V biologii, a konkrétně v genetice, je epigenetika studium dědičných změn genové exprese nebo buněčného fenotypu způsobených jinými mechanismy než změnami základní sekvence DNA – odtud název epi- (řecky: επί- nad, nad, vnější) -genetika. Označuje funkčně relevantní modifikace genomu, které nezahrnují změnu nukleotidové sekvence. Příkladem takových změn je metylace DNA a modifikace histonu, které obě slouží k regulaci genové exprese bez změny základní sekvence DNA. Závěrečné důkazy podporující epigenetiku ukazují, že tyto mechanismy mohou umožnit předávání účinků zkušeností rodičů dalším generacím.
Tyto změny mohou zůstat prostřednictvím buněčného dělení po zbytek života buňky a mohou také trvat po několik generací. Nedochází však ke změně základní sekvence DNA organismu; místo toho negenetické faktory způsobují, že geny organismu se chovají (nebo se „vyjadřují“) odlišně.
V roce 2011 bylo prokázáno, že metylace mRNA má rozhodující roli v lidské energetické homeostáze. Je prokázáno, že FTO gen spojený s obezitou je schopen demetylovat N6-methyladenosin v RNA. Tím se otevřelo příbuzné pole RNA epigenetiky.
Epigenetika (jako „epigenetická krajina“) byla vytvořena C. H. Waddingtonem v roce 1942 jako slovní spojení genetika a epigeneze. Epigenézie je staré slovo, které bylo v poslední době používáno (viz preformacionismus pro historické pozadí) k popisu diferenciace buněk od jejich počátečního totipotentního stavu v embryonálním vývoji. Když Waddington vytvořil termín fyzikální podstata genů a jejich role v dědičnosti nebyla známa; použil ho jako konceptuální model toho, jak by geny mohly interagovat se svým okolím a vytvořit fenotyp.
Robin Holliday definoval epigenetiku jako „studium mechanismů časové a prostorové kontroly genové aktivity během vývoje složitých organismů“. Epiegenetickou lze tedy použít k popisu čehokoliv jiného než sekvence DNA, která ovlivňuje vývoj organismu.
Moderní použití tohoto slova ve vědeckém diskurzu je užší, odkazuje na dědičné znaky (během kol buněčného dělení a někdy transgeneračně), které nezahrnují změny základní sekvence DNA. Řecká předpona epi- v epigenetice implikuje znaky, které jsou „navrchu“ nebo „vedle“ genetiky; epigenetické znaky tedy existují navrchu nebo vedle tradiční molekulární základny pro dědičnost.
Podobnost slova s „genetikou“ vytvořila mnoho paralelních užití. „Epiogen“ je paralelou se slovem „genom“ a odkazuje na celkový epigenetický stav buňky. Byl také upraven výraz „genetický kód“ – „epigenetický kód“ byl použit k popisu souboru epigenetických znaků, které vytvářejí různé fenotypy v různých buňkách. Doveden do extrému, mohl by „epigenetický kód“ představovat celkový stav buňky, s pozicí každé molekuly zachycenou v epigenomické mapě, diagramatickým znázorněním genové exprese, metylace DNA a statusu modifikace histonu konkrétní genomické oblasti. Obvykle se termín používá v souvislosti se systematickým úsilím o měření specifických, relevantních forem epigenetické informace, jako je histonový kód nebo vzory metylace DNA.
Psycholog Erik Erikson použil termín epigenetický ve své knize Identita: Mládí a krize (1968). Erikson píše, že epigenetický princip je tam, kde „vše, co roste, má půdorys, a že z tohoto půdorysu vznikají části, z nichž každá má svůj čas zvláštního vzepětí, dokud všechny části nevzniknou a nevytvoří fungující celek“. Toto užití je však především historicky zajímavé.
Molekulární základ epigenetiky
Epigenetické změny mohou modifikovat aktivaci určitých genů, ale ne sekvenci DNA. Navíc chromatinové proteiny spojené s DNA mohou být aktivovány nebo umlčeny. To je důvod, proč diferencované buňky ve vícebuněčném organismu vyjadřují pouze geny, které jsou nezbytné pro jejich vlastní aktivitu. Epigenetické změny jsou zachovány, když se buňky dělí. Většina epigenetických změn se vyskytuje pouze v průběhu života jednoho jednotlivého organismu, ale pokud byla mutace v DNA způsobena ve spermii nebo vaječné buňce, která vede k oplodnění, pak se některé epigenetické změny dědí z jedné generace na druhou. To vyvolává otázku, zda epigenetické změny v organismu mohou nebo nemohou změnit základní strukturu jeho DNA (viz Evoluce, níže), což je forma lamarckismu.
Specifické epigenetické procesy zahrnují paramutaci, bookmarking, imprinting, genové umlčení, inaktivaci X chromozomu, poziční efekt, reprogramování, transvekci, mateřské účinky, průběh karcinogeneze, mnoho účinků teratogenů, regulaci histonových modifikací a heterochromatinu a technická omezení ovlivňující partenogenezi a klonování.
Epigenetický výzkum využívá širokou škálu molekulárně biologických technik k dalšímu pochopení epigenetických jevů, včetně chromatinové imunoprecipitace (spolu s jejími velkoplošnými variantami ChIP-on-chip a ChIP-Seq), fluorescenční in situ hybridizace, restrikčních enzymů citlivých na metylaci, identifikace DNA adenin-methyltransferázy (DamID) a sekvenování bisulfitů. Kromě toho hraje stále větší roli využití bioinformatických metod (výpočetní epigenetika).
V tom, co se stalo známým jako buněčná paměť, může hrát roli několik typů systémů epigenetické dědičnosti:
Metylace DNA a remodelace chromatinu
DNA se spojuje s histonovými proteiny za vzniku chromatinu.
Protože fenotyp buňky nebo jedince je ovlivněn tím, které z jejích genů jsou přepsány, mohou dědičné transkripční stavy vyvolat epigenetické účinky. Existuje několik vrstev regulace genové exprese. Jedním ze způsobů, jak jsou geny regulovány, je remodelace chromatinu. Chromatin je komplex DNA a histonových proteinů, se kterými se spojuje. Histonové proteiny jsou malé kuličky, které DNA obaluje. Pokud se změní způsob, jakým je DNA obalena kolem histonů, může se změnit i genová exprese. remodelace chromatinu se provádí dvěma hlavními mechanismy:
Způsob, jakým buňky zůstávají diferencované v případě metylace DNA, je pro nás jasnější než v případě tvaru histonu. V podstatě určité enzymy (například DNMT1) mají vyšší afinitu k metylovanému cytosinu. Pokud tento enzym dosáhne „hemimethylované“ části DNA (kde je metylcytosin pouze v jednom ze dvou řetězců DNA), enzym metyluje druhou polovinu.
Přestože se modifikace histonu vyskytují v celé sekvenci, nestrukturované N-koncovky histonů (nazývané histonové koncovky) jsou zvláště vysoce modifikované. Tyto modifikace zahrnují acetylaci, metylaci, ubiquitylaci, fosforylaci a sumoylaci. Acetylace je z těchto modifikací nejvíce studovaná. Například acetylace K14 a K9 lysinů koncovky histonu H3 enzymy histonacetyltransferázy (HAT) obecně koreluje s transkripční schopností.
Jedním ze způsobů myšlení je, že tato tendence acetylace být spojena s „aktivní“ transkripcí je biofyzikální povahy. Protože má normálně na svém konci pozitivně nabitý dusík, lysin může vázat negativně nabité fosfáty DNA páteře. Akce acetylace přemění pozitivně nabitou aminovou skupinu na postranním řetězci na neutrální amidovou vazbu. Tím se odstraní pozitivní náboj, čímž se uvolní DNA z histonu. Když k tomu dojde, komplexy jako SWI/SNF a další transkripční faktory se mohou vázat na DNA a umožnit transkripci. Toto je „cis“ model epigenetické funkce. Jinými slovy, změny histonových ohonů mají přímý vliv na samotnou DNA.
Dalším modelem epigenetické funkce je „trans“ model. V tomto modelu změny histonových ohonů působí nepřímo na DNA. Například lysinová acetylace může vytvořit vazebné místo pro enzymy modifikující chromatin (a také zařízení pro bazální transkripci). Tento Chromatin Remodeler pak může způsobit změny stavu chromatinu. Bromodomain – proteinový segment (doména), který specificky váže acetyl-lysin – se totiž nachází v mnoha enzymech, které pomáhají aktivovat transkripci, včetně komplexu SWI/SNF (na proteinovém polybromu). Může se stát, že acetylace působí tímto a předchozím způsobem a pomáhá transkripční aktivaci.
Myšlenka, že modifikace fungují jako spojovací moduly pro příbuzné faktory, je potvrzena také histonovou metylací. Metylace lysinu 9 histonu H3 je již dlouho spojována s konstitutivně transkripčně tichým chromatinem (konstitutivním heterochromatinem). Bylo zjištěno, že chromodomain (doména, která specificky váže methyl-lysin) v transkripčně represivním proteinu HP1 rekrutuje HP1 do metylovaných oblastí K9. Příkladem, který zřejmě tento biofyzikální model pro acetylaci vyvrací, je to, že tri-metylace histonu H3 na lysinu 4 je silně spojena (a vyžadována pro úplnou) transkripční aktivaci. Tri-metylace by v tomto případě zavedla pevný pozitivní náboj na ocase.
Bylo prokázáno, že za tuto methylační aktivitu ve struktuře histonů H3 a H4 je zodpovědná histonlysin-methyltransferáza (KMT). Tento enzym využívá katalyticky aktivní místo nazývané SET doména (Suppressor variegace, Enhancer zeste, Trithorax). SET doména je 130 aminokyselinová sekvence, která se podílí na modulaci genových aktivit. Bylo prokázáno, že tato doména se váže na histonový ocas a způsobuje metylaci histonu.
Různé modifikace histonu budou pravděpodobně fungovat různými způsoby; acetylace na jedné pozici bude pravděpodobně fungovat jinak než acetylace na jiné pozici. Také se může vyskytnout více modifikací současně a tyto modifikace mohou spolupracovat na změně chování nukleozomu. Myšlenka, že vícenásobné dynamické modifikace regulují transkripci genu systematickým a reprodukovatelným způsobem, se nazývá kód histonu.
Metylace DNA se často vyskytuje v opakovaných sekvencích a pomáhá potlačit expresi a mobilitu „transposabilních prvků“: Protože 5-methylcytosin může být spontánně deaminován (nahrazení dusíku kyslíkem) na thymidin, jsou místa CpG často mutována a stávají se v genomu vzácnými, s výjimkou CpG ostrovů, kde zůstávají nemethylovány. Epigenetické změny tohoto typu tak mají potenciál nasměrovat zvýšenou frekvenci permanentní genetické mutace. Metylační vzorce DNA jsou známé tím, že jsou vytvářeny a modifikovány v reakci na environmentální faktory komplexní souhrou nejméně tří nezávislých DNA methyltransferáz, DNMT1, DNMT3A a DNMT3B, přičemž ztráta kterékoli z nich je u myší smrtelná. DNMT1 je nejrozšířenější methyltransferáza v somatických buňkách, lokalizuje se do replikačních ohnisek, má 10-40násobnou preferenci hemimethylované DNA a interaguje s proliferujícím buněčným nukleárním antigenem (PCNA).
Preferenčně modifikující hemimethylovanou DNA přenáší DNMT1 vzorce metylace na nově syntetizovaný řetězec po replikaci DNA, a proto je často označován jako „udržovací“ methyltransferáza. DNMT1 je nezbytný pro správný embryonální vývoj, imprinting a X-inaktivaci.
S histony H3 a H4 lze také manipulovat demethylací pomocí histonlysindemethylázy (KDM). Tento nedávno identifikovaný enzym má katalyticky aktivní místo nazývané Jumonji doména (JmjC). Demethylace nastává, když JmjC využívá více kofaktorů k hydroxylaci methylové skupiny, čímž ji odstraňuje. JmjC je schopen demethylace mono-, di-, a tri-metylovaných substrátů.
Chromozomální oblasti mohou přejímat stabilní a dědičné alternativní stavy vedoucí k bistabilní genové expresi beze změn sekvence DNA. Epigenetická kontrola je často spojována s alternativními kovalentními modifikacemi histonů. Stabilita a dědičnost stavů větších chromozomálních oblastí je často považována za pozitivní zpětnou vazbu, kdy modifikované nukleozomy získávají enzymy, které podobně modifikují blízké nukleozomy. Zjednodušený stochastický model pro tento typ epigenetiky se nachází zde.
Vzhledem k tomu, že methylace DNA a remodelace chromatinu hrají v mnoha typech epigenní dědičnosti tak ústřední roli, je slovo „epigenetika“ někdy používáno jako synonymum pro tyto procesy. To však může být zavádějící. remodelace chromatinu není vždy dědičná a ne všechna epigenetická dědičnost zahrnuje remodelaci chromatinu.
Bylo naznačeno, že histonový kód by mohl být zprostředkován účinkem malých RNA. Nedávný objev a charakterizace obrovského pole malých (21- až 26-nt) nekódujících RNA naznačuje, že existuje RNA složka, která se možná podílí na regulaci epigenetického genu. Malé interferující RNA mohou modulovat transkripční genovou expresi prostřednictvím epigenetické modulace cílených promotorů.
RNA transkripty a jejich kódované proteiny
Někdy gen po zapnutí přepíše produkt, který (přímo nebo nepřímo) udržuje aktivitu tohoto genu. Například Hnf4 a MyoD zvyšují transkripci mnoha genů specifických pro játra a svaly, respektive jejich vlastních, prostřednictvím aktivity transkripčního faktoru bílkovin, které kódují. Signalizace RNA zahrnuje diferenciální nábor hierarchie komplexů modifikujících generický chromatin a DNA methyltransferáz do specifických lokusů pomocí RNA během diferenciace a vývoje. Další epigenetické změny jsou zprostředkovány produkcí různých sestřihových forem RNA nebo tvorbou dvouvláknové RNA (RNAi). Potomci buňky, ve které byl gen zapnut, tuto aktivitu zdědí, i když původní podnět k aktivaci genu již není přítomen. Tyto geny jsou nejčastěji zapínány nebo vypínány signální transdukcí, i když v některých systémech, kde jsou důležité syncytické nebo mezerové spoje, se RNA může difúzí šířit přímo do dalších buněk nebo jader. Velké množství RNA a bílkovin je do zygoty přispíváno matkou během oogeneze nebo prostřednictvím sesterských buněk, což vede k fenotypům účinku matky. Menší množství spermie RNA je přenášeno z otce, ale v poslední době existují důkazy, že tato epigenetická informace může vést k viditelným změnám v několika generacích potomstva.
Priony jsou infekční formy proteinů. Obecně se proteiny skládají do samostatných jednotek, které plní odlišné buněčné funkce, ale některé proteiny jsou také schopné vytvořit infekční konformační stav známý jako prion. Ačkoli se na priony často pohlíží v souvislosti s infekčním onemocněním, jsou volněji definovány svou schopností katalyticky převést jiné verze stejného proteinu v nativním stavu do infekčního konformačního stavu. Právě v tomto druhém smyslu mohou být považovány za epigenetické činitele schopné vyvolat fenotypovou změnu bez modifikace genomu.
Mykotické priony jsou považovány za epigenetické, protože infekční fenotyp způsobený prionem může být zděděn bez modifikace genomu. PSI+ a URE3, objevené v kvasinkách v letech 1965 a 1971, jsou dva nejlépe studované priony tohoto typu. Priony mohou mít fenotypový efekt díky sekvestraci proteinu v agregátech, čímž se snižuje aktivita tohoto proteinu. V PSI+ buňkách ztráta proteinu Sup35 (který se podílí na ukončení translace) způsobuje, že ribozomy mají vyšší rychlost čtení stop kodonů, což je efekt, který má za následek potlačení nesmyslných mutací v jiných genech. Schopnost Sup35 tvořit priony může být uchovávaným rysem. To by mohlo poskytnout adaptivní výhodu tím, že by buňky mohly přejít do stavu PSI+ a exprimovat spící genetické rysy obvykle ukončené předčasnými stop kodonovými mutacemi.
Strukturální dědičné systémy
U ciliátů, jako je Tetrahymena a Paramecium, vykazují geneticky identické buňky dědičné rozdíly ve vzorcích řasnatých řádků na jejich buněčném povrchu. Experimentálně změněné vzorce mohou být přeneseny na dceřiné buňky. Zdá se, že existující struktury fungují jako šablony pro nové struktury. Mechanismy takové dědičnosti jsou nejasné, ale existují důvody předpokládat, že multicelulární organismy také využívají existující buněčné struktury k sestavení nových.
Funkce a důsledky
Somatická epigenetická dědičnost prostřednictvím epigenetických modifikací, zejména prostřednictvím metylace DNA a přestavby chromatinu, je velmi důležitá při vývoji vícebuněčných eukaryotických organismů. Sekvence genomu je statická (až na několik pozoruhodných výjimek), ale buňky se diferencují do mnoha různých typů, které plní různé funkce a reagují různě na prostředí a mezibuněčnou signalizaci. Tak, jak se jedinci vyvíjejí, morfogeny aktivují nebo umlčují geny epigeneticky dědičným způsobem, což dává buňkám „paměť“. U savců se většina buněk terminálně diferencuje, pouze kmenové buňky si zachovávají schopnost diferencovat se do několika typů buněk („totipotence“ a „multipotence“). U savců některé kmenové buňky produkují nové diferencované buňky po celý život, ale savci nejsou schopni reagovat na ztrátu některých tkání, například na neschopnost regenerovat končetiny, čehož jsou někteří jiní živočichové schopni. Na rozdíl od živočichů se rostlinné buňky nerozlišují v konečném důsledku, zůstávají totipotentní se schopností dát vzniknout nové individuální rostlině. Zatímco rostliny využívají mnoho stejných epigenetických mechanismů jako živočichové, jako je remodelace chromatinu, existuje hypotéza, že rostlinné buňky nemají „vzpomínky“, resetují své vzorce genové exprese při každém buněčném dělení pomocí pozičních informací z prostředí a okolních buněk, aby určily jejich osud.
Epigenetika má mnoho a rozmanitých potenciálních lékařských aplikací, protože má tendenci být multidimenzionální povahy. Vrozené genetické onemocnění je dobře známo a je také jasné, že epigenetika může hrát roli například v případě Angelmanova syndromu a Prader-Williho syndromu. Jedná se o normální genetická onemocnění způsobená genovou delecí nebo inaktivací genů, ale jsou neobvykle častá, protože jedinci jsou v podstatě hemizygotní kvůli genomickému imprintingu, a proto k vyvolání onemocnění stačí jediný genový knockout, kdy by ve většině případů bylo nutné vyřadit obě kopie.
Epigenetické mechanismy byly nezbytnou součástí evolučního původu buněčné diferenciace. Ačkoli se obecně má za to, že epigenetika u mnohobuněčných organismů je mechanismem podílejícím se na diferenciaci, kdy se epigenetické vzory „resetují“, když se organismy rozmnožují, byla pozorována transgenerační epigenetická dědičnost (např. fenomén paramutace pozorovaný u kukuřice). Ačkoli většina těchto multigeneračních epigenetických rysů se postupně ztrácí v průběhu několika generací, zůstává možnost, že multigenerační epigenetika by mohla být dalším aspektem evoluce a adaptace. Sekvestrovaná zárodečná linie nebo Weismannova bariéra je specifická pro zvířata a očekává se, že epigenetická dědičnost bude mnohem běžnější u rostlin a mikrobů. Tyto účinky mohou vyžadovat vylepšení standardního konceptuálního rámce moderní evoluční syntézy.
Epigenetické znaky mohou hrát roli v krátkodobé adaptaci druhů tím, že umožňují reverzibilní variabilitu fenotypů. Modifikace epigenetických znaků spojených s oblastí DNA umožňuje organismům v multigeneračním časovém měřítku přepínat mezi fenotypy, které exprimují a potlačují daný gen. Pokud sekvence DNA oblasti není mutovaná, je tato změna reverzibilní. Spekulovalo se také o tom, že organismy mohou využívat diferenciální míry mutací spojených s epigenetickými znaky ke kontrole míry mutací konkrétních genů. Zajímavé je, že nedávné analýzy naznačily, že členové rodiny cytosinových deamináz APOBEC/AID jsou schopni současně zprostředkovat genetickou a epigenetickou dědičnost pomocí podobných molekulárních mechanismů.
Evoluční epigenetika může být rozdělena na předem určenou a pravděpodobnostní epigenezi. Předurčená epigeneze je jednosměrný pohyb od strukturálního vývoje v DNA k funkčnímu dozrávání proteinu. „Předurčená“ zde znamená, že vývoj je skriptovaný a předvídatelný. Pravděpodobnostní epigeneze je naopak obousměrný vývoj struktury a funkce se zkušenostmi a vývojem vnějšího formování.
Epigenetické změny byly pozorovány také v reakci na expozici prostředí – například myši, kterým jsou podávány některé doplňky stravy, mají epigenetické změny ovlivňující expresi genu agouti, který ovlivňuje jejich barvu srsti, hmotnost a sklon k rozvoji rakoviny.
Více než 100 případů transgenerační epigenetické dědičnosti bylo hlášeno u širokého spektra organismů, včetně prokaryot, rostlin a živočichů.
Epigenetické účinky u lidí
Genomický imprinting a příbuzné poruchy
Některé lidské poruchy jsou spojeny s genomickým imprintingem, což je jev u savců, kdy otec a matka přispívají různými epigenetickými vzory pro specifické genomické lokusy ve svých zárodečných buňkách. Nejznámějším případem imprintingu u lidských poruch je případ Angelmanova syndromu a Prader-Williho syndromu – oba mohou být vyvolány stejnou genetickou mutací, chromozomem 15q částečnou delecí, a konkrétní syndrom, který se vyvine, závisí na tom, zda je mutace zděděna od matky dítěte nebo od jeho otce. Je to způsobeno přítomností genomického imprintingu v oblasti. Beckwith-Wiedemannův syndrom je také spojen s genomickým imprintingem, často způsobeným abnormalitami v mateřském genomickém imprintingu oblasti na chromozomu 11.
Transgenerační epigenetická pozorování
Viz hlavní článek Transgenerační epigenetika
Ve studii Överkalix Marcus Pembrey a jeho kolegové pozorovali, že u vnuků švédských mužů z otcovy strany (nikoli však z matčiny strany), kteří byli v 19. století vystaveni hladomoru, byla menší pravděpodobnost, že zemřou na kardiovaskulární onemocnění. Pokud byl dostatek potravy, pak se u vnuků zvýšila úmrtnost na cukrovku, což naznačuje, že se jednalo o transgenerační epigenetickou dědičnost. Opačný efekt byl pozorován u žen – vnučky žen z otcovy strany (nikoli však z matčiny strany), které zažily hladomor v děloze (a tedy v době, kdy se jim tvořila vajíčka), žily v průměru kratší život.
Nedávné studie zahrnující jak dizygotická, tak monozygotická dvojčata přinesly některé důkazy epigenetického vlivu u lidí.
Slovo používá W. Harvey, Exercitationes 1651, str. 148 a v Anglickém anatomickém cvičení 1653, str. 272. Vysvětluje se, že se jedná o „partium super-exorientium additamentum“, „additament částí pučících jednu z druhé“.
teorie epigeneze: teorie, podle níž zárodek vzniká (postupnými akracemi), a nikoli pouze vzniká v procesu rozmnožování. […] Opačná teorie byla dříve známá jako „teorie evoluce“; aby se předešlo nejednoznačnosti tohoto názvu, hovoří se o ní nyní hlavně jako o „teorii preformace“, někdy jako o „obalu“ nebo „ztělesnění“.