Eine Übersicht der Epigenetik

Genetics

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Summary

Seit den frühen Tagen der Genetikforschung haben Wissenschaftler bestimmte vererbbare phänotypischen Unterschiede festgestellt, die nicht aufgrund von Unterschieden in der Nukleotidsequenz der DNA sind. Aktuelle Hinweise darauf, dass diese "epigenetische" Phänomene durch eine Reihe von Mechanismen gesteuert werden könnten, einschließlich der Änderung der DNA Cytosin mit Methylgruppen, die Zugabe von verschiedenen chemischen Gruppen an Histonproteine Basen und die Rekrutierung von Protein auf bestimmte DNA-Websites über Interaktionen mit nicht-Protein-kodierende RNAs Faktoren.

In diesem Video präsentiert JoVE die Geschichte der Entdeckungen in Epigenetik, z. B. X-Chromosom Inaktivierung (XCI), das Phänomen wo eine gesamte X-Chromosom in den Zellen der weiblichen Säugetiere zum Schweigen gebracht wird. Wichtige Fragen und Methoden im Bereich sind überprüft, darunter Techniken, um DNA-Sequenzen verbunden mit verschiedenen epigenetischen Modifikationen zu identifizieren. Schließlich diskutieren wir, wie Forscher derzeit diese Techniken einsetzen, um besser zu verstehen, der epigenetischen Regulation der Genfunktion.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Genetik. Eine Übersicht der Epigenetik. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Bereich der Epigenetik, deren Definition sehr umstritten ist, bezieht sich weitgehend auf das Studium der erblichen Unterschiede in Genfunktion, die durch DNA-Sequenz Veränderungen erklärt werden kann. Der Begriff "Epigenetik" von Conrad Waddington in den 1950er Jahren zum ersten Mal wurde konnte um zu erklären, wie vielfältig Zelle Arten im Körper aus einem Satz von genetischem Material entstehen. Forscher haben viele Prozesse gedacht, um eine epigenetische Grundlage haben, aber es gibt nach wie vor erhebliche Debatte über viele Grundprinzipien des Feldes.

In diesem Video werden wir wichtige Entdeckungen in der Epigenetik, wichtige Fragen diskutiert durch Epigenetiker, gemeinsamer Instrumente verwendet, um diese Fragen, und zu guter Letzt einige aktuelle Forschung auf dem Gebiet eingehen.

Zuerst schauen wir uns einige wichtige Momente in der Geschichte der Epigenetik.

Hermann J. Muller beobachtet in den 1930er Jahren ein Phänomen bekannt als Position-Effekt Panaschierung in Drosophila. Er mutierte fliegen mit gesprenkelten Augen gefunden und mit diesem Phänotyp die Variable Ausbreitung der kondensierten "Heterochromatin", die das Gen für die Augenfarbe zum Schweigen gebracht. Dies wäre das erste identifizierte "epigenetische" Phänomen, wo eine phänotypische Änderung ohne eine entsprechende Änderung der genetischen Sequenz beobachtet wurde.

Im Jahr 1959 beobachtet Susumu Ohno in weibliche Leber Rattenzellen, dass eines der beiden Chromosome verdichtet wurde. Zwei Jahre später, die Mary Lyon Hypothese, die dieser verkürzten X-Chromosom ist genetisch inaktiviert, dass die Wahl der x-Chromosom inaktiviert werden zufällig ist und, dass diese Inaktivierung stabil ist durch die Zelle nachkommen. Dieser Vorgang, genannt jetzt X-Chromosom Inaktivierung oder XCI, bewirkt, dass Weibchen zu biologischen Mosaiken.

1964 veröffentlichte Alfred Mirsky das früheste Werk über die Rolle der Histon-Modifikationen in der Genregulation. Histone bilden den Kern der Nukleosomen, sind die sich wiederholenden Grundeinheit des Chromatins in eukaryotischen Zellen. Mirsky studierte wie Methylierung und Acetylierung der Histone RNS-Synthese betroffen, und es ist nun bekannt, dass zahlreiche Modifikationen "Aktivitätsstatus" des nahe gelegenen chromosomalen Regionen verändern.

Im Jahr 1975 vorgeschlagen Robin Holliday und sein Schüler John Pugh und unabhängig Arthur Riggs, die Methylierung von CpG Dinucleotid in DNA stabil epigenetische zum Schweigen zu bringen, zum Beispiel während XCI beteiligt sein könnten. Adrian Bird und Kollegen lieh weiter glauben an diese Idee im Jahre 1985 durch die Identifizierung von Clustern unmethylated CpG-Seiten während des Genoms, die später verbunden mit transcriptionally aktiv Förderer. Er würde später entdecken auch regulatorische Proteine, die binden methylierte DNA, Transkription schließlich zu unterdrücken.

Im Jahr 1984, Davor Solter und Azim Surani beobachtet, dass Maus Embryonen enthalten nur mütterliche oder väterliche Erbgut – erstellt über nukleare Transplantation Experimente – nicht normal entwickeln. Dies war die Entdeckung der genomischen Prägung oder übergeordneten Herkunftsbezeichnung spezifische Genexpression.

Die ersten geprägten Gene wurden 1991 entdeckt wo nur die Kopie des Vaters oder der Mutter geerbt immer zum Ausdruck kommt. Eines dieser Gene H19, entpuppt sich als eher ungewöhnlich – seine Endprodukt ist ein 2,3 Kilobase RNA, die nicht in Proteine übersetzt wird.

Mehrere dieser "lange forensisches RNAs" oder LncRNAs wurden bald entdeckt, einschließlich Xist, was für das X-Chromosom während XCI Herunterfahren erforderlich ist. Aktuelle Hinweise darauf, dass diese RNAs, wie Gerüste funktionieren, regulatorische Faktoren zu rekrutieren. Auch heute noch Forscher zu erarbeiten, wie die Interaktionen zwischen LncRNAs, DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen epigenetische Prozesse regulieren.

Nun wenden wir uns auf einige Fragen von Epigenetiker.

Auf der untersten Ebene Wissenschaftler studieren noch aktiv die Mechanismen durch die epigenetische Markierungen, wie Histon Änderungen und DNA-Methylierung, erstellt, entfernt und interpretiert werden. Forscher weiterhin die Enzyme, die auch diese Funktionen durchführen, wie die Marken mit der Transkriptionsmaschinerie interagieren zu aktivieren oder zu unterdrücken Genexpression, zu charakterisieren.

Eine tiefere Frage ist ob es gibt einen "epigenetischen Code", analog zu den klar definierten "genetischen Code", die bestimmt, wie Informationen in der DNA in Proteinsequenz übersetzt wird. Forscher versuchen, festzustellen, ob die Kombination von epigenetischen Markierungen bilden einen ebenso prädiktiven Code, der eines Tages die Expressionsmuster von jedem gen ableiten lässt.

Vor kurzem haben Wissenschaftler schon interessiert die biologische Rolle von LncRNAs. Während eine vorherrschende Modell ist, dass LncRNAs helfen epigenetische Faktoren an bestimmte genomic Orte, ihre genauen Mechanismen zu rekrutieren und ob alle LncRNAs in ähnlicher Weise funktionieren, werden noch untersucht.

Schließlich, weil epigenetische Markierungen chemische "Add-ons", die nicht einfach zusammen mit DNA repliziert werden sind, sind Wissenschaftler versuchen noch zu lernen, wie die Markierungen durch zelluläre Generationen weiter. Noch umstrittener ist die potentielle Trans-Generationen Vererbung bestimmter epigenetischer Prozesse. Weil es beobachtet, dass die epigenetische Markierungen sind dramatisch gelöscht oder "umprogrammiert" in frühen Embryogenese und wieder während der Bildung der Gameten, wie und ob diese Trans-Generationen tatsächlich bleibt heiß Phänomene diskutiert.

Jetzt betrachten wir einige Hilfsmittel in der Studie der Epigenetik.

DNA-Methylierung wird am häufigsten von Bisulfit-Analyse eines Prozesses ändern Rückstände unmethylated Cytosin zu Uracil, die dann als Thymin Sequenzierung Reaktionen erkannt werden erkannt. Vergleich von Sequenzen vor und nach der Bisulfit Behandlung ermöglicht es Forschern, die Standorte der methylierte DNA zu identifizieren. Eine weitere Methode zur DNA-Methylierung Status Test ist zu verdauen DNA mit Restriktionsenzymen Methylierung-Sensitive, die nur unmethylated DNA schneiden können.

Immunopräzipitation oder Pulldown-Techniken werden verwendet, um DNA oder RNA-Sequenzen verbunden mit besonderen Merkmalen zu identifizieren. Chromatin Immunopräzipitation oder ChIP, isoliert DNA gebunden durch bestimmtes Protein Faktoren oder Histon-Modifikationen, deren Sequenzinformationen dann durch PCR und Sequenzierung analysiert werden kann.

Auf der anderen Seite methylierte DNA Immunopräzipitation oder MeDIP, dient zur Isolierung und methylierte DNA zu bereichern. RNA-Immunopräzipitation oder RIP und Chromatin Isolierung von RNA-Reinigung oder zwitschern, bestimmen bzw. die Protein-Partner von einer nicht-kodierender RNA oder genomische Bindung Standorten.

Basis-Techniken. In diesem Experiment wurde die Fluoreszenz in Situ Hybridisierung für Xist-RNA mit Immunfluoreszenz gegen bekannte Histon-Modifikationen kombiniert. Dann könnte die LncRNA und Histon-Marken "Co lokalisierte" Reveal möglich Funktionszusammenhänge sein.

Sie habe nur Jupiters Überblick über Epigenetik beobachtet. In diesem Video schauten wir uns die Geschichte von dem Gebiet der Epigenetik, einige der prominenten Fragen und Werkzeuge des Feldes und konkrete Beispiele für epigenetische Forschung. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

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