Genetik & Evolution

Epigenetik | Definition, Vererbung und Krankheit

Epigenetik , die Untersuchung der chemischen Modifikation spezifischer Gene oder genassoziierter Proteine ​​eines Organismus. Epigenetische Modifikationen können definieren, wie die Informationen in Genen von Zellen exprimiert und verwendet werden . Der Begriff Epigenetik wurde in den frühen 1940er Jahren allgemein verwendet, als der britische Embryologe Conrad Waddington ihn verwendete, um die Wechselwirkungen zwischen Genen und Genprodukten zu beschreiben , die die Entwicklung steuern und den Phänotyp eines Organismus hervorrufen (beobachtbare Merkmale). Seitdem lieferte Informationen durch Epigenetik Studien revolutioniert die Bereiche Genetik und Entwicklungsbiologie. Insbesondere haben Forscher eine Reihe möglicher chemischer Modifikationen an entdecktDesoxyribonukleinsäure ( DNA ) und zu Proteinen genanntHistone , die eng mit der DNA im Kern verbunden sind . Diese Modifikationen können bestimmen, wann oder sogar ob ein bestimmtes Gen in einer Zelle oder einem Organismus exprimiert wird .

Illustrierte DNA-Stränge.  Desoxyribonukleinsäure, Biologie.
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Arten epigenetischer Modifikationen

Der Haupttyp der epigenetischen Modifikation, der verstanden wird, ist Methylierung (Addition einer Methylgruppe ). Die Methylierung kann vorübergehend sein und sich während der Lebensdauer einer Zelle oder eines Organismus schnell ändern, oder sie kann im Wesentlichen dauerhaft sein, sobald sie früh in der Entwicklung des Embryos eingesetzt wird . Andere weitgehend permanente chemische Modifikationen spielen ebenfalls eine Rolle; diese schließen Histon - Acetylierung (Addition einer Acetylgruppe), Ubiquitinierung (die Zugabe eines Ubiquitin - Protein) und Phosphorylierung (die Zugabe einer Phosphorylgruppe). Der spezifische Ort einer bestimmten chemischen Modifikation kann ebenfalls wichtig sein. Beispielsweise unterscheiden sich bestimmte Histonmodifikationen aktivexprimierte Regionen derGenom aus Regionen, die nicht stark exprimiert werden. Diese Modifikationen können mit Chromosomenbandenmustern korrelieren , die durch Färbeverfahren erzeugt werden, die bei Karyotypanalysen üblich sind. In ähnlicher Weise können spezifische Histonmodifikationen aktiv exprimierte Gene von Genen unterscheiden, die zur Expression bereit sind, oder von Genen, die in verschiedenen Arten von Zellen unterdrückt werden.

Epigenetische Vererbung

Es ist klar, dass zumindest einige epigenetische Modifikationen vererbbar sind, in einem Phänomen, das allgemein als epigenetische Vererbung bezeichnet wird, von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben oder über die transgenerationale epigenetische Vererbung über mehrere Generationen weitergegeben werden. Der Mechanismus, durch den epigenetische Informationen vererbt werden, ist unklar. Es ist jedoch bekannt, dass diese Informationen, da sie nicht in der DNA-Sequenz erfasst sind, nicht durch denselben Mechanismus weitergegeben werden, der für typische genetische Informationen verwendet wird. Typische genetische Informationen sind in den Sequenzen von Nukleotiden kodiertdas macht die DNA aus; Diese Informationen werden daher von Generation zu Generation so genau weitergegeben, wie der DNA-Replikationsprozess genau ist. Tatsächlich werden viele epigenetische Modifikationen spontan "gelöscht" oder "zurückgesetzt", wenn sich Zellen vermehren (ob durch Meiose oder Mitose), wodurch ihre Vererbung ausgeschlossen wird.

Einfluss der Epigenetik auf die Biomedizin

Epigenetische Veränderungen beeinflussen nicht nur die Expression von Genen in Pflanzen und Tieren, sondern ermöglichen auch die Differenzierung pluripotenter Stammzellen (Zellen, die das Potenzial haben, eine von vielen verschiedenen Arten von Zellen zu werden). Mit anderen Worten, epigenetische Veränderungen ermöglichen es Zellen, die alle dieselbe DNA teilen und letztendlich aus einem befruchteten Ei stammen, sich zu spezialisieren - beispielsweise als Leberzellen , Gehirnzellen oder Hautzellen .

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Als die Mechanismen der Epigenetik besser verstanden wurden, haben Forscher erkannt, dass die Das Epigenom - chemische Modifikation auf der Ebene des Genoms - beeinflusst auch ein breites Spektrum von biomedizinische Bedingungen. Diese neue Wahrnehmung hat die Tür zu einem tieferen Verständnis normaler und abnormaler biologischer Prozesse geöffnet und die Möglichkeit neuartiger Interventionen geboten, die bestimmte verhindern oder verbessern könntenKrankheiten .

Epigenetische Beiträge zur Krankheit fallen in zwei Klassen. Eine Klasse umfasst Gene, die selbst epigenetisch reguliert werden, wie die geprägten (elternspezifischen) Gene, die mit dem Angelman-Syndrom oder dem Prader-Willi-Syndrom assoziiert sind . Die klinischen Ergebnisse bei diesen Syndromen hängen davon ab, inwieweit ein vererbtes normales oder mutiertes Gen exprimiert wird oder nicht. Die andere Klasse umfasst Gene, deren Produkte an der epigenetischen Maschinerie beteiligt sind und dadurch die Expression anderer Gene regulieren. Zum Beispiel das Gen.MeCP2 (Methyl - CpG - Bindungsprotein 2) kodiert für ein Protein , das bindet an spezifische Regionen der DNA methyliert und trägt zur silencing dieser Sequenzen. Mutationen , die das MECP2- Gen beeinträchtigen, können zum Rett-Syndrom führen .

Viele Tumoren undKrebserkrankungen beinhalten epigenetische Veränderungen, die auf zurückzuführen sindUmweltfaktoren. Diese Veränderungen umfassen eine allgemeine Abnahme der Methylierung, von der angenommen wird, dass sie zur erhöhten Expression von wachstumsfördernden Genen beiträgt, die durch genspezifische Erhöhungen der Methylierung unterbrochen wird, von denen angenommen wird, dass sie Tumorsuppressorgene zum Schweigen bringen . Epigenetische Signale, die Umweltfaktoren zugeschrieben werden, wurden auch mit einigen Merkmalen von in Verbindung gebrachtAltern durch Forscher, die die scheinbar ungleichen Alterungsraten bei genetisch identischen Zwillingen untersuchten .

Einer der vielversprechendsten Bereiche der epigenetischen Untersuchung betrifft Stammzellen . Forscher haben seit einiger Zeit verstanden, dass epigenetische Mechanismen eine Schlüsselrolle bei der Definition der „Potentialität“ von Stammzellen spielen. Wenn diese Mechanismen klarer werden, kann es möglich werden, einzugreifen und den Entwicklungszustand und sogar den Gewebetyp bestimmter Zellen effektiv zu verändern. Die Implikationen dieser Arbeit für zukünftige klinische regenerative Interventionen bei Erkrankungen, die von Trauma bis zu neurodegenerativen Erkrankungen reichen, sind tiefgreifend.