Epigenetik er studiet af ændringer i genekspression. Ekspression (ændring i genaktivitet) sker gennem DNA - methylering , histonacetylering og mikro-RNA- modifikation . Epigenetiske ændringer af denne art kan nedarves, og så påvirker de evolutionen . Moderne forskning er aktivt i gang, og det er allerede blevet klart, at epigenetik har stor indflydelse på alle levende organismer . [en]
DNA-methylering er den proces , hvorved methylgrupper bindes til et DNA- molekyle. Methylering ændrer aktiviteten af et DNA-segment uden at ændre selve DNA-sekvensen (det vil sige, at den ikke forårsager mutation). Histoner er proteiner, der findes i cellekernerne. De pakker og bestiller DNA til nukleosomer . DNA-methylering og histonmodifikation er to epigenetiske mekanismer, der regulerer genekspression i planter. DNA-methylering kan være en stabil proces under celledeling, som gør det muligt at overføre genmethylering til de samme gener i genomet . DNA-methylering, ved hjælp af demethylase, kan blive en reversibel proces. Histonmodifikation er også en reversibel proces med fjernelse af acetylhistoner med deacetylase . Interspecifikke forskelle i planter på grund af miljøfaktorer er forbundet med forskellen mellem enårige og flerårige plantearter. Hver plante har til sidst sine egne individuelle adaptive reaktioner. [2]
Former for histonmethylering forårsager undertrykkelse af visse gener, disse ændringer er stabilt nedarvet gennem mitose , men kan slettes under meiose over tid. Blomstringstider udsat for lave vintertemperaturer i denne plante viser denne methyleringseffekt. Histonmethylering er involveret i undertrykkelsen af ekspressionen af inhibitoren (undertrykkeren) af blomstringen under begyndelsen af koldt vejr. I Talyas et år gamle gummiblomst nedarves lignende histonmethylering stabilt gennem mitose, efter at have vendt tilbage til en varm periode. Dette giver planten mulighed for kontinuerligt at blomstre om foråret og sommeren, indtil den ældes. Men i flerårige relaterede planter forsvinder histonmodifikationen hurtigt efter en temperaturstigning og tillader tværtimod at øge virkningen af inhibitoren og begrænse blomstringen til et kort interval; for en flerårig plante er dette en måde at opbevare næringsstoffer for det næste år. Således kontrollerer epigenetiske modifikationer af histoner et vigtigt adaptivt træk ved Tals kløver, og på samme tid ændrer modifikationen sig hurtigt i løbet af evolutionen, hvilket er strategier for vellykket reproduktion. [3]
Andre eksperimenter har testet Tals epigenetiske mekanismer for følsomhed over for tørke, mangel på næringsstoffer. Planter med de mest lignende genomer blev udvalgt til eksperimentet. Planter placeret under forskellige forhold viste betydelig arvelighed af adaptiv epigenetik. Egenskaber, der blev produceret ved methylering og var vigtige for overlevelse, blev med succes overført under reproduktion. DNA-methylering gav forskellig fordeling af rødder, tørkeresistens, plasticitet til forskellige typer næringsstoffer. Dette tyder på, at kun epigenetisk variation og tilpasning fører til hurtig udvikling. [2]
Stress- inducerede ændringer i DNA- methylering nedarves i aseksuelle mælkebøtter. Genetisk lignende planter blev udsat for forskellige miljøbelastninger. og så blev deres efterkommere opvokset i et roligt økologisk miljø. Mange af de miljømæssige belastninger forårsagede methylering i genomet, og disse modifikationer blev givet videre til den næste generation af mælkebøtter. Det blev konkluderet, at en sådan arv tillader planter at have høj plasticitet for planters overlevelse under alle forhold, fra høj luftfugtighed til tørke og brande. [3]
Paramutation af b1-genet i majs. b1-genet koder for en vigtig transkriptionsfaktor, der er involveret i syntesen af anthocyaniner . Når BI-genet udtrykkes, akkumulerer planter anthocyaniner i deres væv, hvilket resulterer i en lilla plantefarve. BI-allelen har et højt udtryk af b1, hvilket fører til mørk pigmentering af membraner og skaller. Hvorimod B-allelen har lav b1-ekspression, hvilket fører til lav pigmentering i disse væv. Når homozygote BI-forældre opdrættes med homozygote B'-forældre, viser deres F1-afkom lav pigmentering. Dette skyldes "silencing" af b1-genet. Når F1-planter krydses, viser deres F2-afkom lav pigmentering og har lave niveauer af b1-ekspression. [4] [5] [6] [7]
Enhver F2-plante, når den krydses med en homozygot BI-plante, vil producere afkom, der vil have lav pigmentering og b1-ekspression. Fraværet af mørkt pigmenteret F2-afkom er et eksempel på ikke -mendelsk arv , og yderligere undersøgelser har vist, at BI-allelen omdannes til B' gennem epigenetiske mekanismer snarere end gennem DNA-sekvensændringer og genmutationer. [4] [6] [5] [7]
B'- og BI-allelerne er identiske i DNA-sekvens, men adskiller sig i DNA-methylering og intranukleære kromosomale interaktioner. Lejlighedsvis forekommer spontan mutation fra BI til B', men en vending fra B' til BI (grøn til lilla) er aldrig sket, selvom der har været tusindvis af observationer af tusindvis af planter over 50 år i drivhus- og markforsøg. [otte]
Eksperimentelt bekræftede tilfælde af epigenetisk arv i ris er også blevet registreret. Risskud blev udsat for simuleret tørke og viste derefter øget tørketolerance over 11 generationer. Resistensen af "hærdede" risskud i tørke skyldes rettede ændringer i DNA-methylering i hele genomet, disse ændringer blev til sidst nedarvet i form af efterfølgende methylering i hver generation af planter. [9] [10] [11]
I et andet forsøg blev planter angrebet af planteædende larver i flere generationer, derefter viste efterkommerne af disse planter større modstand mod at blive spist af larver, DNA'et som helhed ændrede sig ikke, men methyleringen af genomet i DNA ændrede sig igen. Og de planter, der voksede uden larveangreb, var ikke udstyret med sådanne tilpasninger. [ti]
En sammenligning af CpG-methyleringsmønstre mellem mennesker og primater har vist, at der er over 800 gener i mennesker, der adskiller sig i deres methyleringsmønstre hos orangutanger , gorillaer , chimpanser og bonoboer . Selvom mennesker og navngivne aber deler de samme gener, forklarer forskelle i methylering den fænotypiske forskel mellem mennesker og aber og generelt den fænotypiske variabilitet af de samme gener. Alle disse gener er på en eller anden måde ansvarlige for den fysiske udvikling af mennesker og aber. Som et resultat skelnes mennesker fra aber på genniveau ikke ved proteinsekvenser, men ved epigenetiske ændringer i gener.
I forskningsøjeblikket er det klart, at hos mennesker er 171 gener methyleret anderledes end i aber. 101-genet er også unikt methyleret i chimpanser og bonoboer. 101 gener er methyleret i gorillaer og 450 gener er methyleret i orangutanger. For eksempel er gener involveret i reguleringen af blodtryk og udviklingen af den halvcirkelformede kanal i det indre øre stærkt methylerede hos mennesker, men ikke hos aber. Der kendes også 184 gener, som er fuldstændigt gentaget i strukturen af proteiner hos mennesker og chimpanser, men adskiller sig i epigenetiske omgivelser. Det er methylering, der i sidste ende gør en fornuftig person til, hvad han er, og ikke gensættet i sig selv, som op til 99 % gentager gensættet hos chimpanser og andre højere primater. Dette beviser epigenetiks vigtige rolle i udviklingen af mennesker og aber generelt [12] .
Det er blevet bevist, at ændringer i regulatoriske elementer påvirker de indledende steder for gentranskription . 471 DNA-sekvensen er beriget eller udtømt med hensyn til histonmethylering i H3K4 i frontal cortex hos chimpanser, mennesker og makaker. Blandt disse sekvenser er 33 selektivt methylerede i neuronal kromatin hos børn og voksne. Et af de loci, der er blevet methyleret, er DPP10. Dette gen er også ansvarlig for tilpasningen af hominider forbundet med en højere hastighed af nukleotidsubstitutioner og en række andre regulatoriske parametre, som mennesker har og er fraværende fra andre primater. Den epigenetiske regulering af TSS-kromatin er blevet identificeret som en vigtig udvikling i udviklingen af genekspression i den menneskelige hjerne. Disse gener spiller en rolle samtidigt i kognitive processer og neurologiske lidelser hos mennesker [13]
En analyse af methyleringsprofilerne for sædceller fra mennesker og primater viste, at epigenetisk regulering også er aktiv her. Pattedyrsceller gennemgår omprogrammering af DNA- methyleringsmønstre under cellens embryonale tilstand, methylering i menneske- og chimpansespermatozoer kan sammenlignes med methylering i embryonale stamceller . Der er fundet mange forskelle i methylering mellem sædceller og embryonale stamceller. Mange af promotorerne i menneske- og chimpansesperma har forskellig methylering. Methylering adskiller sig således mellem sædceller og stamceller i den samme organisme og mellem menneske- og primatsæd. Dette kan indikere årsagerne til de fænotypiske forskelle mellem primater og Homo sapiens. [13]
I 1998 blev der udført et eksperiment på Drosophila i Schweiz. Forsker Renato Paro fra universitetet i Basel gjorde følgende - som følge af mutationer havde frugtfluefluer gule øjne, normalt er de røde. Men med en stigning i temperaturen i miljøet blev Drosophilas øjne røde, og så blev deres afkom også født med røde øjne. Det viste sig, at det kromosomale element blev aktiveret i fluer, det ændrede farven på øjnene. Dette er et eksempel på børns arv af de træk, som deres forældre har modtaget i løbet af deres levetid. Røde øjne blev også bevaret under yderligere reproduktion i yderligere fire generationer, men disse generationer blev ikke længere udsat for termiske effekter. [fjorten]
BierHos bier Apis mellifera sker ændringen i fænotypen på det epigenetiske niveau gennem en ændring i fødetypen. Arbejderbierne fodrer larverne med royal gelé . Men samtidig varierer fodringens varighed. De larver, der fodres med royal gelé, bliver længere dronninger. Inden for disse bier sker der epigenetiske ændringer, der adskiller dem fra simple arbejdsbier. Queens har øget juvenile hormonsyntese og aktivering af TOR-signalvejen, samt øget modulering af insulinsignalvejen. Et bevis på, at det netop er epigenetiske mekanismer, der gør biindivider så forskellige, er, at dronningen lægger helt identiske æg i kamme . De er ikke genetisk forskellige fra hinanden. [femten]
Droner vokser fra ubefrugtede æg . Fra dem, der er befrugtet ved hjælp af varigheden af fodring med mælk, fås enten dronninger eller arbejdsbier. Dronninger ender med at blive større og lever meget længere end arbejderhonningbier. Forskellen i dronningens og arbejdsbiens forventede levetid når 100 gange, arbejderbierne lever 15-38 dage om sommeren, 150-200 dage om vinteren. Dronningen lever 1-2 år. Det er ernæring på larvestadiet, der har en så stærk effekt på insekter og klart beviser vigtigheden af livslange epigenetiske ændringer i genomet. Hos bier stimulerer royal gelé aktiv DNA- methylering ; i forskellige taxa fører methylering af DNA-regioner beriget med CG-par i genpromotorregionen til hæmning af dets transkription . [femten]
I et forsøg med bier blev ekspressionen af Dnmt3-genet undertrykt ved hjælp af siRNA . Dette gen koder for et enzym , der igen katalyserer DNA-methylering. Som et resultat havde 72% af udklækkede hunner tegn på dronninger. [16] Mere end 550 gener har vist sig at være methyleret forskelligt i hjernen hos arbejdere og dronninger. [17] De største forskelle blev fundet i signalvejene for insulin og ungdomshormoner såvel som i det anaplastiske lymfomkinasegen . Kinasegenet spiller en vigtig rolle i reguleringen af stofskiftet . Hos dronninger steg niveauet af DNA-methylering fra den anden til den fjerde dag af larveudviklingsstadiet. Hos arbejdende larver steg methyleringen på alle udviklingsstadier. Mere end 4.500 gener er methyleret forskelligt hos både kongen og arbejderne. Herunder skarpe forskelle afsløret i de gener, der er ansvarlige for hypoxisk stress . Arbejderbier viste et højere niveau af transkription af de hypoxiske signalvejsfaktorer HIFα/Sima, HIFβ/Tango og PHD/Fatig. Dronninger har et højere niveau af ekspression af to gener, der er ansvarlige for processen med reparation og forebyggelse af oxidative skader, mens i arbejderbier er disse geners arbejde tværtimod reduceret. [femten]
[18] Museundersøgelser udført på Duke University af Randy Jirtle og Robert Waterland. Forskere har indsat et kunstigt gen i almindelige mus, på grund af det blev de født gule, tilbøjelige til fedme og sygdom - agouti-mus. Så begyndte en generation af sådanne mus, der allerede var gravide, at tilføje folinsyre , vitamin B12 , cholin og methionin til foderet . Det resulterede i, at sunde afkom blev født hos syge mus, men det gen, der gjorde dem til agouti, forsvandt ikke fra genomet, det blev bevaret, men blev overdøvet af epigenetiske mekanismer, og epigenetik virker til gengæld aktivt, når ovennævnte stoffer indføres i kosten. Ændring af kosten var i stand til at ændre genomets epigenetik og neutralisere den skadelige mutation i generne. Effekten af ændringerne blev bevaret i de næste generationer, mens anden og efterfølgende generationers ernæring blev gjort fælles. [14] [19] [20] [21]
De canadiske biologer Michael Meaney og kolleger ved McGill University udførte et eksperiment kaldet "lick and groom". De undersøgte effekten af mødrepleje på unger hos rotter. Rotterne blev opdelt i to grupper. Nogle af de fødte rotteunger blev taget væk fra deres mødre umiddelbart efter fødslen. De rotteunger, der ikke modtog moderpleje (inklusive slikning), voksede op nervøse, ukommunikative og aggressivt feje. Alle de rotteunger, der blev efterladt hos deres mor, udviklede sig, som det skulle være for rotter – energiske, trænende, socialt aktive. Spørgsmål opstod på hvilket niveau reaktionen på pleje og ikke-pleje forekommer hos rotter. Svaret blev opnået efter DNA-analyse. Fravænnede rotteunger oplevede negative epigenetiske ændringer i genomet, især dem, der er ansvarlige for hjernens hippocampus -region . I hippocampus blev antallet af receptorer for stresshormoner reduceret. Derfor den utilstrækkelige reaktion fra nervesystemet på enhver ekstern stimuli - lyd, temperatur, andre rotter. Hippocampus producerede konstant for store mængder stresshormoner . I modsætning hertil, hos rottehvalpe opdrættet af deres mødre, fungerede hippocampus normalt [22] [19] [20]
Også hos rotter blev eksempler på mødres forskellig adfærd afsløret. Der er mødre, der aktivt tager sig af rotter, der er dem, der tværtimod bruger lidt tid til børn. Som et resultat modtog de rotter, der voksede op med en omsorgsfuld mor, meget slik, rengøring, fodring, voksede op mindre bange, med bedre tilbøjeligheder til læring og derfor med større tilpasning til overlevelse og yderligere succesfuld reproduktion. Tværtimod har alt for nervøse rottehvalpe fra ligeglade mødre en lav chance for vellykket reproduktion . Den vigtigste periode var den første uge efter fødslen, i denne periode er det epigenetiske system af rotteunger det mest fleksible og udsat for ændringer i genomet og påvirker som et resultat binyrerne , hypothalamus og hypofysen . Rotter fra omsorgsfulde mødre, anbragt i stressende situationer (hængende i halen, sænket ned i en beholder med vand) gav ikke op i lang tid, forsøgte at komme ud af en ubehagelig, farlig situation indtil det sidste. Rotter, der ikke modtog hengivenhed og omsorg faldt hurtigt i apati, fortvivlelse. [19]
I løbet af undersøgelsen, ved hjælp af bisulfat-sekventering , nåede forskerne den regulatoriske region af glukokortikoidreceptoren - exon 17. Hos rotteunger fra omsorgsfulde mødre var der ingen cytosin - methylering i exon 17. På grund af dette transskriberes genet aktivt , og niveauet af histonacetylering er højt, og dette indikerer et aktivt kromatin . Hos forsømte rotteunger methyleres cytosin i exon 17, og dets mRNA- ekspression reduceres [19] .
Det næste eksperiment viste, at moderens adfærd direkte påvirker epigenetiske ændringer i exon 17. I perioden på 12 timer efter fødslen blev rotteunger taget fra deres mødre, nogle blev givet til omsorgsfulde stedmorrotter , og nogle var ikke omsorgsfulde. Omsorgsfulde stedmødre havde ingen methylering af cytosiner i exon 17 og adskilte sig ikke fra de rotter, der var opdrættet af deres egen mor. Hos ikke-plejende stedmødre var cytosinmethylering i exon 17 den samme som hos ikke-plejende stedmødre, cytosin blev undertrykt, og exon 17 virkede meget værre. Et forsøg på blot at kompensere for methylering med kemikalier (især ved hjælp af en deacetylasehæmmer TSA) virker dog ikke, hvilket betyder, at mødrepleje udløser eller ikke udløser en meget større kaskade af epigenetiske reaktioner i kroppen, og det er ikke kun begrænset til virkningen på cytosin i exon 17, og bredere med hensyn til rækkevidden af virkninger. [19]
Når man studerede overførslen af ændringer i epigenetik efter køn hos rotter, viste det sig, at den største indflydelse opnås hos mænd, der blev opdraget af ligeglade mødre. Kvinder fra ikke-omsorgsfulde mødre klarede opgaver bedre og viste ikke depression. Det antages, at mødres kønshormoner virker forskelligt på mænd og kvinder. Derefter blev rotteungerne vænnet fra deres mødre i de tidlige stadier af fodring, for det meste hanner viste symptomer på ængstelig adfærd. Disse hanner blev krydset med nullipære hunner, og som et resultat fik de fødte rotteunger normal pleje og udviklede sig inden for det normale område. Men i anden generation begyndte kvinder at vise tegn på depression og angst, mens mænd ikke gjorde det, de var normale. I tredje generation viste hannerne igen depression og angst. Dette indikerer en diskontinuerlig, men ret lang nedarvning af depression, mindst 4 generationer frem, og er et eksempel på epigenetisk nedarvning af egenskaber erhvervet i løbet af individers liv. Citat: [23] [24]
" Hypermethylering af CpG-øer i de regulatoriske områder af MeCP2-, CB1-generne og hypomethylering af den regulatoriske region af CRFR2-genet førte til et fald i ekspressionen af mRNA af disse gener. Samtidig var der ingen ændringer i methyleringen af de regulerende regioner af generne af serotoninreceptorgenet (som spiller en væsentlig rolle i udviklingen af depression ) og monoaminooxidase (katalyserende serotoninspaltning ) Ændringer i methyleringsniveauer, der forekommer samtidigt i forskellige gener, tyder på, at mange gener påvirker individers adfærd .
Resultaterne af denne undersøgelse tyder på, at postnatal stress påvirker ikke kun børn, men også fjernere afkom . " [18]
For mennesker er studier af epigenetiske processer kompliceret af en række faktorer. Det er ikke muligt blot at eksperimentere direkte. Også det menneskelige samfund er et komplekst sæt af blanding af gener, klimapåvirkninger, kulturelle faktorer, stress , ernæringsmæssige egenskaber. Klassisk DNA-arv kan nøjagtigt vise menneskers fænotypiske karakteristika. Men hun kan ikke helt forklare, hvorfor børn nogle gange arver fra deres forældre tegn, der tydeligt erhverves i løbet af livet og derefter overføres under reproduktion. [25] [26]
Det mest massive og nøjagtige projekt til dato er studiet af epigenetik på eksemplet med den hollandske hungersnødvinter 1944-1945 . Det praktiske ved dette eksempel er, at de mennesker, der overlevede det, er præcist kendte, hvor længe folk sultede, plus det præcist definerede område med sult. 4,4 millioner mennesker overlevede hungersnøden, den varede fra november 1944 til maj 1945. De børn, der blev født under hungersnøden, efter fødslen var færre end dem, der blev født et år før hungersnøden. Og faldet i størrelse hos mennesker varede to generationer. Disse børn har en øget risiko for glukoseintolerance i voksenalderen. Undersøgelser har afsløret DNA-methylering hos disse individer, som alle blev født af mødre, der bar dem under en sulten vinter. Der er forslag om, at methylering forårsagede en opbremsning i PIM3-genet, som er ansvarlig for stofskiftet , og jo langsommere genet er, jo langsommere er stofskiftet. Generelt kaldes disse fakta det hollandske sultne vintersyndrom. [27] [28]
Børn og børnebørn fra mødre og bedstemødre, der overlevede denne hungersnød, havde flere stofskiftesygdomme, hjerte-kar-sygdomme. De var mere tilbøjelige til at have skizofreni , skizotypiske og neurologiske lidelser. [29] [30] Virkningerne af sult er ikke de samme for alle børn og varierer efter grad af slægtskab og slægtskabslinjer.
1 - Højere kropsmasseindeks hos drenge på 9 år, dette blev videregivet fra fædre.
2 - Døtre havde ikke et forhøjet body mass index som 9-årig, men de begyndte at ryge tidligere .
3 - Bedstefaderens sult er kun forbundet med dødeligheden af børnebørn (drenge), men ikke børnebørn (piger).
4 - Bedstemoderens sult var forbundet med børnebørnenes dødelighed .
5 - Dårlig fædreernæring og god mødres ernæring er forbundet med en lavere risiko for hjertekarsygdomme hos børn. [31]
I nogle tilfælde er et tab af ekspression i genomet blevet observeret, hvilket fører til Prader-Willi syndrom og Angelman syndrom . I undersøgelsen viste det sig, at dette er forårsaget af epigenetiske ændringer i begge alleler , men ikke af en genetisk DNA-mutation. I alle 19 registrerede tilfælde af sådanne patologier er de tydeligt knyttet til graden af slægtskab mellem børn og forfædre til dem, der overlevede hungersnøden. Især bar fædre et kromosom med en maternelt muteret SNURF-SNRPN-mærke, som igen blev arvet af fædre fra deres mormor. Epigenetiske ændringer i MLH1-genet blev registreret hos to personer, men der var ingen mutation i selve genet, og derfor blev sygdommen i form af arvelig non-polypose kolorektal cancer ikke registreret, og i tilfælde af en genmutation er denne sygdom opstår hos mennesker. [27]
Det er blevet fastslået, at den faderlige linje er ansvarlig for at regulere fødselsvægten for døtre med en potentiel risiko for at udvikle brystkræft . [32] [33]
Epigenetisk modifikation af glukokortikoid-receptorekspression er observeret hos børn, der har oplevet misbrug i barndommen, misbrug, seksuelt misbrug eller demonstrativ omsorgssvigt af barnet af deres forældre . Disse receptorer spiller en afgørende rolle i aktiviteten af hypothalamus , hypofyse og binyrer . Dyreforsøg indikerer, at epigenetiske ændringer afhænger af forholdet mellem mor og barn. Babyer arver også epigenetiske ændringer fra deres mødre under graviditetsstadiet . Hvis mødre under graviditeten blev udsat for vold, stress, så havde deres børn epigenetiske ændringer i genet, der var ansvarlig for glukokortikoid-receptorer, og var tilbøjelige til et højt niveau af angst og bukkede lettere under for stress. Eksponering for stoffet diethylstilbestrol hos kvinder fører til, at børnebørn op til tredje generation har en øget risiko for at udvikle opmærksomhedsunderskud hyperaktivitetsforstyrrelse . [34] [35] [36] [37] [38]
Hos mennesker er sammenhængen mellem fødselsmåneden og en disposition for type 2-diabetes blevet registreret. Samtidig er afstanden mellem tidspunktet for påvirkning af faktorer ved fødslen af et barn og selve sygdommens begyndelse i gennemsnit 50-60 år. Peter Gluckman og Mark Hanson formulerede dette problem som følger - i den udviklende organisme sker der epigenetisk tilpasning til miljøforhold, der påvirker moderen, der føder barnet. Men i tilfælde af en flytning eller en ændring i miljøforhold, "fejler" barnets krop, og der er risiko for sygdom. Så hvis et barn under fosterudviklingen har en mangel på ernæring, forekommer metaboliske processer i kroppen, epigenetik stimulerer gener til at gemme ressourcer til fremtidig brug. Sådan et barn efter fødslen, hvis sulten fortsætter, har en stor chance for at overleve, men hvis der ikke er sult, øges hans risiko for fedme, diabetes og hjertesygdomme dramatisk. [14] [19] [20]
Dannelse af den menneskelige krop og epigenetikEpigenetiske mekanismer (især methylering ) til regulering af genaktivitet er involveret i mange processer forbundet med udviklingen og dannelsen af hele den menneskelige krop. Inaktivering af X-kromosomer i embryonet er et problem for epigenetik, dette skyldes, at hunpattedyr har to kopier af X-kønskromosomet, og mænd har et X-kromosom og et Y -kromosom . Y-kromosomet er mindre og bærer mindre genetisk information, derfor slukkes et kvindeligt X-kromosom ved hjælp af methylering, dette udligner hunner og hanner i overførslen af genetik til afkom og tillader ikke skæv nedarvning. [39]
Som du ved, begynder udviklingen af embryonet med en enkelt zygotecelle, derefter dannes der i stadiet af 32 celler en blastocyst, den består af en trofoblast og en embryoblast efterfulgt af implantation i livmodervæggen. Uden epigenetik ville det være umuligt ved hjælp af simpelt DNA og RNA nøjagtigt at bestemme kroppens symmetri, i hvilken retning hovedet vil vokse og i hvilke ben. Generelt er epigenetik ansvarlig for disse processer og for den ensartede blanding af moderens og faderlige genomer i embryonet. På det embryonale stadium af 50-100 celler i hver celle, er kromosomet (faderlig eller maternalt) slukket ved methylering ved et uheld og forbliver allerede inaktivt under den videre udvikling af cellen. [39] [40]
Embryonet på det primære udviklingsstadium består af universelle embryonale celler , de kan blive en hvilken som helst celle i kroppen - hjerneceller eller negleceller. Epigenetisk regulering af genomet bestemmer, hvilken celle eller væv der begynder at dannes og hvor. Enhver svigt i epigenetikens arbejde fører til patologier eller embryoets død, mens selve DNA'et kan være normalt uden patologier og mutationer. Ulempen ved methylering er, at den er direkte relateret til faderens og moderens ernæring, især i perioden med undfangelse og graviditet. Følelsesmæssige omvæltninger, mors hjerneaktivitet, temperatur, sult, stress har stor indflydelse på epigenetik og DNA-methylering i fosteret og derefter barnet. [39] [40]
Epigenetik er ansvarlig for dannelsen af kimlag, dette er den første fase af celledeling i fremtidige væv og organer. Som følge heraf vil epigenetik i sidste fase opdele celler i næsten to hundrede typer. Alle af dem er resultatet af at tænde og slukke for gener i en strengt defineret tidsperiode. Som et resultat fungerer gener som fuldstændigt kontrollerede programmer, mens epigenetiske mekanismer regulerer disse programmer. [40]
ImmunitetEpigenetiske mekanismer - modifikation af histoner gennem acetylering og deacetylering af lysinrester, kromatinremodellering er kritisk vigtige regulatorer af immunitet hos alle mennesker. Epigenetik er ansvarlig for alle reaktioner fra alle immunceller på forskellige trusler. I forbindelse med medfødt immunitet regulerer epigenetik adskillelsen af medfødte fra myeloide celler og er ansvarlig for fænotypisk variation i adskilte celler. Immunceller reagerer på antigener og infektioner gennem transkriptionelle kaskader. Disse reaktionskaskader reguleres epigenetisk gennem histonmodifikationer, kromatinombygning på genniveau, mikroRNA'er og DNA-methylering. Som et resultat udtrykkes cytokiner og anti-infektiøse molekyler som reaktion på truslen. DNA-methylering i forbindelse med medfødt immunitet er mindre undersøgt end histonacetylering. Det er kendt, at der efter sygdomme er betydelige ændringer i DNA-methylering i celler med medfødt immunitet. Virkningen af vacciner er baseret på kroppens epigenetik. [41]
Epigenetisk arv kan påvirke konditionen, hvis den forudsigeligt ændrer egenskaber i en organisme gennem naturlig selektion. Det er blevet bevist, at miljøstimuli påvirker ændringen i epigener. Et sådant system ligner relativt det, Lamarck foreslog, men ophæver ikke det darwinistiske system med naturlig udvælgelse. Epigenetik giver en organisme en fordel i en pludselig ændring i miljøet (fra sult til temperaturer) og giver den mulighed for at overleve mere vellykket på små og mellemstore tidsskalaer. Samtidig vil darwinistisk selektion virke på alle organismer, og hvis visse epigenetiske ændringer ikke er gavnlige, vil individer ikke efterlade afkom. [tyve]
Hos Linaria vulgaris - planter styrer Lcyc-genet blomstersymmetri. Linnaeus beskrev radialt symmetriske mutante blomster; de opstår med stærk methylering af Lcyc-genet. For bestøvere er både formen og symmetrien af blomster en vigtig faktor, så sådanne krænkelser i Lcyc-genet forårsager skadelige konsekvenser for planter. Også hos dyr medfører epigenetik ikke altid gavnlige ændringer. Arvelige egenskaber kan føre til øget modtagelighed for sygdom. Især epigenetiske ændringer hos mennesker fører til onkologi. Tumormethyleringsmønstre i genpromotorer er positivt forbundet med onkologisk overførsel ved arv inden for familier. MSH2-genmethylering hos mennesker er forbundet med tidligt opstået kolorektal- og endometriecancer. [42] [43] [44] [45]
Som et eksperiment blev frøene af Arabidopsis thaliana demityleret, hvilket forårsagede en betydelig stigning i dødelighed, langsom vækst, langsom blomstring og lavt frugttal. Disse fakta indikerer, at epigenetik kan øge organismers fitness. Modtaget som et resultat af miljøstress, er reaktioner på stress nedarvet og positivt forbundet med organismers fitness. Hos dyr som mus påvirker epigenetik samfundsredekning, øget forældrepleje og social kontakt og forbedrer afkommets chancer for at overleve. [46] [47] [48]
Nedarvede epigenetiske effekter på fænotyper er veldokumenterede i bakterier, protister, svampe, planter, nematoder og frugtfluer. Generelt spiller epigenetik ifølge moderne udvikling i eksperimenter en større rolle for planter end for dyr. Hos dyr på et tidligt stadie (kim) er nedarvning ved den epigenetiske mekanisme sværere, mens i planter og svampe kan somatiske celler indgå i fosterudviklingen. Der er en teori om, at jo større dyret er, jo længere lever det, jo mindre effektiv epigenetisk arv, på grund af den større tidsforskel mellem generationerne. For eksempel i mus er gavnlige epigenetiske ændringer tydeligt synlige, der påvirker overlevelse og hurtig tilpasning til nye forhold. Men jo større organismen er, jo sværere er det generelt for den at ændre levesteder, type ernæring, seksuel adfærd og så videre. [49] [50]
Epigenetiske opdagelser modsiger hverken Lamarcks teori eller Darwins teori, men er snarere relateret til dem begge. For eksempel postulerede Lamarck, at miljøfaktorer påvirker ændringer i fænotyper. I dag er det klart, at dette er sandt, når de udsættes for miljøet, især i ekstreme former (tørke, hungersnød), forstærkes epigenetiske ændringer i genomet og kimlinjer, hvilket øger den fænotypiske diversitet. Darwins teori postulerede, at naturlig udvælgelse øger overlevende populationers evne til at reproducere sig med succes, og de hurtigst tilpassede skiftende miljøforhold overlever altid. Darwinisme er således i overensstemmelse med plasticiteten af epigenetiske ændringer mellem generationer og den konstante stigning i fænotypisk mangfoldighed som et resultat af epigenetik, der øger overførslen af livserhvervede træk. [25] [51]
Organismer på samme sted har mest gavn af epigenetisk overførsel af egenskaber. Jo mere knyttet en organisme er til et punkt, jo lavere er dens evne til at sprede gener til andre punkter, og jo enklere dens adfærd er, jo vigtigere er det for den at overføre de epigenetiske egenskaber, der er ophobet i løbet af livet, så meget som muligt til efterkommerne. Dette forklarer, hvorfor der er færre epigenetisk aktive organismer i et lidt skiftende miljø, og flere af dem i et aktivt foranderligt miljø. [25] [51]