В биологии эпигенетика — это изучение наследуемых признаков или стабильного изменения функции клетки, которое происходит без изменений в последовательности ДНК . [1] Греческий префикс эпи- ( ἐπι- «над, вне, 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 изменение, которое не стирается делением клетки и влияет на регуляцию экспрессии генов . [3] Такие эффекты на клеточные и физиологические фенотипические признаки могут быть результатом факторов окружающей среды или быть частью нормального развития. Эпигенетические факторы также могут приводить к раку. [4]
Термин также относится к механизму изменений: функционально значимые изменения генома , которые не связаны с мутацией нуклеотидной последовательности . Примерами механизмов, которые вызывают такие изменения, являются метилирование ДНК и модификация гистонов , каждый из которых изменяет способ экспрессии генов, не изменяя при этом лежащую в основе последовательность ДНК . [5] Кроме того, было показано, что некодирующие последовательности РНК играют ключевую роль в регуляции экспрессии генов. [6] Экспрессия генов может контролироваться посредством действия белков-репрессоров , которые прикрепляются к областям -глушителям ДНК. Эти эпигенетические изменения могут длиться в течение клеточных делений в течение всей жизни клетки, а также могут длиться в течение нескольких поколений, даже если они не связаны с изменениями в лежащую в основе последовательности ДНК организма; [7] вместо этого негенетические факторы заставляют гены организма вести себя (или «выражать себя») по-разному. [8]
Одним из примеров эпигенетических изменений в эукариотической биологии является процесс клеточной дифференциации . Во время морфогенеза тотипотентные стволовые клетки становятся различными плюрипотентными линиями клеток эмбриона , которые в свою очередь становятся полностью дифференцированными клетками. Другими словами, по мере того, как одна оплодотворенная яйцеклетка – зигота – продолжает делиться , полученные дочерние клетки изменяются во все различные типы клеток в организме, включая нейроны , мышечные клетки , эпителий , эндотелий кровеносных сосудов и т. д., активируя некоторые 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 современное значение появилось только в 1990-х годах. [11]
Определение понятия эпигенетического признака как «стабильно наследуемого фенотипа, возникающего в результате изменений в хромосоме без изменений в последовательности ДНК» было сформулировано на встрече в Колд-Спринг-Харбор в 2008 году [12] , хотя альтернативные определения, включающие ненаследуемые признаки, по-прежнему широко используются. [13]
Гипотеза эпигенетических изменений, влияющих на экспрессию хромосом, была выдвинута русским биологом Николаем Кольцовым . [14] Из родового значения и связанного с ним прилагательного эпигенетический британский эмбриолог CH Waddington ввел термин эпигенетика в 1942 году как относящийся к эпигенезу , параллельно с «феногенетикой» Валентина Геккера ( Phänogenetik ). [15] Эпигенез в контексте биологии того периода относился к дифференциации клеток из их первоначального тотипотентного состояния во время эмбрионального развития . [16]
Когда Уоддингтон придумал этот термин, физическая природа генов и их роль в наследственности не были известны. Вместо этого он использовал его как концептуальную модель того, как генетические компоненты могут взаимодействовать с окружающей средой, чтобы производить фенотип ; он использовал фразу « эпигенетический ландшафт » как метафору для биологического развития . Уоддингтон считал, что судьбы клеток устанавливаются во время развития в процессе, который он назвал канализацией, подобно тому, как шарик скатывается вниз к точке самого низкого локального возвышения . [17] Уоддингтон предложил визуализировать возрастающую необратимость дифференциации типов клеток в виде хребтов, поднимающихся между долинами, где шарики (аналогичные клеткам) перемещаются. [18]
В последнее время понятие Уоддингтона об эпигенетическом ландшафте было строго формализовано в контексте системно-динамического подхода к изучению судьбы клетки. [19] [20] Предполагается, что определение судьбы клетки будет демонстрировать определенную динамику, такую как аттрактор-конвергенция (аттрактор может быть точкой равновесия, предельным циклом или странным аттрактором ) или колебательную. [20]
В 1990 году Робин Холлидей определил эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в ходе развития сложных организмов». [21]
Более позднее использование этого слова в биологии следует более строгим определениям. Согласно определению Артура Риггса и коллег, это «изучение митотически и/или мейотически наследуемых изменений в функции гена, которые не могут быть объяснены изменениями в последовательности ДНК». [22]
Однако этот термин также использовался для описания процессов, которые не были продемонстрированы как наследуемые, например, некоторые формы модификации гистонов. Следовательно, существуют попытки переопределить «эпигенетику» в более широких терминах, которые бы избегали ограничений, требующих наследуемости . Например, Адриан Берд определил эпигенетику как «структурную адаптацию хромосомных регионов 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, поддерживаемые на протяжении нескольких поколений клеток, но исключать другие, такие как шаблонизация архитектуры мембраны и прионы , если они не посягают на функцию хромосом. Однако такие переопределения не являются общепринятыми и все еще являются предметом дискуссий. [23] Проект NIH «Roadmap Epigenomics», который действовал с 2008 по 2017 год, использует следующее определение: «Для целей этой программы эпигенетика относится как к наследуемым изменениям в активности и экспрессии генов (в потомстве клеток или индивидуумов), так и к стабильным долгосрочным изменениям в транскрипционном потенциале клетки, которые не обязательно являются наследуемыми». [24] В 2008 году на встрече в Колд-Спринг-Харбор было принято консенсусное определение эпигенетического признака: «стабильно наследуемый фенотип, возникающий в результате изменений в хромосоме без изменений в последовательности ДНК» . [12]
Сходство слова с «генетикой» породило множество параллельных употреблений. « Эпигеном » является параллелью слову « геном », относящемуся к общему эпигенетическому состоянию клетки, а эпигеномика относится к глобальному анализу эпигенетических изменений по всему геному. [13] Фраза « генетический код » также была адаптирована — « эпигенетический код » использовался для описания набора эпигенетических признаков, которые создают различные фенотипы в разных клетках из одной и той же базовой последовательности ДНК. В своем крайнем проявлении «эпигенетический код» мог бы представлять общее состояние клетки, при этом положение каждой молекулы учитывалось бы на эпигеномной карте , схематическом представлении экспрессии генов, метилирования ДНК и статуса модификации гистонов определенной области генома. Чаще всего этот термин используется в отношении систематических усилий по измерению конкретных, соответствующих форм эпигенетической информации, таких как код гистонов или паттерны метилирования ДНК . [ необходима цитата ]
Ковалентная модификация либо ДНК (например, метилирование и гидроксиметилирование цитозина), либо гистоновых белков (например, ацетилирование лизина, метилирование лизина и аргинина, фосфорилирование серина и треонина, а также убиквитинирование и сумоилирование лизина) играет центральную роль во многих типах эпигенетического наследования. Поэтому слово «эпигенетика» иногда используется как синоним этих процессов. Однако это может вводить в заблуждение. Ремоделирование хроматина не всегда наследуется, и не все эпигенетическое наследование включает ремоделирование хроматина. [25] В 2019 году в научной литературе появилась еще одна модификация лизина, связывающая модификацию эпигенетики с метаболизмом клеток, то есть лактилирование [26]
Поскольку фенотип клетки или индивидуума зависит от того, какие из ее генов транскрибируются, наследуемые состояния транскрипции могут вызывать эпигенетические эффекты. Существует несколько уровней регуляции экспрессии генов . Один из способов регуляции генов — ремоделирование хроматина. Хроматин — это комплекс ДНК и гистоновых белков, с которыми он ассоциируется. Если способ, которым ДНК обернута вокруг гистонов, изменяется, экспрессия генов также может измениться. Ремоделирование хроматина осуществляется посредством двух основных механизмов:
Часто существует обратная связь между метилированием ДНК и метилированием лизина гистона. [32] Например, белок домена связывания метильной группы MBD1 , притягиваемый и связывающийся с метилированным цитозином в сайте ДНК CpG , может также связываться с активностью метилтрансферазы H3K9 для метилирования гистона 3 по лизину 9. С другой стороны, поддерживающее метилирование ДНК DNMT1, по-видимому, частично зависит от распознавания метилирования гистона на нуклеосоме, присутствующей в сайте ДНК, для выполнения метилирования цитозина на вновь синтезированной ДНК. [32] Существует еще одна перекрестная связь между метилированием ДНК, выполняемым DNMT3A и DNMT3B , и метилированием гистонов, так что существует корреляция между распределением метилирования ДНК и метилирования гистонов по всему геному. [33]
Механизмы наследуемости состояния гистонов изучены недостаточно; однако, многое известно о механизме наследуемости состояния метилирования ДНК во время деления и дифференциации клеток. Наследуемость состояния метилирования зависит от определенных ферментов (таких как DNMT1 ), которые имеют более высокое сродство к 5-метилцитозину, чем к цитозину. Если этот фермент достигает «гемиметилированной» 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 UHRF1 был признан необходимым для опосредованного DNMT1 поддержания метилирования ДНК. UHRF1 — это белок, который специфически распознает гемиметилированную ДНК, тем самым перенося DNMT1 к своему субстрату для поддержания метилирования ДНК. [33]
Хотя модификации гистонов происходят по всей последовательности, неструктурированные N-концы гистонов (называемые гистоновыми хвостами) особенно сильно модифицированы. Эти модификации включают ацетилирование , метилирование , убиквитилирование , фосфорилирование , сумоилирование , рибозилирование и цитруллинирование. Ацетилирование является наиболее изученной из этих модификаций. Например, ацетилирование лизинов K14 и K9 хвоста гистона H3 ферментами гистонацетилтрансферазой (HAT) обычно связано с транскрипционной компетентностью [35] (см. рисунок).
Один из способов мышления заключается в том, что эта тенденция ацетилирования быть связанным с «активной» транскрипцией имеет биофизическую природу. Поскольку он обычно имеет положительно заряженный азот на своем конце, лизин может связывать отрицательно заряженные фосфаты остова ДНК. Событие ацетилирования преобразует положительно заряженную аминогруппу на боковой цепи в нейтральную амидную связь. Это удаляет положительный заряд, таким образом ослабляя ДНК от гистона. Когда это происходит, комплексы, такие как SWI/SNF и другие транскрипционные факторы, могут связываться с ДНК и позволять транскрипции происходить. Это «цис»-модель эпигенетической функции. Другими словами, изменения в хвостах гистонов оказывают прямое влияние на саму ДНК. [36]
Другая модель эпигенетической функции — это «транс»-модель. В этой модели изменения в хвостах гистонов действуют косвенно на ДНК. Например, ацетилирование лизина может создать сайт связывания для хроматин-модифицирующих ферментов (или также транскрипционного аппарата). Этот ремоделер хроматина может затем вызывать изменения в состоянии хроматина. Действительно, бромодомен — домен белка, который специфически связывает ацетил-лизин — обнаружен во многих ферментах, которые помогают активировать транскрипцию, включая комплекс SWI/SNF . Возможно, ацетилирование действует этим и предыдущим способом, помогая в транскрипционной активации.
Идея о том, что модификации действуют как модули стыковки для связанных факторов , также подтверждается метилированием гистонов . Метилирование лизина 9 гистона H3 долгое время ассоциировалось с конститутивно 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 регионы K9. Одним из примеров, который, по-видимому, опровергает эту биофизическую модель метилирования, является то, что триметилирование гистона H3 по лизину 4 тесно связано с (и необходимо для полной) транскрипционной активацией (см. верхний рисунок). Триметилирование в этом случае внесло бы фиксированный положительный заряд на хвост.
Было показано, что гистон-лизин-метилтрансфераза (КМТ) отвечает за эту активность метилирования в паттерне гистонов H3 и H4. Этот фермент использует каталитически активный сайт, называемый доменом SET (Suppressor of variegation, Enhancer of Zeste, Trithorax). Домен SET представляет собой последовательность из 130 аминокислот, участвующую в модуляции активности генов. Было показано, что этот домен связывается с хвостом гистона и вызывает метилирование гистона. [37]
Различные модификации гистонов, вероятно, функционируют по-разному; ацетилирование в одном положении, вероятно, функционирует иначе, чем ацетилирование в другом положении. Кроме того, одновременно могут происходить 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 гистоновым кодом , хотя идея о том, что состояние гистонов может быть считано линейно как цифровой носитель информации, была в значительной степени развенчана. Одной из наиболее изученных систем, которые организуют сайленсинг на основе хроматина, является сайленсинг на основе белка SIR скрытых локусов типа спаривания дрожжей HML и HMR.
Метилирование ДНК часто происходит в повторяющихся последовательностях и помогает подавлять экспрессию и подвижность « транспозируемых элементов »: [38] Поскольку 5-метилцитозин может спонтанно дезаминироваться (заменяя азот кислородом) в тимидин , сайты CpG часто мутируют и становятся редкими в геноме, за исключением островов CpG , где они остаются неметилированными. Таким образом, эпигенетические изменения этого типа имеют потенциал для управления увеличенными частотами постоянных генетических мутаций. Известно, что паттерны метилирования ДНК устанавливаются и изменяются в ответ на факторы окружающей среды посредством сложного взаимодействия по крайней мере трех независимых ДНК-метилтрансфераз , DNMT1, DNMT3A и DNMT3B, потеря любой из которых является летальной для мышей. [39] DNMT1 является наиболее распространенной метилтрансферазой в соматических клетках, [40] локализуется в очагах репликации, [41] имеет 10–40-кратное предпочтение к полуметилированной ДНК и взаимодействует с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA). [42]
Преимущественно модифицируя полуметилированную ДНК, DNMT1 переносит паттерны метилирования на вновь синтезированную цепь после репликации ДНК , и поэтому часто упоминается как «поддерживающая» метилтрансфераза. [43] DNMT1 необходим для правильного эмбрионального развития, импринтинга и X-инактивации. [39] [44] Чтобы подчеркнуть отличие этого молекулярного механизма наследования от канонического механизма спаривания оснований Уотсона-Крика для передачи генетической информации, был введен термин «эпигенетическое шаблонирование». [45] Кроме 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 ) наследуемых состояний. [46]
Метилирование РНК N6-метиладенозина (m6A) как наиболее распространенной модификации эукариотической РНК недавно было признано важным механизмом регуляции генов. [47]
Гистоны H3 и H4 также можно манипулировать посредством деметилирования с использованием гистонлизиндеметилазы (KDM). Этот недавно идентифицированный фермент имеет каталитически активный сайт, называемый доменом Jumonji (JmjC). Деметилирование происходит, когда JmjC использует несколько кофакторов для гидроксилирования метильной группы, тем самым удаляя ее. JmjC способен деметилировать моно-, ди- и триметилированные субстраты. [48]
Хромосомные регионы могут принимать стабильные и наследуемые альтернативные состояния, что приводит к бистабильной экспрессии генов без изменений в последовательности ДНК. Эпигенетический контроль часто связан с альтернативными ковалентными модификациями гистонов. [49] Предполагается, что стабильность и наследуемость состояний более крупных хромосомных регионов включают положительную обратную связь, когда модифицированные нуклеосомы привлекают ферменты, которые аналогичным образом модифицируют близлежащие нуклеосомы. [50] Упрощенная стохастическая модель для этого типа эпигенетики представлена здесь. [51] [52]
Было высказано предположение, что регуляция транскрипции на основе хроматина может быть опосредована эффектом малых РНК. Малые интерферирующие РНК могут модулировать экспрессию транскрипционных генов посредством эпигенетической модуляции целевых промоторов . [53]
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, посредством активности факторов транскрипции белков, которые они кодируют. Сигнализация РНК включает дифференциальное рекрутирование иерархии общих комплексов модификации хроматина и ДНК-метилтрансфераз в определенные локусы РНК во время дифференциации и развития. [ 54] Другие эпигенетические изменения опосредованы продукцией 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 передачи сигнала , 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 питающие клетки , что приводит к фенотипам материнского эффекта . Меньшее количество сперматозоидов РНК передается от отца, но есть недавние доказательства того, что эта эпигенетическая информация может приводить к видимым изменениям в нескольких поколениях потомства. [55]
МикроРНК (миРНК) являются представителями некодирующих РНК , размер которых варьируется от 17 до 25 нуклеотидов. микроРНК регулируют большое количество биологических функций у растений и животных. [56] На данный момент, в 2013 году, у людей было обнаружено около 2000 микроРНК, и их можно найти в базе данных микроРНК онлайн. [57] Каждая микроРНК, экспрессируемая в клетке, может быть нацелена примерно на 100-200 матричных РНК (мРНК), которые она подавляет. [58] Большая часть подавления мРНК происходит за счет вызывания распада целевой мРНК, в то время как некоторая подавление происходит на уровне трансляции в белок. [59]
Похоже, что около 60% генов, кодирующих человеческие белки, регулируются микроРНК. [60] Многие микроРНК регулируются эпигенетически. Около 50% генов микроРНК связаны с CpG-островками , [56] которые могут подавляться эпигенетическим метилированием. Транскрипция с метилированных CpG-островков сильно и наследственно подавляется. [61] Другие микроРНК эпигенетически регулируются либо модификациями гистонов, либо комбинированным метилированием ДНК и модификацией гистонов. [56]
В 2011 году было показано, что метилирование мРНК играет решающую роль в энергетическом гомеостазе человека . Показано, что связанный с ожирением ген FTO способен деметилировать N6-метиладенозин в РНК. [62] [63]
sRNAs — это небольшие (50–250 нуклеотидов), высокоструктурированные, некодирующие фрагменты РНК, обнаруженные в бактериях. Они контролируют экспрессию генов, включая гены вирулентности у патогенов, и рассматриваются как новые цели в борьбе с бактериями, устойчивыми к лекарственным препаратам. [64] Они играют важную роль во многих биологических процессах, связываясь с мРНК и белковыми мишенями у прокариот. Их филогенетический анализ, например, через взаимодействия мРНК–мРНК-мишеней или свойства связывания белков , используется для создания всеобъемлющих баз данных. [65] Также строятся карты sRNA- генов на основе их целей в микробных геномах. [66]
Многочисленные исследования продемонстрировали ключевое участие длинных некодирующих РНК (lncRNAs) в регуляции экспрессии генов и хромосомных модификаций, тем самым оказывая значительный контроль над клеточной дифференциацией. Эти длинные некодирующие РНК также способствуют геномному импринтингу и инактивации Х-хромосомы. [67] У беспозвоночных, таких как социальные насекомые медоносных пчел, длинные некодирующие РНК обнаруживаются как возможный эпигенетический механизм через аллель-специфические гены, лежащие в основе агрессии посредством реципрокных скрещиваний. [68]
Прионы — это инфекционные формы белков . В целом, белки складываются в дискретные единицы, которые выполняют различные клеточные функции, но некоторые белки также способны образовывать инфекционное конформационное состояние, известное как прион. Хотя их часто рассматривают в контексте инфекционных заболеваний , прионы более свободно определяются их способностью каталитически преобразовывать 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. [69]
Некоторые считают, что грибковые прионы являются эпигенетическими, поскольку инфекционный фенотип, вызываемый прионом, может быть унаследован без модификации генома. PSI+ и URE3, обнаруженные у дрожжей в 1965 и 1971 годах, являются двумя наиболее изученными представителями этого типа прионов. [70] [71] Прионы могут оказывать фенотипический эффект посредством 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 , эффект, который приводит к подавлению бессмысленных мутаций в других генах. [72] Способность Sup35 образовывать прионы может быть консервативным признаком. Она может давать адаптивное преимущество, давая клеткам возможность переключаться в состояние PSI+ и выражать спящие генетические признаки, обычно завершаемые мутациями стоп-кодона. [73] [74] [75] [76]
Эпигенетика на основе прионов также наблюдалась у Saccharomyces cerevisiae . [77]
Эпигенетические изменения изменяют активацию определенных генов, но не последовательность генетического кода ДНК. [78] Микроструктура (не код) самой ДНК или связанных с ней хроматиновых белков может быть изменена, вызывая активацию или подавление. Этот механизм позволяет дифференцированным клеткам в многоклеточном организме 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 через процесс, называемый трансгенерационным эпигенетическим наследованием . Более того, если инактивация гена происходит в сперме или яйцеклетке, что приводит к оплодотворению, эта эпигенетическая модификация также может быть передана следующему поколению. [79]
Конкретные эпигенетические процессы включают парамутацию , закладку , импринтинг , подавление генов , инактивацию Х-хромосомы , эффект положения , перепрограммирование метилирования ДНК , трансвекцию , материнские эффекты , развитие канцерогенеза , многие эффекты тератогенов , регуляцию модификаций гистонов и гетерохроматина , а также технические ограничения, влияющие на партеногенез и клонирование . [80] [81] [82]
Повреждение ДНК также может вызывать эпигенетические изменения. [83] [84] [85] Повреждение ДНК происходит очень часто, в среднем около 60 000 раз в день на клетку человеческого организма (см. Повреждение ДНК (естественное) ). Эти повреждения в значительной степени восстанавливаются, однако эпигенетические изменения все еще могут оставаться в месте восстановления ДНК. [86] В частности, двухцепочечный разрыв ДНК может инициировать незапрограммированное эпигенетическое подавление генов как путем вызывания метилирования ДНК, так и путем стимулирования типов подавления модификаций гистонов (ремоделирование хроматина - см. следующий раздел). [87] Кроме того, фермент Parp1 (поли(АДФ)-рибозополимераза) и его продукт поли(АДФ)-рибоза (PAR) накапливаются в местах повреждения ДНК как часть процесса восстановления. [88] Это накопление, в свою очередь, направляет набор и активацию белка ремоделирования хроматина, ALC1, который может вызывать ремоделирование нуклеосом . [89] Было обнаружено, что ремоделирование нуклеосом вызывает, например, эпигенетическое подавление гена репарации ДНК MLH1. [22] [90] Химические вещества, повреждающие ДНК, такие как бензол , гидрохинон , стирол , четыреххлористый углерод и трихлорэтилен , вызывают значительное гипометилирование ДНК, некоторые из которых происходят за счет активации путей окислительного стресса. [91]
Известно, что продукты питания изменяют эпигенетику крыс на разных диетах. [92] Некоторые компоненты пищи эпигенетически увеличивают уровни ферментов репарации ДНК, таких как MGMT и MLH1 [93] и p53 . [94] [95] Другие компоненты пищи могут уменьшать повреждение ДНК, такие как изофлавоны сои . В одном исследовании маркеры окислительного стресса, такие как модифицированные нуклеотиды, которые могут быть результатом повреждения ДНК, были снижены при 3-недельной диете, дополненной соей. [96] Уменьшение окислительного повреждения ДНК также наблюдалось через 2 часа после употребления экстракта выжимок черники ( Vaccinium myrtillius L.), богатого антоцианами . [97]
Повреждение ДНК очень распространено и постоянно восстанавливается. Эпигенетические изменения могут сопровождать восстановление ДНК после 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 восстановления ДНК заключается в том, что клетка может выжить, несмотря на повреждение ДНК. Избирательное преимущество эпигенетических изменений, которые происходят при восстановлении ДНК, не ясно. [ необходима цитата ]
В устойчивом состоянии (при возникновении и восстановлении эндогенных повреждений) в ДНК средней клетки млекопитающего имеется около 2400 окислительно поврежденных гуанинов, которые образуют 8-оксо-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG). [98] 8-OHdG составляет около 5% окислительных повреждений, обычно присутствующих в ДНК. [99] Окисленные гуанины не встречаются случайным образом среди всех гуанинов в ДНК. Существует предпочтение последовательности для гуанина в метилированном сайте CpG (цитозин, за которым следует гуанин вдоль его направления 5' → 3' , и где цитозин метилирован (5-mCpG)). [100] Сайт 5-mCpG имеет самый низкий потенциал ионизации для окисления гуанина. [ необходима цитата ]
Окисленный гуанин имеет потенциал для ошибочного спаривания и является мутагенным. [102] Оксогуанингликозилаза (OGG1) является основным ферментом, ответственным за удаление окисленного гуанина во время репарации ДНК. OGG1 находит и связывается с 8-OHdG в течение нескольких секунд. [103] Однако OGG1 не сразу удаляет 8-OHdG. В клетках HeLa полумаксимальное удаление 8-OHdG происходит за 30 минут, [104] а у облученных мышей 8-OHdG, индуцированные в печени мыши, удаляются с периодом полураспада 11 минут. [99]
Когда OGG1 присутствует в окисленном гуанине в метилированном сайте CpG, он привлекает TET1 к поражению 8-OHdG (см. рисунок). Это позволяет TET1 деметилировать соседний метилированный цитозин. Деметилирование цитозина является эпигенетическим изменением. [ необходима цитата ]
Например, когда эпителиальные клетки молочной железы человека обрабатывались H 2 O 2 в течение шести часов, 8-OHdG увеличился примерно в 3,5 раза в ДНК, и это вызвало около 80% деметилирования 5-метилцитозинов в геноме. [101] Деметилирование CpG в промоторе гена активностью фермента TET увеличивает транскрипцию гена в информационную РНК. [105] В клетках, обработанных H 2 O 2 , был исследован один конкретный ген, BACE1 . [101] Уровень метилирования острова CpG BACE1 был снижен (эпигенетическое изменение), и это позволило примерно в 6,5 раза увеличить экспрессию информационной РНК BACE1 . [ необходима цитата ]
В то время как шестичасовая инкубация с H 2 O 2 вызывает значительное деметилирование участков 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 заставляет гетеродимер белка репарации несоответствий MSH2-MSH6 привлекать ДНК-метилтрансферазу 1 ( DNMT1 ) к участкам некоторых видов окислительного повреждения ДНК. [106] Это может вызвать повышенное метилирование цитозинов (эпигенетические изменения) в этих местах.
Цзян и др. [107] обработали клетки HEK 293 агентами, вызывающими окислительное повреждение ДНК ( бромат калия (KBrO3) или хромат калия (K2CrO4)). Репарация эксцизионных оснований (BER) окислительного повреждения происходила с помощью фермента репарации ДНК полимеразы бета, локализующейся в окисленных гуанинах. Полимераза бета является основной полимеразой человека в короткозаплаточном BER окислительного повреждения ДНК. Цзян и др. [107] также обнаружили, что полимераза бета привлекала белок ДНК-метилтрансферазы DNMT3b к сайтам репарации BER. Затем они оценили схему метилирования на уровне отдельных нуклеотидов в небольшой области ДНК, включая область промотора и раннюю область транскрипции гена BRCA1 . Окислительное повреждение ДНК броматом модулировало схему метилирования ДНК (вызывало эпигенетические изменения) на сайтах CpG в пределах изучаемой области ДНК. В необработанных клетках CpG, расположенные в положениях −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 области восходящего промотора ). Окисление, вызванное обработкой броматом, привело к потере метилирования цитозина в положениях −189, −134, +16 и +19, а также к образованию нового метилирования в CpG, расположенных в положениях −80, −55, −21 и +8 после того, как была разрешена репарация ДНК.
По крайней мере в четырех статьях сообщается о привлечении ДНК-метилтрансферазы 1 (DNMT1) к участкам двухцепочечных разрывов ДНК. [108] [109] [110] [111] 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 становится метилированной примерно в 21 участке CpG ниже по течению от восстановленного двухцепочечного разрыва. Другая цепь ДНК теряет метилирование примерно в шести участках CpG, которые ранее были метилированы ниже по течению от двухцепочечного разрыва, а также теряет метилирование примерно в пяти участках CpG, которые ранее были метилированы выше по течению от двухцепочечного разрыва. Когда хромосома реплицируется, это приводит к появлению одной дочерней хромосомы, которая сильно метилирована ниже по течению от предыдущего места разрыва, и одной, которая неметилирована в области как выше, так и ниже по течению от предыдущего места разрыва. Что касается гена, который был сломан двухцепочечным разрывом, половина клеток-потомков экспрессирует этот ген на высоком уровне, а в другой половине клеток-потомков экспрессия этого гена подавлена. Когда клоны этих клеток поддерживались в течение трех лет, новые паттерны метилирования сохранялись в течение этого периода времени. [112]
У мышей с вставкой гомологически направленной рекомбинации, опосредованной CRISPR, в их геноме наблюдалось большое количество повышенных метилирований участков CpG в пределах вставки, связанной с двухцепочечным разрывом. [113]
Репарация негомологичного соединения концов (NHEJ) двухцепочечного разрыва может вызвать небольшое количество деметилирований уже существующих метилирований цитозина ДНК ниже по течению от репарированного двухцепочечного разрыва. [109] Дальнейшая работа Аллена и др. [114] показала, что NHEJ двухцепочечного разрыва ДНК в клетке может привести к тому, что некоторые клетки-потомки будут иметь подавленную экспрессию гена, несущего начальный двухцепочечный разрыв, и некоторые клетки-потомки будут иметь высокую экспрессию этого гена из-за эпигенетических изменений, связанных с репарацией NHEJ. Частота эпигенетических изменений, вызывающих репрессию гена после репарации NHEJ двухцепочечного разрыва ДНК в этом гене, может составлять около 0,9%. [110]
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-аденинметилтрансферазы ( DamID ) и бисульфитное секвенирование . [115] Кроме того, использование методов биоинформатики играет роль в вычислительной эпигенетике . [115]
Иммунопреципитация хроматина (ChIP) помогла преодолеть разрыв между ДНК и эпигенетическими взаимодействиями. [116] Используя ChIP, исследователи могут делать выводы относительно регуляции генов, механизмов транскрипции и структуры хроматина. [116]
Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) очень важна для понимания эпигенетических механизмов. [117] FISH можно использовать для поиска местоположения генов на хромосомах, а также для поиска некодирующих РНК. [117] [118] FISH в основном используется для обнаружения хромосомных аномалий у людей. [118]
Чувствительные к метилированию рестрикционные ферменты в сочетании с ПЦР являются способом оценки метилирования в ДНК, в частности, участков CpG. [119] Если ДНК метилирована, рестрикционные ферменты не будут расщеплять цепь. [119] Напротив, если ДНК не метилирована, ферменты будут расщеплять цепь, и она будет амплифицирована с помощью ПЦР. [119]
Бисульфитное секвенирование — еще один способ оценки метилирования ДНК. Цитозин будет изменен на урацил после обработки бисульфитом натрия, тогда как метилированные цитозины не будут затронуты. [119] [120] [121]
Некоторые методы секвенирования, такие как нанопоровое секвенирование , позволяют секвенировать нативную ДНК. Нативная (=неамплифицированная) ДНК сохраняет эпигенетические модификации, которые в противном случае были бы потеряны на этапе амплификации. Модели нанопорового базового каллера могут различать сигналы, полученные для эпигенетически модифицированных оснований и неизмененных, и предоставлять эпигенетический профиль в дополнение к результату секвенирования. [122]
У инфузорий, таких как Tetrahymena и Paramecium , генетически идентичные клетки демонстрируют наследуемые различия в рисунках рядов ресничек на поверхности клеток. Экспериментально измененные рисунки могут передаваться дочерним клеткам. Кажется, что существующие структуры действуют как шаблоны для новых структур. Механизмы такого наследования неясны, но есть основания предполагать, что многоклеточные организмы также используют существующие клеточные структуры для сборки новых. [123] [124] [125]
Геномы эукариот имеют многочисленные нуклеосомы . Положение нуклеосом не является случайным и определяет доступность ДНК для регуляторных белков. Было показано, что промоторы, активные в разных тканях, имеют разные особенности позиционирования нуклеосом. [126] Это определяет различия в экспрессии генов и дифференциации клеток. Было показано, что по крайней мере некоторые нуклеосомы сохраняются в сперматозоидах (где большинство, но не все гистоны заменены протаминами ). Таким образом, позиционирование нуклеосом в некоторой степени наследуется. Недавние исследования выявили связи между позиционированием нуклеосом и другими эпигенетическими факторами, такими как метилирование ДНК и гидроксиметилирование. [127]
Различные варианты гистонов включены в определенные области генома неслучайно. Их дифференциальные биохимические характеристики могут влиять на функции генома через их роль в регуляции генов, [128] и поддержании структур хромосом. [129]
Трехмерная конфигурация генома (3D-геном) является сложной, динамичной и имеет решающее значение для регуляции геномной функции и ядерных процессов, таких как репликация ДНК, транскрипция и восстановление повреждений ДНК. [130]
Формирование и поддержание памяти обусловлены эпигенетическими изменениями, которые вызывают необходимые динамические изменения в транскрипции генов , которые создают и обновляют 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 (mPFC), переднюю поясную кору и миндалевидное тело, как показано на схеме человеческого мозга в этом разделе. [131]
Когда создается сильная память, как у крысы, подвергнутой контекстному условно-рефлекторному страху (CFC), одним из самых ранних событий является то, что более 100 двухцепочечных разрывов ДНК формируются топоизомеразой IIB в нейронах гиппокампа и медиальной префронтальной коры (mPFC). [132] Эти двухцепочечные разрывы находятся в определенных местах, которые позволяют активировать транскрипцию немедленных ранних генов (IEG), которые важны для формирования памяти, позволяя им экспрессироваться в мРНК , с пиковой транскрипцией мРНК через семь-десять минут после CFC. [132] [133]
Два важных IEG в формировании памяти — это EGR1 [134] и альтернативный вариант промотора DNMT3A , DNMT3A2 . [135] Белок EGR1 связывается с ДНК в его связывающих мотивах, 5′-GCGTGGGCG-3′ или 5′-GCGGGGGCGG-3', и существует около 12 000 мест генома, в которых может связываться белок EGR1. [136] Белок EGR1 связывается с ДНК в областях промотора и энхансера гена . EGR1 привлекает деметилирующий фермент TET1 к ассоциации и переносит TET1 примерно в 600 мест на геноме, где TET1 затем может деметилировать и активировать связанные гены. [136]
ДНК-метилтрансферазы DNMT3A1, DNMT3A2 и DNMT3B могут метилировать цитозины (см. изображение в этом разделе) на участках CpG в промоторах генов или рядом с ними. Как показали Манзо и др. [137], эти три ДНК-метилтрансферазы различаются по месту связывания в геноме и активности метилирования ДНК на разных регуляторных участках. Манзо и др. обнаружили 3970 областей генома, обогащенных исключительно DNMT3A1, 3838 областей для DNMT3A2 и 3432 области для DNMT3B. Когда DNMT3A2 вновь индуцируется как IEG (когда нейроны активируются), происходит много новых метилирований цитозина, предположительно в целевых областях DNMT3A2. Оливера и др. [135] обнаружили, что уровни Dnmt3a2 в гиппокампе, индуцируемые нейронной активностью, определяют способность формировать долговременную память.
Крысы формируют долгосрочные ассоциативные воспоминания после контекстуального условно-рефлекторного страха (CFC) . [138] Дьюк и др. [30] обнаружили, что через 24 часа после CFC у крыс в нейронах гиппокампа 2097 генов (9,17% генов в геноме крысы) имели измененное метилирование. Когда в сайтах CpG в промоторных областях генов присутствуют недавно метилированные цитозины , гены часто подавляются, а когда присутствуют недавно деметилированные цитозины, гены могут активироваться. [139] После CFC было 1048 генов с пониженной экспрессией мРНК и 564 гена с повышенной экспрессией мРНК. Аналогично, когда мыши подвергаются CFC, через час в области гиппокампа мозга мыши обнаруживается 675 деметилированных генов и 613 гиперметилированных генов. [140] Однако воспоминания не остаются в гиппокампе, а через четыре или пять недель воспоминания сохраняются в передней поясной коре. [141] В исследованиях на мышах после CFC Гальдер и др. [140] показали, что через четыре недели после CFC в передней поясной коре было не менее 1000 дифференциально метилированных генов и более 1000 дифференциально экспрессированных генов, в то время как в то же время измененные метилирования в гиппокампе были обращены вспять.
Эпигенетическое изменение метилирования после установления новой памяти создает другой пул ядерных мРНК. Как было рассмотрено Бернштейном [31] , эпигенетически определенный новый микс ядерных мРНК часто упаковывается в нейрональные гранулы, или мессенджерные РНП , состоящие из мРНК, малых и больших рибосомных 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 областями мРНК в гранулах (их «почтовыми индексами»), к нейрональным дендритам . Примерно 2500 мРНК могут быть локализованы в дендритах пирамидальных нейронов гиппокампа, и, возможно, 450 транскриптов находятся в возбуждающих пресинаптических нервных окончаниях (дендритных шипиках). Измененные наборы транскриптов (зависящие от эпигенетических изменений в ядре нейрона) имеют различную чувствительность в ответ на сигналы, что является основой измененной синаптической пластичности. Измененная синаптична пластичность часто считается нейрохимической основой обучения и памяти.
Эпигенетика играет важную роль в старении мозга и возрастном снижении когнитивных способностей, что имеет отношение к продлению жизни . [142] [143] [144] [145] [146]
В зрелом возрасте изменения в эпигеноме важны для различных высших когнитивных функций. Нарушение регуляции эпигенетических механизмов связано с нейродегенеративными расстройствами и заболеваниями. Эпигенетические модификации в нейронах динамичны и обратимы. [147] Эпигенетическая регуляция влияет на нейронную активность, влияя на обучение, память и другие когнитивные процессы. [148]
Ранние события, в том числе во время эмбрионального развития , могут влиять на развитие, познание и результаты здоровья через эпигенетические механизмы. [149]
Эпигенетические механизмы были предложены как «потенциальный молекулярный механизм воздействия эндогенных гормонов на организацию развивающихся мозговых цепей» [150] .
Питательные вещества могут взаимодействовать с эпигеномом, чтобы «защищать или усиливать когнитивные процессы на протяжении всей жизни». [151] [152]
Обзор показывает, что нейробиологические эффекты физических упражнений через эпигенетику , по-видимому, «имеют решающее значение для формирования «эпигенетической памяти», влияющей на долгосрочную функцию мозга и поведение», и могут даже передаваться по наследству. [153]
С помощью аксо-цилиарного синапса существует связь между серотонинергическими аксонами и антенноподобными первичными ресничками пирамидальных нейронов CA1 , которая изменяет эпигенетическое состояние нейрона в ядре посредством сигнализации, отличной от той, что находится на плазматической мембране (и в долгосрочной перспективе). [154] [155]
Эпигенетика также играет важную роль в эволюции мозга у людей и для людей . [156]
Эпигенетику развития можно разделить на предопределенный и вероятностный эпигенез. Предопределенный эпигенез — это однонаправленное движение от структурного развития ДНК к функциональному созреванию белка. «Предопределенный» здесь означает, что развитие предопределено и предсказуемо. Вероятностный эпигенез, с другой стороны, — это двунаправленное структурно-функциональное развитие с опытом и внешним формирующим развитием. [157]
Соматическое эпигенетическое наследование, особенно через ковалентные модификации ДНК и гистонов и перестановку нуклеосом , очень важно в развитии многоклеточных эукариотических организмов. [127] Последовательность генома статична (за некоторыми заметными исключениями), но клетки дифференцируются во множество различных типов, которые выполняют разные функции и по-разному реагируют на окружающую среду и межклеточную сигнализацию. Таким образом, по мере развития особей морфогены активируют или подавляют гены эпигенетически наследуемым образом, давая клеткам память. У млекопитающих большинство клеток окончательно дифференцируются, и только стволовые клетки сохраняют способность дифференцироваться в несколько типов клеток («тотипотентность» и «мультипотентность»). У млекопитающих некоторые стволовые клетки продолжают производить новые 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 прогениторным клеткам (например, дифференциация в олигодендроциты регулируется деацетилированием и метилированием гистонов). [158] В отличие от животных, растительные клетки не дифференцируются окончательно, оставаясь тотипотентными со способностью давать начало новому индивидуальному растению. 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, используя позиционную информацию из окружающей среды и окружающих клеток, чтобы определить свою судьбу. [159]
Эпигенетические изменения могут возникать в ответ на воздействие окружающей среды — например, материнское диетическое дополнение генистеином (250 мг/кг) имеет эпигенетические изменения, влияющие на экспрессию гена агути , который влияет на их цвет меха, вес и склонность к развитию рака. [160] [161] [162] Текущие исследования сосредоточены на изучении влияния других известных тератогенов , таких как диабетическая эмбриопатия , на сигнатуры метилирования . [163]
Спорные результаты одного исследования предполагают, что травматический опыт может производить эпигенетический сигнал, который может передаваться будущим поколениям. Мышей обучали с помощью ударов током по ногам бояться запаха цветущей вишни. Исследователи сообщили, что потомство мышей имело повышенное отвращение к этому специфическому запаху. [164] [165] Они предположили эпигенетические изменения, которые увеличивают экспрессию генов, а не в самой ДНК, в гене M71, который управляет функционированием обонятельного рецептора в носу, который реагирует конкретно на этот запах цветущей вишни. Были физические изменения, которые коррелировали с обонятельной (обонятельной) функцией в мозге обученных мышей и их потомков. Было сообщено о нескольких критических замечаниях, включая низкую статистическую мощность исследования как доказательство некоторой нерегулярности, такой как смещение в представлении результатов. [166] Из-за ограничений размера выборки существует вероятность того, что эффект не будет продемонстрирован в пределах статистической значимости, даже если он существует. Критика предположила, что вероятность того, что все описанные эксперименты покажут положительные результаты, если следовать идентичному протоколу, предполагая, что заявленные эффекты существуют, составляет всего 0,4%. Авторы также не указали, какие мыши были братьями и сестрами, и рассматривали всех мышей как статистически независимых. [167] Первоначальные исследователи указали на отрицательные результаты в приложении к статье, которые критика опустила в своих расчетах, и обязались отслеживать, какие мыши были братьями и сестрами в будущем. [168]
Эпигенетические механизмы были необходимой частью эволюционного происхождения клеточной дифференциации . [169] [ нужна цитата для проверки ] Хотя эпигенетика в многоклеточных организмах обычно считается механизмом, участвующим в дифференциации, с эпигенетическими паттернами «сбрасывающимися» при размножении организмов, были некоторые наблюдения трансгенерационного эпигенетического наследования (например, явление парамутации, наблюдаемое у кукурузы ). Хотя большинство этих многопоколенческих эпигенетических признаков постепенно утрачиваются в течение нескольких поколений, остается возможность того, что многопоколенческая эпигенетика может быть другим аспектом эволюции и адаптации. Как упоминалось выше, некоторые определяют эпигенетику как наследственную.
Секвестрированная зародышевая линия или барьер Вейсмана характерны для животных, а эпигенетическое наследование более распространено у растений и микробов. Ева Яблонка , Мэрион Дж. Лэмб и Этьен Данчин утверждали, что эти эффекты могут потребовать усовершенствования стандартной концептуальной основы современного синтеза и призвали к расширенному эволюционному синтезу . [170] [171] [172] Другие биологи-эволюционисты, такие как Джон Мейнард Смит , включили эпигенетическое наследование в модели популяционной генетики [173] или открыто скептически относятся к расширенному эволюционному синтезу ( Майкл Линч ). [174] 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» . [175]
Два важных отличия эпигенетического наследования от традиционного генетического наследования, имеющих важные последствия для эволюции, заключаются в следующем:
У растений наследственные мутации метилирования ДНК возникают в 100 000 раз чаще, чем мутации ДНК. [178] Эпигенетически унаследованный элемент, такой как система PSI+, может действовать как «затычка», достаточно хорошая для краткосрочной адаптации, которая позволяет родословной выживать достаточно долго, чтобы мутация и/или рекомбинация генетически ассимилировали адаптивное фенотипическое изменение. [179] Существование этой возможности увеличивает эволюционируемость вида.
Более 100 случаев явлений трансгенерационного эпигенетического наследования были зарегистрированы у широкого спектра организмов, включая прокариоты, растения и животных. [180] Например, траурные бабочки меняют цвет из-за гормональных изменений в ответ на эксперименты с различными температурами. [181]
Нитчатый гриб Neurospora crassa является выдающейся модельной системой для понимания контроля и функции метилирования цитозина. В этом организме метилирование ДНК связано с реликтами системы защиты генома, называемой RIP (точечная мутация, вызванная повторением), и подавляет экспрессию генов, ингибируя удлинение транскрипции. [182]
Дрожжевой прион PSI генерируется путем конформационного изменения фактора терминации трансляции, который затем наследуется дочерними клетками. Это может обеспечить преимущество выживания в неблагоприятных условиях, демонстрируя 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. [183]
Прямое обнаружение эпигенетических меток в микроорганизмах возможно с помощью секвенирования отдельных молекул в реальном времени , при котором чувствительность полимеразы позволяет измерять метилирование и другие модификации по мере секвенирования молекулы ДНК. [184] Несколько проектов продемонстрировали возможность сбора эпигенетических данных по всему геному в бактериях. [185] [186] [187] [188]
В то время как эпигенетика имеет фундаментальное значение для эукариот , особенно метазоа , она играет другую роль у бактерий. [189] Самое важное, 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 важно для вирулентности бактерий в таких организмах, как Escherichia coli , Salmonella , Vibrio , Yersinia , Haemophilus и Brucella . У Alphaproteobacteria метилирование аденина регулирует клеточный цикл и связывает транскрипцию гена с репликацией ДНК. В Gammaproteobacteria метилирование аденина обеспечивает сигналы для репликации ДНК, сегрегации хромосом, исправления несоответствий, упаковки бактериофага, активности транспозазы и регуляции экспрессии генов. [183] [190] Существует генетический переключатель, контролирующий Streptococcus pneumoniae (пневмококк), который позволяет бактерии случайным образом изменять свои характеристики в шесть альтернативных состояний, которые могли бы проложить путь к улучшенным вакцинам. Каждая форма случайным образом генерируется системой метилирования с переменной фазой. Способность пневмококка вызывать смертельные инфекции различна в каждом из этих шести состояний. Подобные системы существуют и в других родах бактерий. [191] В Bacillota , таких как Clostridioides difficile , метилирование аденина регулирует споруляцию , образование биопленки и адаптацию к хозяину. [192]
Эпигенетика имеет множество разнообразных потенциальных медицинских применений. [193]
Прямые сравнения идентичных близнецов представляют собой оптимальную модель для исследования эпигенетики окружающей среды . В случае людей с различным воздействием окружающей среды монозиготные (идентичные) близнецы были эпигенетически неразличимы в ранние годы, в то время как у близнецов постарше были заметные различия в общем содержании и геномном распределении 5-метилцитозина ДНК и ацетилировании гистонов. [11] Пары близнецов, которые провели меньше времени вместе и/или имели большие различия в своих медицинских историях, были теми, кто показал самые большие различия в своих уровнях 5-метилцитозина ДНК и ацетилирования гистонов H3 и H4. [194]
Дизиготные (двуяйцевые) и монозиготные (идентичные) близнецы демонстрируют доказательства эпигенетического влияния у людей. [194] [195] [196] Различия в последовательности ДНК, которые были бы обильны в исследовании на основе одного человека, не мешают анализу. Различия в окружающей среде могут вызывать долгосрочные эпигенетические эффекты, и различные подтипы монозиготных близнецов в развитии могут отличаться в отношении их восприимчивости к дискордантности с эпигенетической точки зрения. [197]
Высокопроизводительное исследование, которое обозначает технологию, которая рассматривает обширные генетические маркеры, сосредоточено на эпигенетических различиях между монозиготными близнецами для сравнения глобальных и локус-специфических изменений в метилировании ДНК и модификациях гистонов в выборке из 40 монозиготных пар близнецов. [194] В этом случае изучались только здоровые пары близнецов, но был представлен широкий диапазон возрастов, от 3 до 74 лет. Одним из основных выводов этого исследования было то, что существует возраст-зависимое накопление эпигенетических различий между двумя братьями и сестрами пар близнецов. Это накопление предполагает существование эпигенетического «дрейфа». Эпигенетический дрейф — это термин, данный эпигенетическим модификациям, поскольку они происходят как прямая функция с возрастом. Хотя возраст является известным фактором риска для 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 . [198]
Более позднее исследование, в котором 114 монозиготных близнецов и 80 дизиготных близнецов были проанализированы на предмет статуса метилирования ДНК около 6000 уникальных геномных регионов, пришло к выводу, что эпигенетическое сходство во время разделения бластоцисты может также способствовать фенотипическому сходству у монозиготных близнецов. Это подтверждает идею о том, что микросреда на ранних стадиях эмбрионального развития может быть весьма важна для установления эпигенетических меток. [195] Врожденные генетические заболевания хорошо изучены, и ясно, что эпигенетика может играть определенную роль, например, в случае синдрома Ангельмана и синдрома Прадера-Вилли . Это нормальные генетические заболевания, вызванные делециями генов или инактивацией генов, но они необычайно распространены, поскольку люди по сути гемизиготны из-за геномного импринтинга , и поэтому для возникновения заболевания достаточно выбить один ген, тогда как в большинстве случаев требуется выбить обе копии. [199]
Некоторые человеческие расстройства связаны с геномным импринтингом, явлением у млекопитающих, когда отец и мать вносят различные эпигенетические паттерны для определенных геномных локусов в их зародышевых клетках . [200] Наиболее известным случаем импринтинга у человеческих расстройств является 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, унаследована ли мутация от матери или от отца ребенка. [201]
В исследовании Överkalix внуки по отцовской (но не материнской) линии [202] шведских мужчин, которые в предподростковом возрасте подверглись голоду в 19 веке, имели меньшую вероятность умереть от сердечно-сосудистых заболеваний. Если еды было много, то смертность от диабета у внуков увеличивалась, что предполагает, что это было трансгенерационное эпигенетическое наследование. [203] Противоположный эффект наблюдался у женщин — внучки по отцовской (но не материнской) линии женщин, которые испытали голод в утробе матери (и, следовательно, пока формировались их яйцеклетки), в среднем жили короче. [204]
Использование бета-лактамных антибиотиков может изменить активность рецепторов глутамата и действие циклоспорина на множественные факторы транскрипции. Кроме того, литий может влиять на аутофагию аберрантных белков, а опиоидные препараты при хроническом использовании могут усиливать экспрессию генов, связанных с аддиктивными фенотипами. [205]
Родительское питание , внутриутробное воздействие стресса или химических веществ, нарушающих работу эндокринной системы , [206] вызванные самцами материнские эффекты, такие как привлечение партнера с различным качеством, а также возраст матери и отца, пол потомства — все это может, возможно, повлиять на то, будет ли эпимутация зародышевой линии в конечном итоге выражена у потомства и на степень, в которой межпоколенческое наследование остается стабильным на протяжении всего потомства. [207] Однако остается неясным, могут ли и в какой степени эпигенетические эффекты передаваться из поколения в поколение, особенно у людей. [208] [209]
Зависимость — это расстройство системы вознаграждения мозга , которое возникает через транскрипционные и нейроэпигенетические механизмы и происходит с течением времени из-за хронически высоких уровней воздействия аддиктивного стимула (например, морфина, кокаина, полового акта, азартных игр). [210] [211] [212] В доклинических исследованиях было отмечено трансгенерационное эпигенетическое наследование аддиктивных фенотипов . [213] [214] Однако надежных доказательств в поддержку сохранения эпигенетических эффектов на протяжении нескольких поколений у людей еще не установлено; например, эпигенетический эффект пренатального воздействия курения наблюдается у правнуков, которые не подвергались воздействию. [208]
Две формы наследственной информации, а именно генетическая и эпигенетическая, в совокупности называются двойным наследованием. Члены семейства цитозиндезаминаз APOBEC/AID могут одновременно влиять на генетическое и эпигенетическое наследование, используя схожие молекулярные механизмы, и могут быть точкой перекрестных помех между этими концептуально разделенными процессами. [215]
Фторхинолоновые антибиотики вызывают эпигенетические изменения в клетках млекопитающих посредством хелатирования железа . Это приводит к эпигенетическим эффектам посредством ингибирования α-кетоглутарат-зависимых диоксигеназ, которым требуется железо в качестве кофактора. [216]
Различные фармакологические агенты применяются для производства индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) или поддержания фенотипа эмбриональных стволовых клеток (ESC) посредством эпигенетического подхода. Взрослые стволовые клетки, такие как стволовые клетки костного мозга, также показали потенциал дифференцироваться в сердечные компетентные клетки при лечении ингибитором гистонметилтрансферазы G9a BIX01294. [217] [218]
Клеточная пластичность, которая представляет собой адаптацию клеток к стимулам без изменения их генетического кода, требует эпигенетических изменений. Они наблюдались в клеточной пластичности раковых клеток во время эпителиально-мезенхимального перехода [219] , а также в иммунных клетках, таких как макрофаги. [220] Интересно, что метаболические изменения лежат в основе этих адаптаций, поскольку различные метаболиты играют решающую роль в химии эпигенетических меток. К ним относятся, 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 в себя модификацию мРНК/днРНК, модификацию метилирования ДНК и модификацию гистонов . [221] [222] [223]
Метилирование — широко охарактеризованный механизм генетической регуляции, который может определять биологические черты. Однако, сильные экспериментальные доказательства коррелируют паттерны метилирования в SNP как важную дополнительную характеристику для классической эпигенетической догмы активации/ингибирования. Данные молекулярного взаимодействия, подкрепленные анализами колокализации, идентифицируют множественные ядерные регуляторные пути, связывая вариацию последовательности с нарушениями метилирования ДНК и молекулярной и фенотипической вариацией. [224]
UBASH3B кодирует белок с активностью тирозинфосфатазы, который ранее был связан с прогрессирующей неоплазией. [225] Было идентифицировано, что SNP rs7115089 влияет на метилирование ДНК и экспрессию этого локуса, а также на индекс массы тела (ИМТ). [224] Фактически, SNP rs7115089 тесно связан с ИМТ [226] и с генетическими вариантами, связанными с другими сердечно-сосудистыми и метаболическими признаками в GWAS. [227] [228] [229] Новые исследования предполагают, что UBASH3B является потенциальным медиатором ожирения и кардиометаболических заболеваний. [224] Кроме того, модели на животных продемонстрировали, что экспрессия UBASH3B является индикатором ограничения калорийности, которое может управлять запрограммированной восприимчивостью к ожирению, и она связана с другими показателями ожирения в периферической крови человека. [230]
SNP rs730775 расположен в первом интроне NFKBIE и является цис -eQTL для NFKBIE в цельной крови. [224] Ингибитор ядерного фактора (NF)-κB ε (NFKBIE) напрямую ингибирует активность NF-κB1 и в значительной степени коэкспрессируется с NF-κB1, также он связан с ревматоидным артритом. [231] Анализ колокализации подтверждает, что варианты для большинства сайтов CpG в SNP rs730775 вызывают генетическую изменчивость в локусе NFKBIE , которая, предположительно, связана с ревматоидным артритом через транс -регуляцию метилирования ДНК NF-κB. [224]
Десатураза жирных кислот 1 (FADS1) является ключевым ферментом в метаболизме жирных кислот. [232] Более того, rs174548 в гене FADS1 показывает повышенную корреляцию с метилированием ДНК у людей с высоким содержанием Т-клеток CD8+. [224] SNP rs174548 тесно связан с концентрациями арахидоновой кислоты и других метаболитов в метаболизме жирных кислот, [233] [234] количеством эозинофилов в крови. [235] и воспалительными заболеваниями, такими как астма. [236] Результаты взаимодействия указали на корреляцию между rs174548 и астмой, что дает новые сведения о метаболизме жирных кислот в Т-клетках CD8+ с иммунными фенотипами. [224]
Поскольку эпигенетика находится на ранних стадиях развития как наука и окружена сенсационностью в средствах массовой информации, Дэвид Горски и генетик Адам Резерфорд посоветовали проявить осторожность в отношении распространения ложных и псевдонаучных выводов авторов новой эры , делающих необоснованные предположения о том, что гены и здоровье человека могут быть изменены посредством контроля над разумом . Неправильное использование научного термина шарлатанами привело к дезинформации среди широкой общественности. [2] [237]
В первоначальном смысле этого определения эпигенетика относилась ко всем молекулярным путям, модулирующим экспрессию генотипа в определенный фенотип. В последующие годы, с быстрым развитием генетики, значение этого слова постепенно сузилось. Эпигенетика была определена и сегодня общепринята как "изучение изменений в функции генов, которые наследуются митотически и/или мейотически и не влекут за собой изменение последовательности ДНК".
Это может означать, что растительные клетки не используют или не требуют механизма клеточной памяти и просто реагируют на позиционную информацию. Однако было показано, что растения действительно используют механизмы клеточной памяти, опосредованные белками PcG, в нескольких процессах, ... (стр. 104)
