конкретные эпигенетические процессы включают парамутацию , закладку , импринтинг , молчание генов , инактивацию Х-хромосомы , эффект положения , перепрограммирование метилирования ДНК , трансвекцию , материнские эффекты , прогресс канцерогенеза , многие эффекты тератогенов , регуляцию модификаций гистонов и гетерохроматина , а также технические ограничения, влияющие на партеногенез и клонирование . [87] [88] [89]
Повреждение ДНК также может вызывать эпигенетические изменения. [90] [91] [92] Повреждение ДНК происходит очень часто, происходит в среднем около 60 000 раз в день на клетку человеческого тела (см. Повреждение ДНК (естественное происхождение) ). Эти повреждения в значительной степени устраняются, однако эпигенетические изменения все еще могут сохраняться в месте репарации ДНК. [93] В частности, двухцепочечный разрыв ДНК может инициировать незапрограммированное эпигенетическое молчание генов, вызывая как метилирование ДНК, так и способствуя подавлению типов модификаций гистонов (ремоделирование хроматина - см. следующий раздел). [94] Кроме того, фермент Parp1 (поли(ADP)-рибозополимераза) и его продукт поли(ADP)-рибоза (PAR) накапливаются в местах повреждения ДНК в рамках процесса восстановления. [95] Это накопление, в свою очередь, направляет рекрутирование и активацию белка ремоделирования хроматина, ALC1, который может вызывать ремоделирование нуклеосом . [96] Было обнаружено, что ремоделирование нуклеосом вызывает, например, эпигенетическое молчание гена репарации ДНК MLH1. [22] [97] Химические вещества, повреждающие ДНК, такие как бензол , гидрохинон , стирол , четыреххлористый углерод и трихлорэтилен , вызывают значительное гипометилирование ДНК, в некоторых случаях за счет активации путей окислительного стресса. [98]
Известно, что продукты питания изменяют эпигенетику крыс, находящихся на различных диетах. [99] Некоторые пищевые компоненты эпигенетически повышают уровни ферментов репарации ДНК, таких как MGMT и MLH1 [100] и p53 . [101] [102] Другие пищевые компоненты, например изофлавоны сои, могут уменьшить повреждение ДНК . В одном исследовании маркеры окислительного стресса, такие как модифицированные нуклеотиды, которые могут возникнуть в результате повреждения ДНК, были снижены за счет трехнедельной диеты с добавлением сои. [103] Уменьшение окислительного повреждения ДНК также наблюдалось через 2 часа после употребления экстракта выжимок черники , богатого антоцианами ( Vaccinium myrtillius L.) . [104]
Повреждения ДНК очень распространены и постоянно восстанавливаются. Эпигенетические изменения могут сопровождать восстановление ДНК в результате окислительного повреждения или двухцепочечных разрывов. В клетках человека окислительное повреждение ДНК происходит примерно 10 000 раз в день, а двухцепочечные разрывы ДНК происходят примерно от 10 до 50 раз за клеточный цикл в соматических реплицирующихся клетках (см. Повреждение ДНК (естественное) ). Избирательное преимущество репарации ДНК заключается в том, что она позволяет клетке выжить даже после повреждения ДНК. Избирательное преимущество эпигенетических изменений, возникающих при репарации ДНК, неясно. [ нужна цитата ]
В устойчивом состоянии (с возникновением и восстановлением эндогенных повреждений) в средней ДНК клеток млекопитающих имеется около 2400 гуанинов, поврежденных окислением, которые образуют 8-оксо-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG). [105] 8-OHdG составляет около 5% окислительных повреждений, обычно присутствующих в ДНК. [106] Окисленные гуанины не встречаются случайно среди всех гуанинов в ДНК. Существует предпочтение последовательности гуанина в метилированном сайте CpG (за цитозином следует гуанин в направлении 5' → 3' и там, где цитозин метилирован (5-mCpG)). [107] Сайт 5-mCpG имеет самый низкий потенциал ионизации для окисления гуанина. [ нужна цитата ]
Окисленный гуанин обладает потенциалом неправильного спаривания и является мутагенным. [109] Оксогуанингликозилаза (OGG1) является основным ферментом, ответственным за удаление окисленного гуанина во время репарации ДНК. OGG1 находит 8-OHdG и связывается с ним в течение нескольких секунд. [110] Однако OGG1 не удаляет 8-OHdG немедленно. В клетках HeLa половина максимального удаления 8-OHdG происходит за 30 минут [111] , а у облученных мышей 8-OHdG, индуцированные в печени мышей, удаляются с периодом полураспада 11 минут. [106]
Когда OGG1 присутствует в окисленном гуанине в метилированном сайте CpG, он привлекает TET1 к повреждению 8-OHdG (см. Рисунок). Это позволяет TET1 деметилировать соседний метилированный цитозин. Деметилирование цитозина является эпигенетическим изменением. [ нужна цитата ]
Например, когда эпителиальные клетки молочной железы человека обрабатывались H 2 O 2 в течение шести часов, содержание 8-OHdG в ДНК увеличивалось примерно в 3,5 раза, что вызывало примерно 80% деметилирование 5-метилцитозинов в геноме. [108] Деметилирование CpG в промоторе гена под действием активности фермента ТЕТ увеличивает транскрипцию гена в информационную РНК. [112] В клетках, обработанных H 2 O 2 , исследовался один конкретный ген, BACE1 . [108] Уровень метилирования CpG-островка BACE1 был снижен (эпигенетическое изменение), что позволило примерно в 6,5 раз увеличить экспрессию информационной РНК BACE1 . [ нужна цитата ]
В то время как шестичасовая инкубация с H 2 O 2 вызывает значительное деметилирование сайтов 5-mCpG, более короткое время инкубации с H 2 O 2 , по-видимому, способствует другим эпигенетическим изменениям. Обработка клеток H 2 O 2 в течение 30 минут приводит к тому, что гетеродимер белка репарации несоответствия MSH2-MSH6 рекрутирует ДНК-метилтрансферазу 1 ( DNMT1 ) в места некоторых видов окислительного повреждения ДНК. [113] Это может вызвать повышенное метилирование цитозинов (эпигенетические изменения) в этих местах.
Цзян и др. [114] обрабатывали клетки HEK 293 агентами, вызывающими окислительное повреждение ДНК ( бромат калия (KBrO3) или хромат калия (K2CrO4)). Базовая эксцизионная репарация (BER) окислительного повреждения происходила с помощью фермента репарации ДНК- полимеразы бета , локализующегося на окисленных гуанинах. Полимераза бета является основной полимеразой человека при коротком BER окислительного повреждения ДНК. Цзян и др. [114] также обнаружили, что полимераза бета рекрутирует белок ДНК-метилтрансферазы DNMT3b в сайты репарации BER. Затем они оценили характер метилирования на уровне одного нуклеотида в небольшой области ДНК, включая область промотора и область ранней транскрипции гена BRCA1 . Окислительное повреждение ДНК броматом модулировало характер метилирования ДНК (вызывая эпигенетические изменения) в сайтах CpG в исследуемой области ДНК. В необработанных клетках CpG, расположенные в местах -189, -134, -29, -19, +16 и +19 гена BRCA1, имели метилированные цитозины (где нумерация ведется от места начала транскрипции информационной РНК , а отрицательные числа указывают на нуклеотиды в вышележащая промоторная область). Окисление, вызванное обработкой броматом, привело к потере метилирования цитозина в точках -189, -134, +16 и +19, а также привело к образованию нового метилирования в CpG, расположенных в точках -80, -55, -21 и +8 после Репарация ДНК была разрешена.
По крайней мере в четырех статьях сообщается о привлечении ДНК-метилтрансферазы 1 (DNMT1) к участкам двухцепочечных разрывов ДНК. [115] [116] [117] [118] Во время гомологичной рекомбинационной репарации (HR) двухцепочечного разрыва участие DNMT1 приводит к тому, что две восстановленные цепи ДНК имеют разные уровни метилированных цитозинов. Одна цепь часто метилируется примерно в 21 сайте CpG ниже восстановленного двухцепочечного разрыва. Другая цепь ДНК теряет метилирование примерно в шести сайтах CpG, которые ранее были метилированы после двухцепочечного разрыва, а также теряет метилирование примерно в пяти сайтах CpG, которые ранее были метилированы перед двухцепочечным разрывом. Когда хромосома реплицируется, это приводит к появлению одной дочерней хромосомы, которая сильно метилирована ниже предыдущего сайта разрыва, и одной, которая неметилирована в области как выше, так и ниже предыдущего сайта разрыва. Что касается гена, который был сломан в результате двухцепочечного разрыва, половина клеток-потомков экспрессирует этот ген на высоком уровне, а в другой половине клеток-потомков экспрессия этого гена подавляется. Когда клоны этих клеток хранились в течение трех лет, новые закономерности метилирования сохранялись в течение этого периода времени. [119]
У мышей с CRISPR-опосредованной вставкой рекомбинации, направленной на гомологию, в их геноме наблюдалось большое количество повышенного метилирования сайтов CpG внутри вставки, связанной с двухцепочечным разрывом. [120]
Восстановление двухцепочечного разрыва с помощью негомологичного соединения концов (NHEJ) может вызвать небольшое количество деметилирований ранее существовавших метилирований цитозиновой ДНК ниже восстановленного двухцепочечного разрыва. [116] Дальнейшая работа Аллена и др. [121] показали, что NHEJ двухцепочечного разрыва ДНК в клетке может давать начало некоторым потомкам клеток с репрессированной экспрессией гена, несущего первоначальный двухцепочечный разрыв, и некоторым потомкам, имеющим высокую экспрессию этого гена из-за эпигенетических изменений, связанных с с ремонтом NHEJ. Частота эпигенетических изменений, вызывающих репрессию гена после репарации NHEJ двухцепочечного разрыва ДНК в этом гене, может составлять около 0,9%. [117]
Эпигенетические исследования используют широкий спектр молекулярно-биологических методов для дальнейшего понимания эпигенетических явлений. Эти методы включают иммунопреципитацию хроматина (вместе с его крупномасштабными вариантами ChIP-on-chip и ChIP-Seq ), флуоресцентную гибридизацию in situ , чувствительные к метилированию рестрикционные ферменты , идентификацию ДНК-аденин-метилтрансферазы ( DamID ) и бисульфитное секвенирование . [122] Кроме того, использование методов биоинформатики играет роль в вычислительной эпигенетике . [122]
Иммунопреципитация хроматина (ChIP) помогла преодолеть разрыв между ДНК и эпигенетическими взаимодействиями. [123] С помощью ChIP исследователи могут делать выводы относительно регуляции генов, механизмов транскрипции и структуры хроматина. [123]
Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) очень важна для понимания эпигенетических механизмов. [124] FISH можно использовать для определения местоположения генов на хромосомах, а также для поиска некодирующих РНК. [124] [125] FISH преимущественно используется для выявления хромосомных аномалий у людей. [125]
Чувствительные к метилированию рестриктазы в сочетании с ПЦР — это способ оценить метилирование в ДНК, особенно в сайтах CpG. [126] Если ДНК метилирована, ферменты рестрикции не будут расщеплять цепь. [126] И наоборот, если ДНК не метилирована, ферменты расщепят цепь, и она будет амплифицирована с помощью ПЦР. [126]
Бисульфитное секвенирование — еще один способ оценить метилирование ДНК. Цитозин будет заменен на урацил при обработке бисульфитом натрия, тогда как метилированные цитозины не будут затронуты. [126] [50] [49]
Некоторые методы секвенирования, такие как секвенирование нанопор , позволяют секвенировать нативную ДНК. Нативная (= неамплифицированная) ДНК сохраняет эпигенетические модификации, которые в противном случае были бы потеряны на этапе амплификации. Модели вызывающих основания нанопор могут различать сигналы, полученные для эпигенетически модифицированных оснований и неизмененных оснований, и предоставлять эпигенетический профиль в дополнение к результату секвенирования. [127]
У инфузорий, таких как Tetrahymena и Paramecium , генетически идентичные клетки демонстрируют наследственные различия в характере ресничных рядов на поверхности клеток. Экспериментально измененные паттерны могут передаваться дочерним клеткам. Похоже, существующие структуры служат шаблонами для новых структур. Механизмы такого наследования неясны, но существуют основания предполагать, что многоклеточные организмы также используют существующие клеточные структуры для сборки новых. [128] [129] [130]
Геномы эукариот содержат множество нуклеосом . Положение нуклеосом не является случайным и определяет доступность ДНК для регуляторных белков. Показано, что промоторы, активные в разных тканях, имеют разные особенности позиционирования нуклеосом. [131] Это определяет различия в экспрессии генов и дифференцировке клеток. Было показано, что по крайней мере некоторые нуклеосомы сохраняются в сперматозоидах (где большинство, но не все гистоны заменены протаминами ). Таким образом, положение нуклеосом в некоторой степени наследуется. Недавние исследования выявили связь между расположением нуклеосом и другими эпигенетическими факторами, такими как метилирование ДНК и гидроксиметилирование. [132]
Различные варианты гистонов неслучайно включаются в определенные участки генома. Их дифференциальные биохимические характеристики могут влиять на функции генома посредством их роли в регуляции генов [133] и поддержании структур хромосом. [134]
Трехмерная конфигурация генома (3D-геном) сложна, динамична и имеет решающее значение для регуляции геномной функции и ядерных процессов, таких как репликация ДНК, транскрипция и восстановление повреждений ДНК. [135]
Формирование и поддержание памяти обусловлено эпигенетическими изменениями, которые вызывают необходимые динамические изменения в транскрипции генов , создающих и обновляющих память в нейронах. [31]
Событие может запустить цепочку реакций, которые приводят к изменению метилирования большого набора генов в нейронах, которые дают представление о событии — память. [31]
Области мозга, важные для формирования воспоминаний, включают гиппокамп, медиальную префронтальную кору (мПФК), переднюю поясную извилину и миндалевидное тело, как показано на схеме человеческого мозга в этом разделе. [136]
Когда создается сильная память, как у крысы, подвергнутой контекстуальному обусловливанию страха (CFC), одним из самых ранних событий является то, что более 100 двухцепочечных разрывов ДНК образуются топоизомеразой IIB в нейронах гиппокампа и медиальной области. префронтальная кора (мПФК). [137] Эти двухцепочечные разрывы находятся в определенных местах, которые позволяют активировать транскрипцию немедленных ранних генов (IEG), которые важны для формирования памяти, обеспечивая их экспрессию в мРНК , с пиком транскрипции мРНК через семь-десять минут после CFC. [137] [138]
Двумя важными IEG в формировании памяти являются EGR1 [139] и вариант альтернативного промотора DNMT3A , DNMT3A2 . [140] Белок EGR1 связывается с ДНК по своим связывающим мотивам, 5'-GCGTGGGCG-3' или 5'-GCGGGGGCGG-3', и существует около 12 000 мест генома, с которыми может связываться белок EGR1. [141] Белок EGR1 связывается с ДНК в областях промотора и энхансера гена . EGR1 вовлекает в ассоциацию деметилирующий фермент TET1 и переносит TET1 примерно в 600 мест генома, где TET1 может затем деметилировать и активировать связанные гены. [141]
ДНК-метилтрансферазы DNMT3A1, DNMT3A2 и DNMT3B могут метилировать цитозины (см. изображение в этом разделе) в сайтах CpG внутри промоторов генов или рядом с ними. Как показали Manzo et al., [142] эти три ДНК-метилтрансферазы различаются по местам связывания с геномом и активности метилирования ДНК в разных регуляторных сайтах. Манзо и др. обнаружили 3970 областей генома, обогащенных исключительно DNMT3A1, 3838 областей DNMT3A2 и 3432 области DNMT3B. Когда DNMT3A2 вновь индуцируется как IEG (когда нейроны активированы), происходит множество новых метилирований цитозина, предположительно в целевых областях DNMT3A2. Оливьера и др. [140] обнаружили, что уровни Dnmt3a2, индуцируемые нейрональной активностью IEG, в гиппокампе определяют способность формировать долговременную память.
У крыс формируются долговременные ассоциативные воспоминания после контекстного обуславливания страха (CFC) . [143] Дьюк и др. [30] обнаружили, что через 24 часа после ХФУ у крыс в нейронах гиппокампа 2097 генов (9,17% генов в геноме крысы) изменили метилирование. Когда вновь метилированные цитозины присутствуют в сайтах CpG в промоторных областях генов, гены часто репрессируются, а когда присутствуют вновь деметилированные цитозины, гены могут активироваться. [144] После CFC было 1048 генов со сниженной экспрессией мРНК и 564 гена с повышенной экспрессией мРНК. Аналогичным образом, когда мыши подвергаются CFC, через час в области гиппокампа мышиного мозга появляется 675 деметилированных генов и 613 гиперметилированных генов. [145] Однако воспоминания не остаются в гиппокампе, а через четыре или пять недель воспоминания сохраняются в передней поясной извилине. [146] В исследованиях на мышах после CFC Halder et al. [145] показали, что через четыре недели после ХФК в передней поясной извилине было не менее 1000 дифференциально метилированных генов и более 1000 дифференциально экспрессируемых генов, в то время как измененные метилирования в гиппокампе были обращены вспять.
Эпигенетическое изменение метилирования после установления новой памяти создает другой пул ядерных мРНК. Как отметил Бернштейн, [31] эпигенетически детерминированная новая смесь ядерных мРНК часто упаковывается в нейрональные гранулы или матричные РНП , состоящие из мРНК, малых и больших рибосомальных субъединиц , факторов инициации трансляции и РНК-связывающих белков, которые регулируют функцию мРНК. Эти нейрональные гранулы транспортируются из ядра нейрона и направляются, в соответствии с 3'-нетранслируемыми участками мРНК в гранулах (их «почтовыми индексами»), к дендритам нейронов . Примерно 2500 мРНК могут быть локализованы в дендритах пирамидных нейронов гиппокампа и, возможно, 450 транскриптов находятся в возбуждающих пресинаптических нервных окончаниях (дендритных шипиках). Измененные наборы транскриптов (зависящие от эпигенетических изменений в ядре нейрона) обладают разной чувствительностью в ответ на сигналы, что лежит в основе измененной синаптической пластичности. Измененную синаптическую пластичность часто считают нейрохимической основой обучения и памяти.
Эпигенетика играет важную роль в старении мозга и возрастном снижении когнитивных функций, что имеет отношение к продлению жизни . [147] [148] [149] [150] [151]
Во взрослом возрасте изменения эпигенома важны для различных высших когнитивных функций. Нарушение регуляции эпигенетических механизмов связано с нейродегенеративными расстройствами и заболеваниями. Эпигенетические модификации нейронов динамичны и обратимы. [152] Эпигенетическая регуляция влияет на деятельность нейронов, влияя на обучение, память и другие когнитивные процессы. [153]
Ранние события, в том числе во время эмбрионального развития , могут влиять на развитие, познание и состояние здоровья посредством эпигенетических механизмов. [154]
Эпигенетические механизмы были предложены как «потенциальный молекулярный механизм воздействия эндогенных гормонов на организацию развивающихся цепей мозга». [155]
Питательные вещества могут взаимодействовать с эпигеномом, чтобы «защищать или стимулировать когнитивные процессы на протяжении всей жизни». [156] [157]
Обзор предполагает, что нейробиологические эффекты физических упражнений через эпигенетику кажутся «центральными для создания «эпигенетической памяти», влияющей на долгосрочную функцию и поведение мозга» и могут даже передаваться по наследству. [158]
С помощью аксо-цилиарного синапса осуществляется связь между серотонинергическими аксонами и антенноподобными первичными ресничками пирамидальных нейронов CA1 , которая изменяет эпигенетическое состояние нейрона в ядре посредством передачи сигналов, отличной от передачи сигналов на плазматической мембране ( и на более длительный срок). [159] [160]
Эпигенетика также играет важную роль в эволюции мозга человека . [161]
Эпигенетику развития можно разделить на предопределенный и вероятностный эпигенез. Предопределенный эпигенез — это однонаправленное движение от структурного развития ДНК к функциональному созреванию белка. «Заранее определенное» здесь означает, что развитие запланировано и предсказуемо. Вероятностный эпигенез, с другой стороны, представляет собой двунаправленное структурно-функциональное развитие с опытом и внешним формирующим развитием. [162]
Соматическое эпигенетическое наследование, особенно посредством ковалентных модификаций ДНК и гистонов и репозиционирования нуклеосом , очень важно в развитии многоклеточных эукариотических организмов. [132] Последовательность генома статична (за некоторыми заметными исключениями), но клетки дифференцируются на множество разных типов, которые выполняют разные функции и по-разному реагируют на окружающую среду и межклеточную передачу сигналов. Таким образом, по мере развития индивидуумов морфогены активируют или заглушают гены эпигенетически наследуемым образом, давая клеткам память. У млекопитающих большинство клеток дифференцируются окончательно, и только стволовые клетки сохраняют способность дифференцироваться в несколько типов клеток («тотипотентность» и «мультипотентность»). У млекопитающих некоторые стволовые клетки продолжают производить вновь дифференцированные клетки на протяжении всей жизни, например, при нейрогенезе , но млекопитающие не способны реагировать на потерю некоторых тканей, например, на неспособность регенерировать конечности, на что способны некоторые другие животные. Эпигенетические модификации регулируют переход от нейральных стволовых клеток к глиальным клеткам-предшественникам (например, дифференцировка в олигодендроциты регулируется деацетилированием и метилированием гистонов. [163] В отличие от животных, растительные клетки не дифференцируются окончательно, оставаясь тотипотентными со способностью давать Хотя растения действительно используют многие из тех же эпигенетических механизмов, что и животные, такие как ремоделирование хроматина , была выдвинута гипотеза, что некоторые виды растительных клеток не используют или не требуют «клеточной памяти», переустанавливая свои паттерны экспрессии генов. использование позиционной информации из окружающей среды и окружающих клеток для определения их судьбы [164] .
Эпигенетические изменения могут возникать в ответ на воздействие окружающей среды – например, прием материнских пищевых добавок с генистеином (250 мг/кг) вызывает эпигенетические изменения, влияющие на экспрессию гена агути , который влияет на цвет их шерсти, вес и склонность к развитию рака. [165] [166] [167] Текущие исследования сосредоточены на изучении влияния других известных тератогенов , таких как диабетическая эмбриопатия , на признаки метилирования . [168]
Спорные результаты одного исследования показали, что травматический опыт может вызвать эпигенетический сигнал, который может быть передан будущим поколениям. Мышей обучали с помощью электрошока ногами бояться запаха цветущей вишни. Исследователи сообщили, что потомство мышей испытывало повышенное отвращение к этому специфическому запаху. [169] [170] Они предположили, что эпигенетические изменения увеличивают экспрессию генов, а не в самой ДНК, в гене M71, который управляет функционированием рецептора запаха в носу, который специфически реагирует на запах цветущей вишни. В мозгу обученных мышей и их потомков произошли физические изменения, которые коррелировали с обонятельной функцией. Было высказано несколько критических замечаний, в том числе низкая статистическая мощность исследования как свидетельство некоторых нарушений, таких как предвзятость в отчетах о результатах. [171] Из-за ограничений размера выборки существует вероятность того, что эффект не будет продемонстрирован в пределах статистической значимости, даже если он существует. Критика предполагала, что вероятность того, что все описанные эксперименты покажут положительные результаты при соблюдении идентичного протокола, при условии существования заявленных эффектов, составляет всего 0,4%. Авторы также не указали, какие мыши были братьями и сестрами, и считали всех мышей статистически независимыми. [172] Первые исследователи указали в приложении к статье отрицательные результаты, которые критики пропустили в своих расчетах, и обязались отслеживать, какие мыши станут братьями и сестрами в будущем. [173]
Эпигенетические механизмы были необходимой частью эволюционного происхождения клеточной дифференцировки . [174] [ для проверки необходима цитата ] Хотя эпигенетика у многоклеточных организмов обычно считается механизмом, участвующим в дифференцировке, при этом эпигенетические паттерны «сбрасываются» при размножении организмов, были некоторые наблюдения трансгенерационного эпигенетического наследования (например, феномен парамутация , наблюдаемая у кукурузы ). Хотя большинство этих эпигенетических черт, передаваемых разными поколениями, постепенно утрачиваются в течение нескольких поколений, остается вероятность того, что эпигенетика нескольких поколений может быть еще одним аспектом эволюции и адаптации. Как упоминалось выше, некоторые определяют эпигенетику как наследственную.
Секвестрированная зародышевая линия или барьер Вейсмана специфичны для животных, а эпигенетическое наследование чаще встречается у растений и микробов. Ева Яблонка , Мэрион Дж. Лэмб и Этьен Данчин утверждали, что эти эффекты могут потребовать усовершенствования стандартной концептуальной структуры современного синтеза , и призвали к расширенному эволюционному синтезу . [175] [176] [177] Другие биологи-эволюционисты, такие как Джон Мейнард Смит , включили эпигенетическое наследование в модели популяционной генетики [178] или открыто скептически относятся к расширенному эволюционному синтезу ( Майкл Линч ). [179] Томас Дикинс и Кази Рахман утверждают, что эпигенетические механизмы, такие как метилирование ДНК и модификация гистонов, генетически наследуются под контролем естественного отбора и, следовательно, соответствуют более раннему «современному синтезу» . [180]
Два важных аспекта, которыми эпигенетическое наследование может отличаться от традиционного генетического наследования, что имеет важные последствия для эволюции, заключаются в следующем:
У растений наследственные мутации метилирования ДНК встречаются в 100 000 раз чаще, чем мутации ДНК. [183] Эпигенетически наследуемый элемент, такой как система PSI+ , может действовать как «замедлитель», достаточно хороший для краткосрочной адаптации, которая позволяет линии выживать достаточно долго, чтобы мутация и/или рекомбинация генетически ассимилировали адаптивный фенотип. изменять. [184] Существование этой возможности увеличивает эволюционность вида.
Сообщалось о более чем 100 случаях феномена трансгенерационного эпигенетического наследования у широкого круга организмов, включая прокариотов, растения и животных. [185] Например, бабочки в траурном плаще меняют цвет из-за гормональных изменений в ответ на эксперименты с различными температурами. [186]
Нитчатый гриб Neurospora crassa представляет собой выдающуюся модельную систему для понимания контроля и функции метилирования цитозина. В этом организме метилирование ДНК связано с остатками системы защиты генома, называемой RIP (повторно-индуцированная точечная мутация), и подавляет экспрессию генов путем ингибирования элонгации транскрипции. [187]
Дрожжевой прион PSI образуется в результате конформационного изменения фактора терминации трансляции, который затем наследуется дочерними клетками. Это может обеспечить преимущество в выживании в неблагоприятных условиях, иллюстрируя эпигенетическую регуляцию, которая позволяет одноклеточным организмам быстро реагировать на стресс окружающей среды. Прионы можно рассматривать как эпигенетические агенты, способные вызывать фенотипические изменения без модификации генома. [188]
Прямое обнаружение эпигенетических меток у микроорганизмов возможно с помощью секвенирования одной молекулы в реальном времени , при котором чувствительность полимеразы позволяет измерять метилирование и другие модификации во время секвенирования молекулы ДНК. [189] Несколько проектов продемонстрировали возможность сбора эпигенетических данных по всему геному у бактерий. [190] [191] [192] [193]
Хотя эпигенетика имеет фундаментальное значение у эукариот , особенно у многоклеточных животных , у бактерий она играет иную роль. [194] Самое главное, что эукариоты используют эпигенетические механизмы в первую очередь для регуляции экспрессии генов, что бактерии делают редко. Однако бактерии широко используют пострепликативное метилирование ДНК для эпигенетического контроля взаимодействий ДНК-белок. Бактерии также используют метилирование аденина ДНК (а не метилирование цитозина ДНК ) в качестве эпигенетического сигнала. Метилирование аденина ДНК играет важную роль в вирулентности бактерий в таких организмах, как Escherichia coli , Salmonella , Vibrio , Yersinia , Haemophilus и Brucella . У Alphaproteobacteria метилирование аденина регулирует клеточный цикл и связывает транскрипцию генов с репликацией ДНК. У гаммапротеобактерий метилирование аденина обеспечивает сигналы для репликации ДНК, сегрегации хромосом, восстановления ошибочных спариваний, упаковки бактериофага, активности транспозазы и регуляции экспрессии генов. [188] [195] Существует генетический переключатель, контролирующий Streptococcus pneumoniae (пневмококк), который позволяет бактерии случайным образом изменять свои характеристики в шесть альтернативных состояний, которые могут проложить путь к улучшению вакцин. Каждая форма генерируется случайным образом с помощью фазовой переменной системы метилирования. Способность пневмококка вызывать смертельные инфекции различна в каждом из этих шести состояний. Подобные системы существуют и у других родов бактерий. [196] У Bacillota , такого как Clostridioides difficile , метилирование аденина регулирует споруляцию , образование биопленок и адаптацию к хозяину. [197]
Эпигенетика имеет множество разнообразных потенциальных медицинских применений. [198] В 2008 году Национальные институты здравоохранения объявили, что на эпигенетические исследования в течение следующих пяти лет выделено 190 миллионов долларов. Объявляя о финансировании, правительственные чиновники отметили, что эпигенетика обладает потенциалом для объяснения механизмов старения , развития человека и происхождения рака , болезней сердца , психических заболеваний , а также ряда других состояний. Некоторые исследователи, такие как Рэнди Джиртл , доктор философии из Медицинского центра Университета Дьюка, считают, что эпигенетика в конечном итоге может сыграть более важную роль в развитии болезней , чем генетика. [199]
Прямое сравнение однояйцевых близнецов представляет собой оптимальную модель для изучения эпигенетики окружающей среды . В случае людей с разным воздействием окружающей среды монозиготные (идентичные) близнецы были эпигенетически неразличимы в первые годы жизни, тогда как близнецы старшего возраста имели заметные различия в общем содержании и геномном распределении ДНК 5-метилцитозина и ацетилировании гистонов. [11] Пары близнецов, которые провели вместе меньшую часть своей жизни и/или имели большие различия в истории болезни, показали наибольшие различия в уровнях ДНК 5-метилцитозина и ацетилировании гистонов H3 и H4. [200]
Дизиготные (разнояйцевые) и монозиготные (идентичные) близнецы демонстрируют свидетельства эпигенетического влияния на человека. [200] [201] [202] Различия в последовательностях ДНК, которых было бы много в одноэлементном исследовании, не мешают анализу. Экологические различия могут вызывать долгосрочные эпигенетические эффекты, а различные подтипы монозиготных близнецов по развитию могут различаться в отношении их склонности к дискордантности с эпигенетической точки зрения. [203]
Высокопроизводительное исследование, подразумевающее технологию, которая рассматривает обширные генетические маркеры, было сосредоточено на эпигенетических различиях между монозиготными близнецами для сравнения глобальных и локус-специфичных изменений в метилировании ДНК и модификациях гистонов в выборке из 40 пар монозиготных близнецов. [200] В данном случае изучались только пары здоровых близнецов, но был представлен широкий диапазон возрастов: от 3 до 74 лет. Одним из основных выводов этого исследования было то, что между двумя братьями и сестрами пар близнецов происходит возрастное накопление эпигенетических различий. Такое накопление предполагает существование эпигенетического «дрейфа». Эпигенетический дрейф — это термин, обозначающий эпигенетические модификации, поскольку они происходят как прямая функция с возрастом. Хотя возраст является известным фактором риска многих заболеваний, было обнаружено, что возрастное метилирование происходит по-разному в определенных участках генома. Со временем это может привести к измеримым различиям между биологическим и хронологическим возрастом. Было обнаружено, что эпигенетические изменения отражают образ жизни и могут выступать в качестве функциональных биомаркеров заболевания до того, как будет достигнут клинический порог . [204]
Более недавнее исследование, в котором 114 монозиготных близнецов и 80 дизиготных близнецов были проанализированы на предмет статуса метилирования ДНК около 6000 уникальных геномных областей, пришло к выводу, что эпигенетическое сходство во время расщепления бластоцисты может также способствовать фенотипическому сходству у монозиготных близнецов. Это подтверждает представление о том, что микроокружение на ранних стадиях эмбрионального развития может быть весьма важным для установления эпигенетических меток. [201] Врожденные генетические заболевания хорошо изучены, и ясно, что эпигенетика может играть роль, например, в случае синдрома Ангельмана и синдрома Прадера-Вилли . Это нормальные генетические заболевания, вызванные делецией или инактивацией генов, но они необычно распространены, поскольку люди по существу являются гемизиготными из-за геномного импринтинга , и поэтому для возникновения заболевания достаточно одного нокаута гена, тогда как в большинстве случаев для возникновения заболевания потребуются обе копии. быть нокаутированным. [205]
Некоторые заболевания человека связаны с геномным импринтингом — явлением у млекопитающих, при котором отец и мать вносят разные эпигенетические паттерны в определенные геномные локусы в своих зародышевых клетках . [206] Самый известный случай импринтинга при заболеваниях человека — это синдром Ангельмана и синдром Прадера-Вилли — оба могут быть вызваны одной и той же генетической мутацией, частичной делецией хромосомы 15q , и конкретный синдром, который разовьется, зависит от того, будет ли Мутация наследуется от матери ребенка или от отца. [207] Это связано с наличием геномного импринтинга в этом регионе. Синдром Беквита-Видемана также связан с геномным импринтингом, часто вызываемым аномалиями материнского геномного импринтинга области на хромосоме 11 .
Метил-CpG-связывающий белок 2 ( MeCP2 ) представляет собой регулятор транскрипции, который должен быть фосфорилирован перед высвобождением из промотора BDNF , что позволяет осуществлять транскрипцию. В основе синдрома Ретта лежат мутации гена MeCP2, несмотря на то, что при микроматрическом анализе не обнаружено никаких крупномасштабных изменений в экспрессии MeCP2. BDNF подавляется у мутанта MECP2, что приводит к синдрому Ретта, а также к увеличению раннего нервного старения и накоплению поврежденной ДНК. [208]
В исследовании Överkalix внуки по отцовской (но не по материнской линии) [209] шведских мужчин, подвергшихся голоданию в подростковом возрасте в 19 веке, имели меньшую вероятность умереть от сердечно-сосудистых заболеваний. Если еды было много, то смертность от диабета у внуков увеличивалась, что позволяет предположить, что это трансгенерационное эпигенетическое наследование. [210] Противоположный эффект наблюдался у женщин: внучки по отцовской (но не по материнской линии) женщин, переживших голод в утробе матери (и, следовательно, во время формирования яйцеклеток), в среднем жили меньше. [211]
Эпигенетические модификации дали понимание патофизиологии различных болезненных состояний. Хотя они тесно связаны с раком, их роль при других патологических состояниях не менее важна. Похоже, что гипергликемическая среда может запечатлеть такие изменения на геномном уровне, что макрофаги настроены на провоспалительное состояние и могут не проявлять каких-либо фенотипических изменений в сторону типа, способствующего заживлению. Этот феномен измененной поляризации макрофагов в основном связан со всеми диабетическими осложнениями в клинической практике. По состоянию на 2018 год несколько отчетов показывают значимость различных эпигенетических модификаций в отношении осложнений диабета. Рано или поздно, с развитием биомедицинских инструментов, обнаружение таких биомаркеров в качестве прогностических и диагностических инструментов у пациентов может стать альтернативным подходом. Здесь следует отметить, что использование эпигенетических модификаций в качестве терапевтических целей требует обширной доклинической, а также клинической оценки перед использованием. [212]
Использование бета-лактамных антибиотиков может изменить активность глутаматных рецепторов и действие циклоспорина на несколько факторов транскрипции. Кроме того, литий может влиять на аутофагию аберрантных белков, а опиоидные препараты при хроническом употреблении могут увеличивать экспрессию генов, связанных с фенотипами зависимости. [213]
В новаторском отчете 2003 года Каспи и его коллеги продемонстрировали, что в обширной когорте из более чем тысячи субъектов, обследованных несколько раз от дошкольного возраста до взрослой жизни, субъекты, несущие одну или две копии короткого аллеля полиморфизма промотора транспортера серотонина, демонстрировали более высокие показатели полиморфизма промотора переносчика серотонина. депрессия и суицидальность у взрослых при жестоком обращении в детстве по сравнению с гомозиготами с длинными аллелями с равным воздействием ELS. [214]
Родительское питание , внутриутробное воздействие стресса или химических веществ, нарушающих работу эндокринной системы , [215] материнские эффекты, вызванные самцами, такие как влечение к разным качествам партнера, а также материнский и отцовский возраст, а также пол потомства - все это может повлиять на то, происходит ли эпимутация зародышевой линии. в конечном итоге выражается в потомстве и степени, в которой наследование между поколениями остается стабильным на протяжении всего потомства. [216] Однако остается неясным, могут ли и в какой степени эпигенетические эффекты передаваться из поколения в поколение, особенно у людей. [217] [218]
Зависимость – это расстройство системы вознаграждения мозга , которое возникает посредством транскрипционных и нейроэпигенетических механизмов и возникает с течением времени из-за хронически высоких уровней воздействия раздражителей, вызывающих привыкание (например, морфия, кокаина, полового акта, азартных игр и т. д.). [219] [220] [221] [222] В доклинических исследованиях было отмечено трансгенерационное эпигенетическое наследование аддиктивных фенотипов . [223] [224] Однако убедительные доказательства в поддержку сохранения эпигенетических эффектов на протяжении нескольких поколений у людей еще не получены; например, эпигенетический эффект пренатального воздействия курения, который наблюдается у правнуков, не подвергавшихся воздействию курения. [217]
В доклиническом исследовании также сообщалось об эпигенетическом наследовании фенотипов, связанных с депрессией. [225] Наследование черт, вызванных отцовским стрессом, из поколения в поколение включало сигналы небольших некодирующих РНК, передаваемых через отцовскую зародышевую линию. [ нужна цитата ]
Недавняя работа продемонстрировала, что SARS-CoV-2 заметно нарушает эпигенетическую регуляцию клеток-хозяев. Согласно исследованию, вирусные белки ослабляют противовирусные реакции, имитируя критические области белков- гистонов человека. В статье показано, что белок SARS-CoV-2, кодируемый ORF8 (ORF8), действует как гистоновый имитатор мотивов ARKS в гистоне H3 , нарушая эпигенетическую регуляцию клетки-хозяина. Мимикрия гистонов позволяет вирусам нарушать способность клетки-хозяина регулировать экспрессию генов и эффективно реагировать на инфекцию. Это открытие может иметь значение для лечения COVID-19, поскольку SARS-CoV-2, лишенный ORF8, связан со снижением тяжести заболевания COVID-19. [226]
Две формы наследственной информации, а именно генетическая и эпигенетическая, вместе называются двойным наследованием. Члены семейства цитозиндезаминаз APOBEC/AID могут одновременно влиять на генетическое и эпигенетическое наследование, используя сходные молекулярные механизмы, и могут быть точкой пересечения между этими концептуально разделенными процессами. [227]
Фторхинолоновые антибиотики вызывают эпигенетические изменения в клетках млекопитающих посредством хелатирования железа . Это приводит к эпигенетическим эффектам за счет ингибирования α-кетоглутарат-зависимых диоксигеназ , кофактором которых является железо . [228]
Различные фармакологические агенты применяются для производства индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) или поддержания фенотипа эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) с помощью эпигенетического подхода. Взрослые стволовые клетки, такие как стволовые клетки костного мозга, также продемонстрировали потенциал дифференцироваться в сердечные компетентные клетки при обработке ингибитором гистон-метилтрансферазы G9a BIX01294. [229] [230]
Клеточная пластичность, то есть адаптация клеток к стимулам без изменения их генетического кода, требует эпигенетических изменений. Они наблюдались в клеточной пластичности раковых клеток во время эпителиально-мезенхимального перехода [231] , а также в иммунных клетках, таких как макрофаги. [232] Интересно, что в основе этих адаптаций лежат метаболические изменения, поскольку различные метаболиты играют решающую роль в химии эпигенетических меток. Сюда входит, например, альфа-кетоглутарат, который необходим для деметилирования гистонов, и ацетил-коэнзим А, который необходим для ацетилирования гистонов.
Эпигенетическая регуляция экспрессии генов, которая может быть изменена или использована при редактировании эпигенома , включает или включает модификацию мРНК/днРНК, модификацию метилирования ДНК и модификацию гистонов . [233] [234] [235]
Метилирование — широко известный механизм генетической регуляции, который может определять биологические признаки. Однако убедительные экспериментальные данные коррелируют с паттернами метилирования в SNP как с важной дополнительной особенностью классической эпигенетической догмы активации/ингибирования. Данные о молекулярном взаимодействии, подтвержденные анализом колокализации, идентифицируют множественные пути ядерной регуляции, связывая вариации последовательностей с нарушениями метилирования ДНК, а также молекулярными и фенотипическими вариациями. [236]
UBASH3B кодирует белок с активностью тирозинфосфатазы, которую ранее связывали с развитой неоплазией. [237] SNP rs7115089 был идентифицирован как влияющий на метилирование ДНК и экспрессию этого локуса, а также на индекс массы тела (ИМТ). [236] Фактически, SNP rs7115089 тесно связан с ИМТ [238] и с генетическими вариантами, связанными с другими сердечно-сосудистыми и метаболическими характеристиками у GWAS. [239] [240] [241] Новые исследования показывают, что UBASH3B является потенциальным медиатором ожирения и кардиометаболических заболеваний. [236] Кроме того, модели на животных продемонстрировали, что экспрессия UBASH3B является индикатором ограничения калорий, которое может способствовать запрограммированной предрасположенности к ожирению, и связано с другими показателями ожирения в периферической крови человека. [242]
SNP rs730775 расположен в первом интроне NFKBIE и представляет собой цис- eQTL для NFKBIE в цельной крови. [236] Ингибитор ядерного фактора (NF)-κB ε (NFKBIE) напрямую ингибирует активность NF-κB1 и в значительной степени коэкспрессируется с NF-κB1, а также связан с ревматоидным артритом. [243] Анализ колокализации подтверждает, что варианты большинства сайтов CpG в SNP rs730775 вызывают генетическую вариацию в локусе NFKBIE , которая, предположительно, связана с ревматоидным артритом посредством трансдействующей регуляции метилирования ДНК с помощью NF-κB. [236]
Десатураза жирных кислот 1 (FADS1) является ключевым ферментом метаболизма жирных кислот. [244] Более того, rs174548 в гене FADS1 демонстрирует повышенную корреляцию с метилированием ДНК у людей с высоким содержанием CD8+ Т-клеток. [236] SNP rs174548 тесно связан с концентрацией арахидоновой кислоты и других метаболитов в метаболизме жирных кислот, [245] [246] количеством эозинофилов в крови. [247] и воспалительные заболевания, такие как астма. [248] Результаты взаимодействия указали на корреляцию между rs174548 и астмой, что дает новое представление о метаболизме жирных кислот в CD8+ Т-клетках с иммунными фенотипами. [236]
Поскольку эпигенетика находится на ранних стадиях развития как наука и окружена сенсациями в средствах массовой информации, Дэвид Горски и генетик Адам Резерфорд посоветовали проявлять осторожность против распространения ложных и псевдонаучных выводов авторов нью-эйдж , делающих необоснованные предположения о том, что гены человека а здоровьем можно управлять с помощью контроля над разумом . Неправильное использование этого научного термина авторами-шарлатанами привело к дезинформации среди широкой публики. [2] [249]
В первоначальном смысле этого определения эпигенетика относилась ко всем молекулярным путям, модулирующим экспрессию генотипа в конкретный фенотип. В последующие годы, с бурным развитием генетики, значение этого слова постепенно сузилось. Эпигенетика была определена и сегодня общепринята как «изучение изменений в функции генов, которые передаются по наследству митотически и/или мейотически и не влекут за собой изменения последовательности ДНК».
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ). Это может свидетельствовать о том, что растительные клетки не используют и не требуют механизма клеточной памяти, а просто реагируют на позиционную информацию.
Однако было показано, что растения действительно используют механизмы клеточной памяти, опосредованные белками PcG, в нескольких процессах... (стр. 104).
Выводы
ΔFosB является важным фактором транскрипции, участвующим в молекулярных и поведенческих путях развития зависимости после неоднократного воздействия наркотиков.
Образование ΔFosB во многих областях мозга и молекулярный путь, ведущий к образованию комплексов AP-1, хорошо изучены.
Установление функционального назначения ΔFosB позволило продолжить определение некоторых ключевых аспектов его молекулярных каскадов, включая такие эффекторы, как GluR2 (87,88), Cdk5 (93) и NFkB (100).
Более того, многие из этих выявленных молекулярных изменений теперь напрямую связаны со структурными, физиологическими и поведенческими изменениями, наблюдаемыми после хронического воздействия наркотиков (60,95,97,102).
Новые горизонты исследований по изучению молекулярной роли ΔFosB были открыты эпигенетическими исследованиями, а недавние достижения проиллюстрировали роль ΔFosB, действующего на ДНК и гистоны, действительно как
молекулярный переключатель
(34).
Благодаря нашему лучшему пониманию ΔFosB при зависимости, стало возможным оценить потенциал привыкания современных лекарств (119), а также использовать его в качестве биомаркера для оценки эффективности терапевтических вмешательств (121,122,124).
Некоторые из этих предлагаемых мер имеют ограничения (125) или находятся на начальной стадии разработки (75).
Однако есть надежда, что некоторые из этих предварительных результатов могут привести к созданию инновационных методов лечения, которые крайне необходимы при зависимости.
По этим причинам ΔFosB считается первичным и причинным фактором транскрипции в создании новых нейронных связей в центре вознаграждения, префронтальной коре и других областях лимбической системы.
Это отражается в повышенном, стабильном и продолжительном уровне чувствительности к кокаину и другим наркотикам, а также в склонности к рецидивам даже после длительных периодов воздержания.
Эти недавно построенные сети функционируют очень эффективно по новым путям, как только злоупотребляемые наркотиками продолжаются... Таким образом, индукция экспрессии гена CDK5 происходит вместе с подавлением гена G9A, кодирующего диметилтрансферазу, действующего на гистон H3.
Механизм обратной связи можно наблюдать в регуляции этих двух важнейших факторов, определяющих адаптивный эпигенетический ответ на кокаин.
Это зависит от ингибирования ΔFosB экспрессии гена G9a, т.е. синтеза H3K9me2, который, в свою очередь, ингибирует факторы транскрипции ΔFosB.
По этой причине наблюдаемая гиперэкспрессия G9a, которая обеспечивает высокие уровни диметилированной формы гистона H3, устраняет эффекты нейрональной структуры и пластичности, вызванные кокаином, посредством этой обратной связи, которая блокирует транскрипцию ΔFosB.
