Обзор эпигенетики

Область эпигенетики, определение которой является весьма спорным, в широком смысле относится к изучению наследственных различий в функциях генов, которые не могут быть объяснены изменениями последовательности ДНК. Термин «эпигенетика» был впервые введен Конрадом Уоддингтоном в 1950-х годах, чтобы объяснить, как различные типы клеток в организме могут возникать из одного набора генетического материала. Исследователи определили многие процессы, которые, как считается, имеют эпигенетическую основу, но до сих пор ведутся серьезные споры о многих фундаментальных принципах в этой области.

В этом видео мы расскажем о важных открытиях в эпигенетике, ключевых вопросах, обсуждаемых эпигенетиками, общих инструментах, используемых для ответа на эти вопросы, и, наконец, о некоторых текущих исследованиях в этой области.

Во-первых, давайте рассмотрим несколько ключевых моментов в истории эпигенетики.

В 1930-х годах Герман Мюллер наблюдал явление, известное как позиционно-эффектная пестрота у дрозофил. Он обнаружил мутантных мух с пятнистыми глазами и связал этот фенотип с изменчивым распространением конденсированного «гетерохроматина», который подавляет ген, отвечающий за цвет глаз. Это был бы первый выявленный «эпигенетический» феномен, при котором фенотипическое изменение наблюдалось без соответствующего изменения генетической последовательности.

В 1959 году Сусуму Оно обнаружил в клетках печени самок крыс, что одна из двух Х-хромосом была конденсирована. Два года спустя Мэри Лайон выдвинула гипотезу о том, что эта конденсированная Х-хромосома является генетически инактивированной, что выбор Х-хромосомы для инактивации случаен, и что эта инактивация стабильно наследуется потомством клетки. Этот процесс, теперь называемый инактивацией Х-хромосомы или XCI, приводит к тому, что самки становятся биологической мозаикой.

В 1964 году Альфред Мирски опубликовал самую раннюю работу о роли модификаций гистонов в регуляции генов. Гистоны образуют ядро нуклеосом, которые являются основной повторяющейся единицей хроматина в эукариотических клетках. Мирский изучал, как метилирование и ацетилирование гистонов влияет на синтез РНК, и теперь известно, что многочисленные модификации изменяют «состояние активности» близлежащих хромосомных областей.

В 1975 году Робин Холлидей и его студент Джон Пью, а также независимо друг от друга Артур Риггс предположили, что метилирование CpG-динуклеотидов в ДНК может быть вовлечено в стабильное эпигенетическое сайленсинг, например, во время XCI. Адриан Берд и его коллеги еще больше подтвердили эту идею в 1985 году, определив кластеры неметилированных сайтов CpG по всему геному, которые позже были связаны с транскрипционно активными промоторами. Позже он также открыл регуляторные белки, которые связывают метилированную ДНК, в конечном итоге подавляя транскрипцию.

В 1984 году Давор Солтер, Азим Сурани и другие заметили, что эмбрионы мышей, содержащие только материнский или отцовский генетический материал, созданные с помощью экспериментов по ядерной трансплантации, не развиваются нормально. Это ознаменовало собой открытие геномного импринтинга, или экспрессии генов, специфичных для родителей.

Первые импринтированные гены были обнаружены в 1991 году, когда экспрессируется только копия, унаследованная от отца или матери. Один из этих генов, H19, оказался довольно необычным — его конечным продуктом является РНК с 2,3 килооснованиями, которая не транслируется в белки.

Вскоре было обнаружено больше таких «длинных некодирующих РНК» или некодирующих РНК, в том числе Xist, который необходим для отключения X-хромосомы во время XCI. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что эти РНК могут функционировать как каркасы для привлечения регуляторных факторов. Сегодня исследователи продолжают выяснять, как взаимодействия между некодирующими РНК, метилированием ДНК и модификациями гистонов регулируют эпигенетические процессы.

Теперь давайте обратимся к некоторым вопросам, которые задают эпигенетики.

На самом базовом уровне ученые все еще активно изучают механизмы, с помощью которых эпигенетические метки, такие как модификации гистонов и метилирование ДНК, создаются, удаляются и интерпретируются. Исследователи продолжают характеризовать ферменты, выполняющие эти функции, а также то, как метки взаимодействуют с механизмом транскрипции, чтобы активировать или подавить экспрессию генов.

Возникает более глубокий вопрос: существует ли «эпигенетический код», аналогичный четко определенному «генетическому коду», который определяет, как информация в ДНК транслируется в белковую последовательность. Исследователи пытаются определить, образует ли комбинация эпигенетических меток аналогичный прогностический код, который однажды позволит вывести паттерн экспрессии каждого гена.

В последнее время ученых интересует биологическая роль некодирующих РНК. Несмотря на то, что преобладающая модель заключается в том, что некодирующие РНК помогают рекрутировать эпигенетические факторы в конкретные места генома, их точные механизмы и то, все ли некодирующие РНК функционируют одинаково, все еще изучаются.

Наконец, поскольку эпигенетические метки являются химическими «дополнениями», которые не просто реплицируются вместе с ДНК, ученые все еще пытаются выяснить, как эти метки продолжаются через клеточные поколения. Еще более спорным является потенциальное наследование определенных эпигенетических процессов от поколения к поколению. Поскольку было замечено, что эпигенетические метки резко стираются или «перепрограммируются» на ранних этапах эмбриогенеза, а также во время формирования гамет, вопрос о том, как и происходят ли эти трансгенерационные явления на самом деле, остается предметом горячих споров.

Давайте теперь рассмотрим некоторые инструменты, используемые в изучении эпигенетики.

Метилирование ДНК чаще всего обнаруживается с помощью бисульфитного анализа, процесса превращения неметилированных остатков цитозина в урацил, который затем обнаруживается как тимин в реакциях секвенирования. Сравнение последовательностей до и после обработки бисульфитом позволяет исследователям идентифицировать места метилированной ДНК. Другим методом определения статуса метилирования ДНК является расщепление ДНК с помощью чувствительных к метилированию ферментов рестрикции, которые могут разрезать только неметилированную ДНК.

Иммунопреципитация, или методы pull-down, используются для идентификации последовательностей ДНК или РНК, связанных с конкретными особенностями. Иммунопреципитация хроматина, или ChIP, изолирует ДНК, связанную определенными белковыми факторами или модификациями гистонов, информация о последовательности которых затем может быть проанализирована с помощью ПЦР или секвенирования.

С другой стороны, иммунопреципитация метилированной ДНК, или MeDIP, используется для выделения и обогащения метилированной ДНК. Иммунопреципитация РНК, или RIP, и выделение хроматина методом очистки РНК, или ChIRP, могут соответственно определять белковых партнеров некодирующей РНК или места ее геномного связывания.

. В этом эксперименте флуоресцентная гибридизация in situ для Xist РНК сочеталась с иммунофлуоресценцией против известных модификаций гистонов. Затем некодирующие РНК и гистоновые метки могут быть «колокализованы», чтобы выявить возможные функциональные отношения.

Вы только что посмотрели обзор эпигенетики от JoVE. В этом видео мы рассмотрели историю эпигенетики, некоторые важные вопросы и инструменты в этой области, а также конкретные примеры эпигенетических исследований. Как всегда, спасибо за просмотр!