نظرة عامة على علم التخلق
منذ الأيام الأولى لأبحاث علم الوراثة ، لاحظ العلماء بعض الاختلافات المظهرية الوراثية التي لا ترجع إلى الاختلافات في تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي.…
يشير مجال علم التخلق ، الذي يحظى تعريفه بخلاف كبير ، على نطاق واسع إلى دراسة الاختلافات الوراثية في وظيفة الجينات التي لا يمكن تفسيرها بتغيرات تسلسل الحمض النووي. تم تقديم مصطلح "علم التخلق" لأول مرة من قبل كونراد وادينجتون في الخمسينيات ، لشرح كيف يمكن أن تنشأ أنواع الخلايا المتنوعة في الجسم من مجموعة واحدة من المواد الوراثية. حدد الباحثون العديد من العمليات التي يعتقد أن لها أساسا لاجينيا ، ولكن لا يزال هناك جدل كبير حول العديد من المبادئ الأساسية لهذا المجال.
في هذا الفيديو ، سنسلط الضوء على الاكتشافات المهمة في علم التخلق ، والأسئلة الرئيسية التي يناقشها علماء التخلق ، والأدوات الشائعة المستخدمة للإجابة على هذه الأسئلة ، وأخيرا ، بعض الأبحاث الحالية في هذا المجال.
أولا ، دعنا نراجع العديد من اللحظات الرئيسية في تاريخ علم التخلق.
في الثلاثينيات من القرن العشرين ، لاحظ هيرمان جيه مولر ظاهرة تعرف باسم تلون تأثير الموضع في ذبابة الفاكهة. وجد ذبابا متحورا بعيون مرقطة ، وربط هذا النمط الظاهري بالانتشار المتغير ل "الكروماتين غير المتجانس" المكثف الذي أسكت الجين المسؤول عن لون العين. ستكون هذه أول ظاهرة "جينية" تم تحديدها حيث لوحظ تغيير في النمط الظاهري دون تغيير مماثل في التسلسل الجيني.
في عام 1959 ، لاحظ Susumu Ohno في خلايا كبد الفئران الأنثوية أن أحد الكروموسومين X قد تم تكثيفه. بعد ذلك بعامين ، افترضت ماري ليون أن هذا الكروموسوم X المكثف معطل وراثيا ، وأن اختيار الكروموسوم X الذي سيتم تعطيله عشوائي ، وأن هذا التعطيل موروث بثبات من قبل نسل الخلية. هذه العملية ، التي تسمى الآن تعطيل الكروموسوم X أو XCI ، تجعل الإناث فسيفساء بيولوجية.
في عام 1964 ، نشر ألفريد ميرسكي أقدم عمل حول دور تعديلات الهيستون في تنظيم الجينات. تشكل الهستونات جوهر النيوكليوسومات ، وهي الوحدة المتكررة الأساسية للكروماتين في الخلايا حقيقية النواة. درس ميرسكي كيف أثرت مثيلة الأستلة والأستيل للهيستونات على تخليق الحمض النووي الريبي ، ومن المعروف الآن أن العديد من التعديلات تغير "حالة النشاط" لمناطق الكروموسومات القريبة.
في عام 1975 ، اقترح روبن هوليداي وتلميذه جون بوغ ، وبشكل مستقل آرثر ريجز ، أن مثيلة ثنائي النوكليوتيدات CpG في الحمض النووي قد تشارك في إسكات الوراثة اللاجينية المستقرة ، على سبيل المثال خلال XCI. أعطى أدريان بيرد وزملاؤه مزيدا من المصداقية لهذه الفكرة في عام 1985 من خلال تحديد مجموعات من مواقع CpG غير الميثيلة في جميع أنحاء الجينوم والتي ارتبطت لاحقا بالمحفزات النشطة في النسخ. اكتشف لاحقا أيضا البروتينات التنظيمية التي تربط الحمض النووي الميثيلي ، مما يؤدي في النهاية إلى قمع النسخ.
في عام 1984 ، لاحظ دافور سولتر وعظيم سوراني وآخرون أن أجنة الفئران التي تحتوي فقط على مادة وراثية للأم أو الأب - تم إنشاؤها من خلال تجارب الزرع النووي - لم تتطور بشكل طبيعي. كان هذا بمثابة اكتشاف البصمة الجينومية ، أو التعبير الجيني المحدد لوالد المنشأ.
تم اكتشاف الجينات المطبوعة الأولى في عام 1991 ، حيث يتم التعبير عن النسخة الموروثة فقط من الأب أو الأم. تبين أن أحد هذه الجينات ، H19 ، غير عادي إلى حد ما - منتجه النهائي هو 2.3 كيلو قاعدة من الحمض النووي الريبي الذي لا يترجم إلى بروتينات.
سرعان ما تم اكتشاف المزيد من هذه "الحمض النووي الريبي الطويل غير المشفر" أو lncRNAs ، بما في ذلك Xist ، وهو مطلوب لإغلاق الكروموسوم X أثناء XCI. تشير الأدلة الحالية إلى أن هذه الحمض النووي الريبي قد تعمل كسقالات لتجنيد العوامل التنظيمية. اليوم ، يواصل الباحثون العمل على كيفية تنظيم التفاعلات بين lncRNAs ومثيلة الحمض النووي وتعديلات الهيستون للعمليات اللاجينية
الآن ، دعنا ننتقل إلى بعض الأسئلة التي يطرحها علماء التخلق.
على المستوى الأساسي ، لا يزال العلماء يدرسون بنشاط الآليات التي يتم من خلالها إنشاء العلامات اللاجينية ، مثل تعديلات الهيستون ومثيلة الحمض النووي ، وإزالتها وتفسيرها. يواصل الباحثون توصيف الإنزيمات التي تقوم بهذه الوظائف ، وكذلك كيفية تفاعل العلامات مع آلية النسخ لتنشيط أو قمع التعبير الجيني.
السؤال الأعمق الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان هناك "رمز لاجيني" ، مشابه ل "الشفرة الجينية" المحددة جيدا ، والتي تملي كيفية ترجمة المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى تسلسل البروتين. يحاول الباحثون تحديد ما إذا كانت مجموعة العلامات اللاجينية تشكل رمزا تنبؤيا مشابها سيجعل من الممكن في يوم من الأيام استنتاج نمط التعبير عن كل جين.
في الآونة الأخيرة ، اهتم العلماء بالأدوار البيولوجية ل lncRNAs. في حين أن النموذج السائد هو أن lncRNAs تساعد في تجنيد العوامل اللاجينية في مواقع جينومية محددة ، فإن آلياتها الدقيقة ، وما إذا كانت جميع lncRNAs تعمل بشكل مماثل ، لا تزال قيد الدراسة.
أخيرا ، نظرا لأن العلامات اللاجينية هي "إضافات" كيميائية لا يتم تكرارها ببساطة مع الحمض النووي ، لا يزال العلماء يحاولون معرفة كيفية استمرار العلامات عبر الأجيال الخلوية. والأكثر إثارة للجدل هو الوراثة المحتملة عبر الأجيال لبعض العمليات اللاجينية اللاجينية. نظرا لأنه لوحظ أن العلامات اللاجينية يتم محوها بشكل كبير أو "إعادة برمجتها" في وقت مبكر من التطور الجنيني ، ومرة أخرى أثناء تكوين الأمشاج ، فإن كيفية حدوث هذه الظواهر عبر الأجيال بالفعل لا تزال محل نقاش ساخن.
دعونا الآن نلقي نظرة على بعض الأدوات المستخدمة في دراسة علم التخلق.
يتم اكتشاف مثيلة الحمض النووي بشكل شائع عن طريق تحليل ثنائي الكبريتيت ، وهي عملية لتغيير بقايا السيتوزين غير الميثيل إلى يوراسيل ، والتي يتم اكتشافها بعد ذلك على أنها ثايمين في تفاعلات التسلسل. تسمح مقارنة التسلسلات قبل وبعد المعالجة بثنائي كبريتيت للباحثين بتحديد مواقع الحمض النووي الميثيلي. هناك طريقة أخرى لفحص حالة مثيلة الحمض النووي وهي هضم الحمض النووي باستخدام إنزيمات التقييد الحساسة للمثيلة ، والتي يمكنها فقط قطع الحمض النووي غير الميثيل.
تستخدم تقنيات الترسيب المناعي ، أو تقنيات المنسدلة ، لتحديد تسلسل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي المرتبط بميزات محددة. يعزل الترسيب المناعي للكروماتين ، أو ChIP ، الحمض النووي المرتبط بعوامل بروتينية معينة أو تعديلات هيستون ، والتي يمكن بعد ذلك تحليل معلومات تسلسلها عن طريق تفاعل البوليميراز المتسلسل أو التسلسل.
من ناحية أخرى ، يتم استخدام ترسيب مناعي الحمض النووي الميثيلي ، أو MeDIP ، لعزل وإثراء الحمض النووي الميثيلي. يمكن أن يحدد الترسيب المناعي للحمض النووي الريبي ، أو RIP ، وعزل الكروماتين عن طريق تنقية الحمض النووي الريبي ، أو ChIRP ، على التوالي شركاء البروتين للحمض النووي الريبي غير المشفر أو مواقع الارتباط الجينومية.
التقنيات القائمة. في هذه التجربة ، تم دمج التهجين في الموقع للحمض النووي الريبي Xist مع التألق المناعي ضد تعديلات هيستون المعروفة. يمكن بعد ذلك "توطين lncRNA وعلامات هيستون" للكشف عن العلاقات الوظيفية المحتملة.
لقد شاهدت للتو نظرة عامة على JoVE حول علم التخلق. في هذا الفيديو ، نظرنا في تاريخ مجال علم التخلق ، وبعض الأسئلة والأدوات البارزة في هذا المجال ، وأمثلة محددة للأبحاث اللاجينية كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يشير مجال علم التخلق ، الذي يحظى تعريفه بخلاف كبير ، على نطاق واسع إلى دراسة الاختلافات الوراثية في وظيفة الجينات التي لا يمكن تفسيرها بتغيرات تسلسل الحمض النووي. تم تقديم مصطلح "علم التخلق" لأول مرة من قبل كونراد وادينجتون في الخمسينيات ، لشرح كيف يمكن أن تنشأ أنواع الخلايا المتنوعة في الجسم من مجموعة واحدة من المواد الوراثية. حدد الباحثون العديد من العمليات التي يعتقد أن لها أساسا لاجينيا ، ولكن لا يزال هناك جدل كبير حول العديد من المبادئ الأساسية لهذا المجال.
في هذا الفيديو ، سنسلط الضوء على الاكتشافات المهمة في علم التخلق ، والأسئلة الرئيسية التي يناقشها علماء التخلق ، والأدوات الشائعة المستخدمة للإجابة على هذه الأسئلة ، وأخيرا ، بعض الأبحاث الحالية في هذا المجال.
أولا ، دعنا نراجع العديد من اللحظات الرئيسية في تاريخ علم التخلق.
في الثلاثينيات من القرن العشرين ، لاحظ هيرمان جيه مولر ظاهرة تعرف باسم تلون تأثير الموضع في ذبابة الفاكهة. وجد ذبابا متحورا بعيون مرقطة ، وربط هذا النمط الظاهري بالانتشار المتغير ل "الكروماتين غير المتجانس" المكثف الذي أسكت الجين المسؤول عن لون العين. ستكون هذه أول ظاهرة "جينية" تم تحديدها حيث لوحظ تغيير في النمط الظاهري دون تغيير مماثل في التسلسل الجيني.
في عام 1959 ، لاحظ Susumu Ohno في خلايا كبد الفئران الأنثوية أن أحد الكروموسومين X قد تم تكثيفه. بعد ذلك بعامين ، افترضت ماري ليون أن هذا الكروموسوم X المكثف معطل وراثيا ، وأن اختيار الكروموسوم X الذي سيتم تعطيله عشوائي ، وأن هذا التعطيل موروث بثبات من قبل نسل الخلية. هذه العملية ، التي تسمى الآن تعطيل الكروموسوم X أو XCI ، تجعل الإناث فسيفساء بيولوجية.
في عام 1964 ، نشر ألفريد ميرسكي أقدم عمل حول دور تعديلات الهيستون في تنظيم الجينات. تشكل الهستونات جوهر النيوكليوسومات ، وهي الوحدة المتكررة الأساسية للكروماتين في الخلايا حقيقية النواة. درس ميرسكي كيف أثرت مثيلة الأستلة والأستيل للهيستونات على تخليق الحمض النووي الريبي ، ومن المعروف الآن أن العديد من التعديلات تغير "حالة النشاط" لمناطق الكروموسومات القريبة.
في عام 1975 ، اقترح روبن هوليداي وتلميذه جون بوغ ، وبشكل مستقل آرثر ريجز ، أن مثيلة ثنائي النوكليوتيدات CpG في الحمض النووي قد تشارك في إسكات الوراثة اللاجينية المستقرة ، على سبيل المثال خلال XCI. أعطى أدريان بيرد وزملاؤه مزيدا من المصداقية لهذه الفكرة في عام 1985 من خلال تحديد مجموعات من مواقع CpG غير الميثيلة في جميع أنحاء الجينوم والتي ارتبطت لاحقا بالمحفزات النشطة في النسخ. اكتشف لاحقا أيضا البروتينات التنظيمية التي تربط الحمض النووي الميثيلي ، مما يؤدي في النهاية إلى قمع النسخ.
في عام 1984 ، لاحظ دافور سولتر وعظيم سوراني وآخرون أن أجنة الفئران التي تحتوي فقط على مادة وراثية للأم أو الأب - تم إنشاؤها من خلال تجارب الزرع النووي - لم تتطور بشكل طبيعي. كان هذا بمثابة اكتشاف البصمة الجينومية ، أو التعبير الجيني المحدد لوالد المنشأ.
تم اكتشاف الجينات المطبوعة الأولى في عام 1991 ، حيث يتم التعبير عن النسخة الموروثة فقط من الأب أو الأم. تبين أن أحد هذه الجينات ، H19 ، غير عادي إلى حد ما - منتجه النهائي هو 2.3 كيلو قاعدة من الحمض النووي الريبي الذي لا يترجم إلى بروتينات.
سرعان ما تم اكتشاف المزيد من هذه "الحمض النووي الريبي الطويل غير المشفر" أو lncRNAs ، بما في ذلك Xist ، وهو مطلوب لإغلاق الكروموسوم X أثناء XCI. تشير الأدلة الحالية إلى أن هذه الحمض النووي الريبي قد تعمل كسقالات لتجنيد العوامل التنظيمية. اليوم ، يواصل الباحثون العمل على كيفية تنظيم التفاعلات بين lncRNAs ومثيلة الحمض النووي وتعديلات الهيستون للعمليات اللاجينية
الآن ، دعنا ننتقل إلى بعض الأسئلة التي يطرحها علماء التخلق.
على المستوى الأساسي ، لا يزال العلماء يدرسون بنشاط الآليات التي يتم من خلالها إنشاء العلامات اللاجينية ، مثل تعديلات الهيستون ومثيلة الحمض النووي ، وإزالتها وتفسيرها. يواصل الباحثون توصيف الإنزيمات التي تقوم بهذه الوظائف ، وكذلك كيفية تفاعل العلامات مع آلية النسخ لتنشيط أو قمع التعبير الجيني.
السؤال الأعمق الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان هناك "رمز لاجيني" ، مشابه ل "الشفرة الجينية" المحددة جيدا ، والتي تملي كيفية ترجمة المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى تسلسل البروتين. يحاول الباحثون تحديد ما إذا كانت مجموعة العلامات اللاجينية تشكل رمزا تنبؤيا مشابها سيجعل من الممكن في يوم من الأيام استنتاج نمط التعبير عن كل جين.
في الآونة الأخيرة ، اهتم العلماء بالأدوار البيولوجية ل lncRNAs. في حين أن النموذج السائد هو أن lncRNAs تساعد في تجنيد العوامل اللاجينية في مواقع جينومية محددة ، فإن آلياتها الدقيقة ، وما إذا كانت جميع lncRNAs تعمل بشكل مماثل ، لا تزال قيد الدراسة.
أخيرا ، نظرا لأن العلامات اللاجينية هي "إضافات" كيميائية لا يتم تكرارها ببساطة مع الحمض النووي ، لا يزال العلماء يحاولون معرفة كيفية استمرار العلامات عبر الأجيال الخلوية. والأكثر إثارة للجدل هو الوراثة المحتملة عبر الأجيال لبعض العمليات اللاجينية اللاجينية. نظرا لأنه لوحظ أن العلامات اللاجينية يتم محوها بشكل كبير أو "إعادة برمجتها" في وقت مبكر من التطور الجنيني ، ومرة أخرى أثناء تكوين الأمشاج ، فإن كيفية حدوث هذه الظواهر عبر الأجيال بالفعل لا تزال محل نقاش ساخن.
دعونا الآن نلقي نظرة على بعض الأدوات المستخدمة في دراسة علم التخلق.
يتم اكتشاف مثيلة الحمض النووي بشكل شائع عن طريق تحليل ثنائي الكبريتيت ، وهي عملية لتغيير بقايا السيتوزين غير الميثيل إلى يوراسيل ، والتي يتم اكتشافها بعد ذلك على أنها ثايمين في تفاعلات التسلسل. تسمح مقارنة التسلسلات قبل وبعد المعالجة بثنائي كبريتيت للباحثين بتحديد مواقع الحمض النووي الميثيلي. هناك طريقة أخرى لفحص حالة مثيلة الحمض النووي وهي هضم الحمض النووي باستخدام إنزيمات التقييد الحساسة للمثيلة ، والتي يمكنها فقط قطع الحمض النووي غير الميثيل.
تستخدم تقنيات الترسيب المناعي ، أو تقنيات المنسدلة ، لتحديد تسلسل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي المرتبط بميزات محددة. يعزل الترسيب المناعي للكروماتين ، أو ChIP ، الحمض النووي المرتبط بعوامل بروتينية معينة أو تعديلات هيستون ، والتي يمكن بعد ذلك تحليل معلومات تسلسلها عن طريق تفاعل البوليميراز المتسلسل أو التسلسل.
من ناحية أخرى ، يتم استخدام ترسيب مناعي الحمض النووي الميثيلي ، أو MeDIP ، لعزل وإثراء الحمض النووي الميثيلي. يمكن أن يحدد الترسيب المناعي للحمض النووي الريبي ، أو RIP ، وعزل الكروماتين عن طريق تنقية الحمض النووي الريبي ، أو ChIRP ، على التوالي شركاء البروتين للحمض النووي الريبي غير المشفر أو مواقع الارتباط الجينومية.
التقنيات القائمة. في هذه التجربة ، تم دمج التهجين في الموقع للحمض النووي الريبي Xist مع التألق المناعي ضد تعديلات هيستون المعروفة. يمكن بعد ذلك "توطين lncRNA وعلامات هيستون" للكشف عن العلاقات الوظيفية المحتملة.
لقد شاهدت للتو نظرة عامة على JoVE حول علم التخلق. في هذا الفيديو ، نظرنا في تاريخ مجال علم التخلق ، وبعض الأسئلة والأدوات البارزة في هذا المجال ، وأمثلة محددة للأبحاث اللاجينية كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is epigenetics and how does it differ from genetics?
Epigenetics studies heritable differences in gene function that cannot be explained by DNA sequence changes. While genetics focuses on variations in DNA itself, epigenetics examines chemical modifications and regulatory mechanisms that control gene expression without altering the underlying genetic code. These include DNA methylation, histone modifications, and long noncoding RNA interactions that influence how genes are activated or silenced.
Q2: What is X-chromosome inactivation and why does it occur in females?
X-chromosome inactivation (XCI) is a process where one of two X-chromosomes in female mammalian cells becomes condensed and genetically inactivated. This random inactivation is stably inherited by the cell's offspring, making females biological mosaics with two different populations of cells. XCI was first hypothesized by Mary Lyon in 1961 as an explanation for observed X-chromosome condensation in female rat liver cells.
Q3: How do histone modifications affect gene activity?
Histone modifications, such as methylation and acetylation, alter the activity state of nearby chromosomal regions. Histones form the core of nucleosomes, the basic repeating units of chromatin in eukaryotic cells. These chemical modifications regulate whether genes are transcriptionally active or repressed, influencing RNA synthesis and gene expression patterns throughout the genome.
Q4: What role do long noncoding RNAs play in epigenetic regulation?
Long noncoding RNAs (lncRNAs) are RNA molecules that do not get translated into proteins but function as scaffolds to recruit regulatory factors to specific genomic locations. The lncRNA Xist, for example, is required for shutting down the X-chromosome during X-chromosome inactivation. Researchers continue studying how lncRNAs interact with DNA methylation and histone modifications to regulate epigenetic processes.
Q5: What is genomic imprinting and what makes it significant?
Genomic imprinting is parent-of-origin specific gene expression, where only the copy of a gene inherited from either the father or mother is expressed. This phenomenon was discovered in 1984 through nuclear transplantation experiments showing that mouse embryos containing only maternal or paternal genetic material did not develop normally, demonstrating that both parental contributions are essential for proper development.
Q6: How do researchers detect DNA methylation in epigenetic studies?
DNA methylation is most commonly detected by bisulfite analysis, a process that converts unmethylated cytosine residues to uracil, which are then detected as thymine in sequencing reactions. Comparing sequences before and after bisulfite treatment reveals methylated DNA locations. Alternatively, researchers use methylation-sensitive restriction enzymes that cut only unmethylated DNA to assay methylation status.
Q7: What techniques do epigeneticists use to study protein-DNA interactions?
Chromatin immunoprecipitation (ChIP) isolates DNA bound by particular protein factors or histone modifications, with sequence information analyzed by PCR or sequencing. Methylated DNA immunoprecipitation (MeDIP) enriches methylated DNA specifically. RNA immunoprecipitation (RIP) and Chromatin Isolation by RNA Purification (ChIRP) determine protein partners of non-coding RNAs or their genomic binding locations, enabling researchers to map epigenetic regulatory networks.