Epigenetika je termín používaný v biologii k označení takových rysů, jako je chromatin a modifikace DNA, které jsou stabilní po kolech buněčného dělení, ale nezahrnují změny v základní sekvenci DNA organismu. Tyto epigenetické změny hrají roli v procesu buněčné diferenciace, což umožňuje buňkám stabilně si udržovat odlišné vlastnosti navzdory tomu, že obsahují stejný genomický materiál. Epigenetické rysy se dědí, když se buňky dělí navzdory absenci změny v samotné sekvenci DNA a přestože většina z těchto rysů je považována za dynamickou v průběhu vývoje u mnohobuněčných organismů, některé epigenetické rysy vykazují transgenerační dědičnost a dědí se z jedné generace na druhou.
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).
Slovo „epigenetics“ je spojováno s mnoha různými definicemi a velká část zmatků kolem používání slova „epigenetics“ se týká skutečnosti, že bylo původně definováno pro vysvětlení jevů bez znalosti jejich molekulárního základu a časem se stalo úzce spojeno s určitými jevy, protože byl objeven jejich molekulární základ.
Slovo „epigenetika“ (jako „epigenetická krajina“) vymyslel C. H. Waddington v roce 1942 jako souhrn slov „genetika“ a „epigeneze“. Epigenézie je starší slovo používané k popisu diferenciace buněk z totipotentního stavu v embryonálním vývoji (používá se v kontrastu k „preformacionismu“). V době, kdy Waddington poprvé použil termín „epigenetika“, nebyla známa fyzikální podstata genů a jejich role v dědičnosti. Epigenetika byla Waddingtonovým modelem toho, jak geny v multibuněčném organismu interagují se svým okolím, aby vytvořily fenotyp. Protože všechny buňky v organismu dědí stejné sekvence DNA, buněčné diferenciační procesy rozhodující pro epigenezi se spoléhají spíše na epigenetickou než na genetickou dědičnost. Robin Holliday definoval epigenetiku jako „studium mechanismů časové a prostorové kontroly genové aktivity během vývoje složitých organismů“. Slovo „epigenetická“ tak může být použito k popisu jakéhokoli jiného aspektu než sekvence DNA, která ovlivňuje vývoj organismu.
Jiné použití slova „epigenetika“ použil psycholog Erik Erikson, který vyvinul „epigenetickou teorii lidského vývoje“, která se zaměřuje na psychosociální krize.
Moderní užití slova „epigenetika“ je obvykle užší, odkazuje na dědičné znaky (přes kolečka buněčného dělení a někdy transgeneračně), které nezahrnují změny základní sekvence DNA. Řecká předpona „epi-“ ve slově „epigenetika“ implikuje znaky, které jsou „navrchu“ nebo „vedle“ genetiky, a současné užití slova to odráží – epigenetické znaky existují navrchu nebo vedle tradičního molekulárního základu 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 by „epigenetický kód“ mohl představovat celkový stav buňky, přičemž by se počítalo s pozicí každé molekuly; typicky se termín používá v souvislosti se systematickým úsilím o měření specifických, relevantních forem epigenetické informace, jako je histonový kód nebo vzorce metylace DNA.
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, jednou z nich je remodelace chromatinu, komplexu DNA a histonových proteinů, se kterými se spojuje. remodelace chromatinu je iniciována jednou ze dvou věcí:
Zatímco DNA není během replikace zcela zbavena nukleozomů, je možné, že zbývající modifikované histony mohou působit jako šablony a iniciovat identickou modifikaci okolních nových histonů po depozici. Metylace DNA má jasnější metodu šíření prostřednictvím preferenční metylace hemimethylovaných symetrických míst enzymy jako Dnmt 1.
Přestože se modifikace vyskytují v průběhu celé histonové sekvence, nestrukturované koncovky histonů (nazývané histonové koncovky) jsou zvláště vysoce modifikované. Tyto modifikace zahrnují acetylaci, metylaci a ubiquitylaci. Acetylace je z těchto modifikací nejvíce studovaná. Například acetylace K14 a K9 lysinů ocasu histonu H3 histonovými enzymy acetyltransferázy (HAT) obecně koreluje s transkripční schopností.
Jedním ze způsobů myšlení je, že tato tendence acetylace být spojena s „aktivní“ transkripcí je biofyzikální povahy. Protože lysin má za normálních okolností kladný náboj dusíku na svém konci, lysin může vázat negativně nabité fosfáty DNA páteře a zabránit jejich vzájemnému odpuzování. Akce acetylace přemění pozitivně nabitou aminovou skupinu na postranním řetězci na neutrální amidovou vazbu. Tím se odstraní kladný náboj způsobující odpuzování DNA. Když k tomu dojde, komplexy jako SWI/SNF a další transkripční faktory se mohou vázat na DNA, a tím ji otevřít a vystavit enzymům jako je RNA polymeráza, takže může dojít k transkripci genu.
Pozitivně nabité koncovky histonových proteinů z jednoho nukleozomu mohou navíc interagovat s histonovými proteiny na sousedním nukleozomu, což způsobuje jejich těsné sbalení. Lysinová acetylace může tyto interakce narušovat, což způsobuje otevření struktury chromatinu.
Lysinová acetylace může také působit jako maják pro nábor dalších aktivujících enzymů modifikujících chromatin (a také zařízení pro bazální transkripci). Bromodomain – proteinový segment (doména), který specificky váže acetyl-lysin – se skutečně 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, který napomáhá 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. Jedním z příkladů, který, jak se zdá, vyvrací biofyzikální model pro acetylaci, je, 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.
Je třeba zdůraznit, že rozdílné modifikace histonu budou pravděpodobně fungovat rozdílnými způsoby; acetylace na jedné pozici bude pravděpodobně fungovat odlišně 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 může pomoci potlačit „junk DNA“: Protože je 5-methylcytosin chemicky velmi podobný thymidinu, jsou místa CpG často mutována a stávají se v genomu vzácnými, s výjimkou CpG ostrovů, kde zůstávají nemethylovaná. Epigenetické změny tohoto typu tak mají potenciál nasměrovat zvýšené frekvence permanentní genetické mutace. Metylační vzorce DNA jsou známé tím, že jsou vytvářeny a modifikovány v reakci na faktory prostředí složitou 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 do nově syntetizovaného vlákna po replikaci DNA, a proto je často označována jako „udržovací“ methyltransferáza. DNMT1 je nezbytná pro správný embryonální vývoj, imprinting a X-inaktivaci.
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. Další epigenetické změny jsou zprostředkovány produkcí různých sestřihových forem RNA nebo vznikem 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 zapnuty nebo vypnuty signální transdukcí, i když v některých systémech, kde jsou důležité syncytické nebo mezerové spoje, se RNA může difúzí šířit přímo do jiných buněk nebo jader. Velké množství RNA a bílkovin přispívá do zygoty matkou během oogeneze nebo prostřednictvím sesterských buněk, což vede k fenotypům s mateřským účinkem. Menší množství spermie RNA je přenášeno od otce, ale v poslední době existují důkazy, že tato epigenetická informace může vést k viditelným změnám v několika generacích potomstva.
Priony jsou infekční formy bílkovin. Bílkoviny se obvykle skládají do samostatných jednotek, které plní odlišné buněčné funkce, ale některé bílkoviny jsou také schopny 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 téhož 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 dědičný 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, zejména prostřednictvím metylace DNA a remodelace chromatinu, je velmi důležitá ve vývoji mnohobuněčných eukaryotických organismů. Sekvence genomu je statická (až na několik pozoruhodných výjimek), ale buňky se diferencují v mnoha různých typech, které plní různé funkce a reagují odlišně 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 schopni někteří jiní živočichové. 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. 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 genovými delecemi, 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.
Ačkoli epigenetika u mnohobuněčných organismů je obecně považována za mechanismus podílející 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. 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. Zatímco sekvence DNA oblasti není mutovaná, tato změna je reverzibilní. Spekulovalo se také o tom, že organismy mohou využívat diferenciální míry mutací spojených s epigenetickými znaky ke kontrole míry mutací konkrétních genů.
Epigenetické změny byly pozorovány také v reakci na vystavení 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.
Ačkoli není důvod se domnívat, že takový proces je něčím jiným než produktem genetiky, a tedy ortodoxních evolučních mechanismů, pozorování transgeneračních epigenetických změn, ke kterým dochází v reakci na faktory prostředí, připomíná Lamarckianovu hypotézu o dědičnosti a evoluci z 19. století.
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, částečnou delecí chromozomu 15q, 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
Marcus Pembrey a jeho kolegové také pozorovali, že u vnuků švédských chlapců, kteří byli v 19. století vystaveni hladomoru, byla menší pravděpodobnost úmrtí na kardiovaskulární onemocnění; pokud byl dostatek potravy, pak se u vnuků zvýšila úmrtnost na cukrovku, což naznačuje, že se jednalo o transgenerační epigenetickou dědičnost.
Rakovina a vývojové abnormality
Za epigenetické karcinogeny jsou považovány různé sloučeniny, které mají za následek zvýšený výskyt nádorů, ale nevykazují mutagenní aktivitu (měly by být vyloučeny i toxické sloučeniny nebo patogeny, které způsobují zvýšenou regeneraci nádorů). Příkladem jsou diethylstilbestrol, arsenit, hexachlorbenzen a sloučeniny niklu.
Mnoho teratogenů má specifické účinky na plod epigenetickými mechanismy. Zatímco epigenetické účinky mohou zachovat účinek teratogenu, jako je diethylstilbestrol, po celý život postiženého dítěte, možnost vrozených vad v důsledku expozice otců nebo u druhé a následující generace potomků byla obecně zamítnuta z teoretických důvodů a pro nedostatek důkazů. Byla však prokázána řada abnormalit zprostředkovaných samci a je pravděpodobné, že jich bude více. Informace na obalu FDA pro přípravek Vidaza(tm), což je léková forma 5-azacitidinu (nemetabolizovatelného analogu cytidinu, který způsobuje hypomethylaci, pokud je začleněn do DNA) uvádí, že „mužům by se mělo doporučit, aby při užívání léku nezplodili dítě“, přičemž se odvolává na důkazy u léčených samců myší o snížené plodnosti, zvýšené ztrátě embryí a abnormálním vývoji embryí. U potkanů byly pozorovány endokrinní rozdíly u potomků samců vystavených působení morfinu. U myší byly popsány účinky druhé generace diethylstilbesterolu vyskytující se epigenetickými mechanismy.
Epigenetika v mikroorganismech
Bakterie široce využívají postreplikační metylaci DNA pro epigenetickou kontrolu interakcí DNA-protein. Bakterie využívají metylaci DNA adeninu (spíše než metylaci DNA cytosinu) jako epigenetický signál. Metylace DNA adeninu je důležitá při virulenci bakterií v organismech jako Escherichia coli, Salmonella, Vibrio, Yersinia, Haemophilus a Brucella. U alphaproteobakterií reguluje metylace adeninu buněčný cyklus a spojuje transkripci genu na replikaci DNA. U gammaproteobakterií poskytuje adeninová metylace signály pro replikaci DNA, segregaci chromozomů, opravu neshod, balení bakteriofágu, transposasu a regulaci genové exprese.
Kvasinkový prion PSI je generován konformační změnou translačního terminačního faktoru, který je poté zděděn dceřinými buňkami. To může poskytnout výhodu přežití za nepříznivých podmínek. To je příklad epigenetické regulace umožňující jednobuněčným organismům rychle reagovat na stres prostředí. Priony mohou být považovány za epigenetické činitele schopné vyvolat fenotypovou změnu bez modifikace genomu.