Przegląd epigenetyki

Dziedzina epigenetyki, której definicja jest wysoce kwestionowana, szeroko odnosi się do badania dziedzicznych różnic w funkcji genów, których nie można wyjaśnić zmianami sekwencji DNA. Termin "epigenetyka" został po raz pierwszy wprowadzony przez Conrada Waddingtona w latach pięćdziesiątych XX wieku, aby wyjaśnić, w jaki sposób różne typy komórek w organizmie mogą powstać z jednego zestawu materiału genetycznego. Naukowcy zidentyfikowali wiele procesów, które uważa się za mające podłoże epigenetyczne, ale nadal toczy się poważna debata na temat wielu podstawowych zasad tej dziedziny.

W tym filmie przedstawimy ważne odkrycia w epigenetyce, kluczowe pytania dyskutowane przez epigenetyków, typowe narzędzia używane do odpowiedzi na te pytania, a na koniec niektóre aktualne badania w tej dziedzinie.

Najpierw przyjrzyjmy się kilku kluczowym momentom w historii epigenetyki.

W latach trzydziestych XX wieku Hermann J. Muller zaobserwował u Drosophila zjawisko znane jako zmienność pozycyjno-efektowa. Znalazł zmutowane muchy z cętkowanymi oczami i powiązał ten fenotyp ze zmiennym rozprzestrzenianiem się skondensowanej "heterochromatyny", która wyciszała gen odpowiedzialny za kolor oczu. Byłoby to pierwsze zidentyfikowane zjawisko "epigenetyczne", w którym zaobserwowano zmianę fenotypową bez odpowiadającej jej zmiany w sekwencji genetycznej.

W 1959 roku Susumu Ohno zaobserwował w komórkach wątroby samic szczurów, że jeden z dwóch chromosomów X jest zagęszczony. Dwa lata później Mary Lyon wysunęła hipotezę, że ten skondensowany chromosom X jest genetycznie inaktywowany, że wybór, który chromosom X ma być inaktywowany, jest losowy i że ta inaktywacja jest stabilnie dziedziczona przez potomstwo komórki. Proces ten, zwany obecnie inaktywacją chromosomu X lub XCI, powoduje, że samice są biologiczną mozaiką.

W 1964 roku Alfred Mirsky opublikował najwcześniejszą pracę na temat roli modyfikacji histonów w regulacji genów. Histony tworzą rdzeń nukleosomów, które są podstawową powtarzającą się jednostką chromatyny w komórkach eukariotycznych. Mirsky badał, w jaki sposób metylacja i acetylacja histonów wpływają na syntezę RNA, a obecnie wiadomo, że liczne modyfikacje zmieniają "stan aktywności" pobliskich regionów chromosomowych.

W 1975 roku Robin Holliday i jego student John Pugh oraz niezależnie Arthur Riggs zasugerowali, że metylacja dinukleotydów CpG w DNA może być zaangażowana w stabilne wyciszanie epigenetyczne, na przykład podczas XCI. Adrian Bird i współpracownicy uwiarygodnili tę ideę w 1985 roku, identyfikując klastry niemetylowanych miejsc CpG w całym genomie, które później zostały powiązane z aktywnymi transkrypcyjnie promotorami. Później odkrył również białka regulatorowe, które wiążą metylowane DNA, ostatecznie hamując transkrypcję.

W 1984 roku Davor Solter, Azim Surani i inni zaobserwowali, że embriony myszy zawierające tylko matczyny lub ojcowski materiał genetyczny – stworzone w eksperymentach z przeszczepami jądrowymi – nie rozwijają się normalnie. Oznaczało to odkrycie imprintingu genomowego, czyli ekspresji genów specyficznej dla rodzica pochodzenia.

Pierwsze wdrukowane geny zostały odkryte w 1991 roku, przy czym tylko kopia odziedziczona po ojcu lub matce ulega ekspresji. Jeden z tych genów, H19, okazuje się dość nietypowy – jego końcowym produktem jest 2,3 kilozasadowego RNA, który nie ulega translacji na białka.

Wkrótce odkryto więcej tych "długich niekodujących RNA" lub lncRNA, w tym Xist, który jest wymagany do wyłączenia chromosomu X podczas XCI. Obecne dowody sugerują, że te RNA mogą funkcjonować jako rusztowania do rekrutacji czynników regulacyjnych. Obecnie naukowcy kontynuują badania, w jaki sposób interakcje między lncRNA, metylacją DNA i modyfikacjami histonów regulują procesy epigenetyczne.

Przejdźmy teraz do kilku pytań zadawanych przez epigenetyków.

Na najbardziej podstawowym poziomie naukowcy nadal aktywnie badają mechanizmy, za pomocą których znaczniki epigenetyczne, takie jak modyfikacje histonów i metylacja DNA, są tworzone, usuwane i interpretowane. Naukowcy nadal charakteryzują enzymy, które pełnią te funkcje, a także sposób, w jaki znaczniki oddziałują z maszynerią transkrypcyjną w celu aktywacji lub stłumienia ekspresji genów.

Głębszym pytaniem, które się nasuwa, jest to, czy istnieje "kod epigenetyczny", analogiczny do dobrze zdefiniowanego "kodu genetycznego", który dyktuje, w jaki sposób informacja w DNA jest tłumaczona na sekwencję białka. Naukowcy próbują ustalić, czy kombinacja znaczników epigenetycznych tworzy podobny kod predykcyjny, który pewnego dnia umożliwi wydedukowanie wzorca ekspresji każdego genu.

W ostatnim czasie naukowcy zainteresowali się biologiczną rolą lncRNA. Chociaż dominującym modelem jest to, że lncRNA pomagają rekrutować czynniki epigenetyczne do określonych lokalizacji genomowych, ich dokładne mechanizmy i to, czy wszystkie lncRNA działają podobnie, są nadal badane.

Wreszcie, ponieważ znaczniki epigenetyczne są chemicznymi "dodatkami", które nie są po prostu replikowane wraz z DNA, naukowcy wciąż próbują dowiedzieć się, w jaki sposób znaki te utrzymują się przez pokolenia komórkowe. Jeszcze bardziej kontrowersyjne jest potencjalne międzypokoleniowe dziedziczenie pewnych procesów epigenetycznych. Ponieważ zaobserwowano, że znaczniki epigenetyczne są dramatycznie usuwane lub "przeprogramowywane" na wczesnym etapie embriogenezy i ponownie podczas tworzenia gamet, to, jak i czy te międzypokoleniowe zjawiska faktycznie występują, pozostaje przedmiotem gorącej dyskusji.

Przyjrzyjmy się teraz niektórym narzędziom używanym w badaniach nad epigenetyką.

Metylacja DNA jest najczęściej wykrywana za pomocą analizy wodorosiarczynowej, procesu polegającego na zmianie niemetylowanych reszt cytozyny w uracyl, które są następnie wykrywane jako tymina w reakcjach sekwencjonowania. Porównanie sekwencji przed i po leczeniu wodorosiarczynem pozwala naukowcom zidentyfikować lokalizacje metylowanego DNA. Inną metodą oznaczania stanu metylacji DNA jest trawienie DNA za pomocą enzymów restrykcyjnych wrażliwych na metylację, które mogą ciąć tylko niemetylowane DNA.

Immunoprecypitacja lub techniki pull-down są stosowane do identyfikacji sekwencji DNA lub RNA związanych z określonymi cechami. Immunoprecypitacja chromatyny lub ChIP izoluje DNA związane przez określone czynniki białkowe lub modyfikacje histonów, których informacje o sekwencji można następnie przeanalizować za pomocą PCR lub sekwencjonowania.

Z drugiej strony, immunoprecypitacja metylowanego DNA lub MeDIP służy do izolowania i wzbogacania metylowanego DNA. Immunoprecypitacja RNA lub RIP i izolacja chromatyny przez oczyszczanie RNA lub ChIRP mogą odpowiednio określić partnerów białkowych niekodującego RNA lub jego lokalizacje wiązania genomowego.

. W tym eksperymencie fluorescencyjna hybrydyzacja in situ RNA Xist została połączona z immunofluorescencją przeciwko znanym modyfikacjom histonów. Znaczniki lncRNA i histonów mogą być następnie "kolokalizowane", aby ujawnić możliwe związki funkcjonalne.

Właśnie obejrzałeś przegląd epigenetyki JoVE. W tym filmie przyjrzeliśmy się historii dziedziny epigenetyki, niektórym z najważniejszych pytań i narzędzi w tej dziedzinie oraz konkretnym przykładom badań epigenetycznych. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!