Inhalt
- Epigenetik: Definition und Überblick
- So funktioniert die epigenetische Modifikation
- Epigenetische Einschränkungen des DNA-Zugangs
- Zusätzliche epigenetische Histonmodifikationen
- RNA kann die Genexpression stören
- DNA-Methylierung ist ein Hauptfaktor bei der Genexpression
- Epigenetik Beispiele: Krankheiten
- Epigenetik Beispiele: Verhalten
Die genetische Information für einen Organismus ist in der DNA der Chromosomen des Organismus kodiert, aber es gibt andere Einflüsse bei der Arbeit. Die DNA-Sequenzen eines Gens sind möglicherweise nicht aktiv oder blockiert. Merkmale eines Organismus werden durch seine Gene bestimmt, aber es wird aufgerufen, ob die Gene tatsächlich das codierte Merkmal erzeugen Genexpression.
Viele Faktoren können die Genexpression beeinflussen und bestimmen, ob das Gen seine Charakteristik überhaupt oder manchmal nur schwach produziert. Wenn die Genexpression durch Hormone oder Enzyme beeinflusst wird, spricht man von Genregulation.
Epigenetik studiert die Molekularbiologie der Genregulation und der anderen epigenetische Einflüsse auf die Genexpression. Grundsätzlich ist jeder Einfluss, der die Wirkung von DNA-Sequenzen verändert, ohne den DNA-Code zu verändern, Gegenstand der Epigenetik.
Epigenetik: Definition und Überblick
Epigenetik ist der Prozess, durch den genetische Anweisungen in der DNA von Organismen beeinflusst werden nicht genetische Faktoren. Die primäre Methode für epigenetische Prozesse ist die Kontrolle der Genexpression. Einige Kontrollmechanismen sind vorübergehend, andere jedoch dauerhafter und können über vererbt werden epigenetische Vererbung.
Ein Gen drückt sich aus, indem es eine Kopie von sich selbst erstellt und diese Kopie in die Zelle überträgt, um das in seinen DNA-Sequenzen kodierte Protein zu produzieren. Das Protein, entweder allein oder in Kombination mit anderen Proteinen, erzeugt ein spezifisches Organismusmerkmal. Wenn das Gen an der Produktion des Proteins gehindert ist, wird das Merkmal des Organismus nicht angezeigt.
Die Epigenetik untersucht, wie das Gen daran gehindert werden kann, sein Protein zu produzieren, und wie es wieder eingeschaltet werden kann, wenn es blockiert ist. Unter den vielen epigenetische Mechanismen Folgende Faktoren können die Genexpression beeinflussen:
Die Epigenetik untersucht, wie Gene exprimiert werden, was ihre Expression beeinflusst und welche Mechanismen Gene steuern. Es geht um die Einflussschicht über der genetischen Schicht und darum, wie diese Schicht bestimmt epigenetische Veränderungen Wie ein Organismus aussieht und wie er sich verhält.
So funktioniert die epigenetische Modifikation
Obwohl alle Zellen eines Organismus dasselbe Genom haben, übernehmen die Zellen unterschiedliche Funktionen, je nachdem, wie sie ihre Gene regulieren. Auf der Ebene der Organismen haben Organismen möglicherweise denselben genetischen Code, sehen jedoch anders aus und verhalten sich anders. Im Fall von Menschen zum Beispiel haben eineiige Zwillinge dasselbe menschliche Genom, sehen jedoch je nach Genom etwas anders aus und verhalten sich auch etwas anders epigenetische Veränderungen.
Solche epigenetischen Effekte können abhängig von vielen internen und externen Faktoren variieren, einschließlich der folgenden:
Bei jedem dieser Faktoren kann es sich um epigenetische Faktoren handeln, die die Genexpression in den Zellen fördern oder stören. Eine solche epigenetische Kontrolle ist eine andere Möglichkeit, die Genexpression zu regulieren, ohne den zugrunde liegenden genetischen Code zu ändern.
In jedem Fall ist die gesamte Genexpression verändert. Die internen und externen Faktoren sind entweder für die Genexpression erforderlich oder blockieren eine der Stufen. Wenn ein erforderlicher Faktor wie ein Enzym, das für die Proteinproduktion benötigt wird, fehlt, kann das Protein nicht produziert werden.
Wenn ein blockierender Faktor vorliegt, kann das entsprechende Genexpressionsstadium nicht funktionieren, und die Expression des relevanten Gens wird blockiert. Epigenetik bedeutet, dass ein Merkmal, das in den DNA-Sequenzen eines Gens kodiert ist, möglicherweise nicht im Organismus vorkommt.
Epigenetische Einschränkungen des DNA-Zugangs
Das Genom ist in dünnen, langen Molekülen von DNA-Sequenzen kodiert, die in einer komplizierten Chromatinstruktur eng gewickelt werden müssen, um in winzige Zellkerne zu passen.
Um ein Gen zu exprimieren, wird die DNA über a kopiert Transkriptionsmechanismus. Der Teil einer DNA-Doppelhelix, der das zu exprimierende Gen enthält, wird leicht abgewickelt und ein RNA-Molekül erstellt eine Kopie der DNA-Sequenzen, aus denen das Gen besteht.
Die DNA-Moleküle sind um spezielle Proteine, sogenannte Histone, gewickelt. Die Histone können so verändert werden, dass die DNA mehr oder weniger dicht gewickelt ist.
Eine solche Histon-Modifikationen Dies kann dazu führen, dass DNA-Moleküle so dicht gewickelt werden, dass der Transkriptionsmechanismus, der aus speziellen Enzymen und Aminosäuren besteht, das zu kopierende Gen nicht erreichen kann. Die Beschränkung des Zugangs zu einem Gen durch Histonmodifikation führt zu einer epigenetischen Kontrolle des Gens.
Zusätzliche epigenetische Histonmodifikationen
Zusätzlich zur Einschränkung des Zugangs zu Genen können Histonproteine so verändert werden, dass sie mehr oder weniger fest an die DNA-Moleküle binden, die in der Chromatinstruktur um sie herum gewickelt sind. Derartige Histonmodifikationen beeinflussen den Transkriptionsmechanismus, dessen Funktion darin besteht, eine RNA-Kopie der zu exprimierenden Gene herzustellen.
Zu den Histonmodifikationen, die auf diese Weise die Genexpression beeinflussen, gehören:
Wenn Histone geändert werden, um die Bindung zu erhöhen, kann der genetische Code für ein bestimmtes Gen nicht transkribiert werden und das Gen wird nicht exprimiert. Wenn die Bindung verringert wird, können mehr genetische Kopien hergestellt werden oder sie können leichter hergestellt werden. Das spezifische Gen wird dann mehr und mehr von seinem kodierten Protein exprimiert.
RNA kann die Genexpression stören
Nachdem die DNA-Sequenzen eines Gens in eine kopiert wurden RNA-Sequenzverlässt das RNA-Molekül den Kern. Das in der genetischen Sequenz kodierte Protein kann von kleinen Zellfabriken produziert werden, die Ribosomen genannt werden.
Die Betriebskette sieht wie folgt aus:
Die beiden Schlüsselfunktionen eines RNA-Moleküls sind Transkription und Translation. Zusätzlich zu der RNA, die zum Kopieren und Übertragen der DNA-Sequenzen verwendet wird, können Zellen produzieren Interferenz-RNA oder iRNA. Dies sind kurze Stränge von RNA-Sequenzen, die als nichtkodierende RNA weil sie keine Sequenzen haben, die Gene kodieren.
Ihre Funktion besteht darin, die Transkription und Translation zu stören und die Genexpression zu verringern. Auf diese Weise hat iRNA eine epigenetische Wirkung.
DNA-Methylierung ist ein Hauptfaktor bei der Genexpression
Während der DNA-Methylierung werden Enzyme aufgerufen DNA-Methyltransferasen Methylgruppen an DNA-Moleküle binden. Um ein Gen zu aktivieren und den Transkriptionsprozess zu starten, muss sich zu Beginn ein Protein an das DNA-Molekül binden. Die Methylgruppen befinden sich an den Stellen, an denen sich normalerweise ein Transkriptionsprotein anlagern würde, wodurch die Transkriptionsfunktion blockiert wird.
Wenn sich Zellen teilen, werden die DNA-Sequenzen des Zellgenoms in einem so genannten Prozess kopiert DNA Replikation. Der gleiche Prozess wird verwendet, um Spermien und Eizellen in höheren Organismen zu erzeugen.
Viele der Faktoren, die die Genexpression regulieren, gehen beim Kopieren der DNA verloren, aber viele der DNA-Methylierungsmuster werden in den kopierten DNA-Molekülen repliziert. Dies bedeutet, dass die Regulation der Genexpression durch DNA-Methylierung kann vererbt werden obwohl die zugrunde liegenden DNA-Sequenzen unverändert bleiben.
Da die DNA-Methylierung auf epigenetische Faktoren wie Umwelt, Ernährung, Chemikalien, Stress, Umweltverschmutzung, Lebensgewohnheiten und Strahlung anspricht, können die epigenetischen Reaktionen durch die Exposition gegenüber solchen Faktoren durch die DNA-Methylierung vererbt werden. Dies bedeutet, dass ein Individuum neben genealogischen Einflüssen auch vom Verhalten der Eltern und den Umweltfaktoren, denen sie ausgesetzt waren, geprägt ist.
Epigenetik Beispiele: Krankheiten
Zellen haben Gene, die die Zellteilung fördern, sowie Gene, die ein schnelles, unkontrolliertes Zellwachstum unterdrücken, beispielsweise in Tumoren. Gene, die das Wachstum von Tumoren verursachen, werden genannt Onkogene und diejenigen, die Tumore verhindern, werden genannt Tumorsuppressorgene.
Menschliche Krebserkrankungen können durch die erhöhte Expression von Onkogenen in Verbindung mit der blockierten Expression von Tumorsuppressorgenen verursacht werden. Wird das dieser Genexpression entsprechende DNA-Methylierungsmuster vererbt, kann die Krebsanfälligkeit der Nachkommen erhöht sein.
Im Falle des Darmkrebskann ein fehlerhaftes DNA-Methylierungsmuster von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Laut einer Studie von 1983 und einer Veröffentlichung von A. Feinberg und B. Vogelstein zeigte das DNA-Methylierungsmuster von Darmkrebspatienten eine erhöhte Methylierung und Blockierung von Tumorsuppressorgenen mit einer verringerten Methylierung von Onkogenen.
Epigenetik kann auch verwendet werden, um zu helfen genetisch bedingte Krankheiten behandeln. Beim Fragile X-Syndrom fehlt ein X-Chromosom-Gen, das ein zentrales regulatorisches Protein produziert. Das Fehlen des Proteins bedeutet, dass das BRD4-Protein, das die intellektuelle Entwicklung hemmt, unkontrolliert im Überschuss produziert wird. Arzneimittel, die die Expression von BRD4 hemmen, können zur Behandlung der Krankheit verwendet werden.
Epigenetik Beispiele: Verhalten
Die Epigenetik hat einen großen Einfluss auf Krankheiten, kann aber auch andere Organismusmerkmale wie das Verhalten beeinflussen.
In einer Studie von 1988 an der McGill University beobachtete Michael Meany, dass sich Ratten, deren Mütter sich um sie kümmerten, indem sie sie leckten und achteten, zu ruhigen Erwachsenen entwickelten. Ratten, deren Mütter sie ignorierten, wurden zu ängstlichen Erwachsenen. Eine Analyse des Hirngewebes ergab, dass das Verhalten der Mütter zu Veränderungen des Hirngewebes führte Methylierung von Gehirnzellen bei den Babyratten. Die Unterschiede bei den Nachkommen der Ratten resultierten aus epigenetischen Effekten.
Andere Studien haben sich mit den Auswirkungen der Hungersnot befasst. Wenn Mütter während der Schwangerschaft einer Hungersnot ausgesetzt waren, wie dies in den Niederlanden 1944 und 1945 der Fall war, traten bei ihren Kindern Adipositas und Herzkrankheiten häufiger auf als bei Müttern, die keiner Hungersnot ausgesetzt waren. Das höhere Risiko wurde auf eine verringerte DNA-Methylierung eines Gens zurückgeführt, das einen insulinähnlichen Wachstumsfaktor produziert. Eine solche epigenetische Wirkungen kann über mehrere Generationen vererbt werden.
Auswirkungen von Verhaltensweisen, die von Eltern auf Kinder und später übertragen werden können, können Folgendes umfassen:
Diese Effekte sind das Ergebnis von Änderungen der DNA-Methylierung, die an die Nachkommen weitergegeben werden. Wenn diese Faktoren jedoch die DNA-Methylierung bei den Eltern ändern können, können die Faktoren, die die Kinder erfahren, ihre eigene DNA-Methylierung ändern. Im Gegensatz zum genetischen Code kann die DNA-Methylierung bei Kindern im späteren Leben durch Verhalten und Umwelteinflüsse verändert werden.
Wenn die DNA-Methylierung durch das Verhalten beeinflusst wird, können sich die Methylmarkierungen auf der DNA, an denen sich die Methylgruppen anlagern können, auf diese Weise ändern und die Genexpression beeinflussen. Obwohl viele der Studien, die sich mit der Genexpression befassen, aus vielen Jahren stammen, sind die Ergebnisse erst in jüngerer Zeit mit a verbunden worden wachsendes Volumen der epigenetischen Forschung. Diese Studie zeigt, dass die Rolle der Epigenetik einen ebenso starken Einfluss auf Organismen haben kann wie der zugrunde liegende genetische Code.