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!
С первых дней генетических исследований ученые отмечали определенные наследственные фенотипические различия, которые не связаны с различиями в нуклеот…
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!
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!
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.
Chapters in this video
0:00
Overview
0:57
Historical Highlights
4:37
Key Questions
6:33
Prominent Methods
8:04
Applications
9:55
Summary
Videos from this collection: