Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.8: Епігенетика

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    72252

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Ми бачили, як дія нейромедіатора може змінювати транскрипцію та трансляцію генів через зв'язування з рецепторами, пов'язаними з G-білком. Ефективність сигнального каскаду на синтезі нового білка залежить від деяких ДНК-специфічних факторів. У цій главі коротко буде розглянуто, як гени транскрибуються, а потім, як непослідовні, молекулярні зміни ДНК можуть вплинути на швидкість транскрипції.

    Центральна догма

    ДНК до РНК до білка. Центральна догма генетики. Це може виглядати просто, але для успішного процесу має відбутися багато складних кроків.

    ДНК

    Дволанцюгова ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) складається з чотирьох нуклеотидних основ: аденозин (A), тимін (T), гуанін (G) та цитозин (С). Аденозин і тимін утворюють пари основи, тоді як гуанін і цитозин утворюють пари. Пари змушують дві нитки обертатися навколо один одного і утворюють подвійну спіраль.

    РНК

    Однониткова месенджерна РНК (рибонуклеїнова кислота) створюється з послідовності ДНК шляхом комплементарного сполучення основи. Як і ДНК, існує чотири основи, але в РНК тимінова основа замінена урацилом (U). Messenger РНК (мРНК) залишає ядро і взаємодіє з рибосомами для синтезу білків в процесі, який називається трансляцією. Рибосоми з'єднують амінокислоти з конкретними трибазовими послідовностями, які називаються кодонами. Наприклад, кодонова послідовність AUG є початковим кодоном і він кодує метіонін. Рибосоми будуть рухатися вниз по мРНК, щоб знайти початковий кодон білка і почати трансляцію там, додаючи нову амінокислоту для кожного кодону, поки не буде досягнуто стоп-кодон.

    Протеїн

    Білки синтезуються шляхом зв'язування амінокислот між собою рибосомами. Існує 20 амінокислот, кожна з яких кодується однією або декількома послідовностями кодонів мРНК.

    Ілюстрація центральної догми генетики. Деталі в підписі.
    Малюнок 15.1. Центральна догма генетики. ДНК транскрибується в РНК, яка переводиться в білок. ДНК складається з нуклеотидів цитозин, гуанін, аденозин і тимін. РНК складається з нуклеотидів цитозин, гуанін, аденозин та урацил. Білок складається з амінокислот. «Центральна догма» Кейсі Хенлі має ліцензію на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0

    Генна транскрипція

    У ядрі до ДНК приєднуються білки, звані факторами транскрипції, і РНК-полімераза. ДНК розкручується, білки зв'язуються, і ланцюг мРНК синтезується за допомогою ДНК як шаблону. МРНК є додатковою послідовністю до ланцюга ДНК, що транскрибується.

    Ілюстрація РНК-полімерази транскрипції ДНК в РНК. Деталі в підписі.
    Малюнок 15.2. Подвійна спіраль ДНК розкручується, і білки, включаючи фактори транскрипції та РНК-полімеразу, зв'язуються. Нитка мРНК синтезується білками, які використовують ДНК як шаблон для нуклеотидної послідовності. «Транскрипція» Кейсі Хенлі ліцензується на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

    Упаковка ДНК

    Однак ДНК не завжди доступна для цих білків транскрипції. У кожній клітині так багато ДНК, що з метою економії місця вона сильно конденсується в ядрі. Подвійна спіраль обгорнута навколо білків, званих гістонами. Потім гістони загортаються в нуклеосомні нитки. Нуклеосоми ущільнюються в більш щільні структури, звані хроматином. Нарешті, хроматин більше конденсується і створює хромосоми.

    Ілюстрація того, як ДНК упаковується і конденсується в хромосоми в клітині. Деталі в підписі.
    Малюнок 15.3. ДНК сильно конденсується всередині клітини. ДНК обгорнута навколо гістонових білків у структурі, яка називається нуклеосомами. Нуклеосоми ущільнюються в хроматин, який додатково ущільнюється в хромосоми. «Упаковка ДНК» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

    Для того, щоб відбулася транскрипція генів, нитки ДНК повинні розкручуватися від гістонових тіл, щоб стати доступними для транскрипційної машини.

    Ілюстрація щільно намотування ДНК, щоб РНК-полімераза могла зв'язуватися. Деталі в підписі.
    Малюнок 15.4. Коли ДНК намотана щільно навколо гістонів, нитки недоступні для полімеразних білків і факторів транскрипції. Оскільки ці білки не можуть зв'язуватися, транскрипція генів не може відбуватися. Якщо гістони розкручуються, то ДНК стає доступною для білків транскрипції. РНК-полімераза може зв'язуватися, і може відбуватися транскрипція генів. «РНК-полімеразний зв'язування» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

    Епігенетика

    Молекули, такі як метильні групи, можуть бути прикріплені до ДНК або на гістони. Ці епігенетичні мітки можуть впливати на те, наскільки щільно ДНК намотана навколо гістонів. Оскільки експресія генів може бути змінена шляхом зміни того, наскільки легко розкручуються гістони та наскільки доступні нитки ДНК, епігенетичні теги здатні надавати непрямий вплив на транскрипцію генів.

    Метильні групи ускладнюють доступ полімерази до ДНК, зберігаючи ДНК, згорнуту навколо гістонів, зменшуючи транскрипцію. Коли метильні групи видаляються, звані деметилюванням (не плутати з диметилуванням, додаванням двох метильних груп), експресія генів може збільшуватися, оскільки ДНК розкочується і доступна транскрипційним механізмам.

    Ілюстрація того, як епігенетичні метильні групи можуть змінювати намотування ДНК навколо гістонів. Деталі в підписі.
    Малюнок 15.5. Метильні групи, прикріплені до ДНК, впливають на те, наскільки доступні гени транскрипційних білків. Високометильована ДНК залишається щільно раною навколо гістонів, запобігаючи зв'язуванню РНК-полімерази та транскрипції генів. Низький рівень метилювання розпушує котушки і робить ДНК доступною для РНК-полімерази, дозволяючи транскрипцію генів. «Метилювання ДНК» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

    Епігеном гнучкий

    Послідовність ДНК індивіда фіксована (за винятком мутацій, які виникають через пошкодження або помилки в реплікації клітин), але епігеном гнучкий і може змінюватися протягом усього життя. Життєвий досвід людини, особливо під час розвитку або інших критичних періодів, здатний змінити епігеном.

    Деякі переживання збільшать метилювання, іноді лише для певних генів, іноді для загального генома, тоді як інші переживання зменшать його. Наприклад, стрес раннього життя може збільшити кількість метилювання, виявленого на гені, який кодує для рецептора, який активується гормонами стресу. Підвищене метилювання призводить до зниження транскрипції, яка має вплив на негативний зворотний цикл на реакцію стресу. Вчені починають усвідомлювати, наскільки важливий епігеном у регулюванні нашого мозку та поведінки.

    Успадкований епігеном

    Крім того, епігенетичні модифікації є спадковими. Останні дослідження починають показувати, що досвід матерів, батьків і навіть бабусь і дідусів може мати трансгенераційні наслідки. І ці ефекти, які колись вважалися лише успадкованими від материнської сторони, тепер показали, що вони також успадковуються батьківсько. Це означає, що тварина, яка мала стрес на ранньому етапі життя, може мати підвищене метилювання та зміни транскрипції генів, які потім передаються поколіннями, навіть якщо потомство не відчуває однакових стресорів.

    Ілюстрація діаграми генеалогічного дерева, що показує успадковані епігенетичні фактори.
    Малюнок 15.6. Епігенетичні фактори можуть передаватися у спадок. Стрес, який відчуває бабуся і дідусь, може збільшити метилювання ДНК, і цей ефект можна виявити у потомства першого та другого покоління. «Ефекти метилювання трансгенерацій» Кейсі Хенлі ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства Некомерційна Поширення На Тих Самих Умовах (CC BY-NC-SA) 4.0 Міжнародна.

    Ключові виноси

    • ДНК сильно конденсується в ядрі
    • ДНК повинна розкручуватися, щоб відбулася транскрипція
    • Епігенетичні модифікації можуть змінити, наскільки легко ДНК може розкручуватися
    • Епігенетичні модифікації можуть передаватися у спадок

    Відео-версія уроку

    Мініатюра вбудованого елемента «Глава 15 - Епігенетика»

    Елемент YouTube був виключений з цієї версії тексту. Ви можете переглянути його онлайн тут: https://openbooks.lib.msu.edu/neuroscience/?p=609