Эпигенетика - наука будущего

Эпигенетика – наука будущего

Эпигенетика – раздел генетики, который изучает наследуемые изменения активности генов во время развития организма или деления клеток.

Эпигенетические изменения не сопровождаются перестановкой последовательности нуклеотидов в ДНК.

• 1879-1882 гг. Вальтер Флемминг – открытие хромосомы.
• 1911 г. Томас Морган – продемонстрировал генетическое сцепление нескольких генов Drosophila с Х-хромосомой.
• 1939-1942 гг. Конрад Хэл Уоддингтонт – впервые предложил термин «эпигенетика»; 1957 г. теория «эпигинетического ландшафта».

Термин «эпигенетика» ввёл в науку английский биолог

К. Уоддингтон в

1939 – 1942 гг .

Уоддингтон, Конрад Хэл

Шарик вверху обозначает первоначальные неспециализированные клетки зародыша.

Под воздействием генетических и эпигенетических сигналов клетке будет задана траектория онтогенеза (развития), и она станет специализированной — клеткой сердца, печени и т.д.

• 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик – открытие ДНК.
• 1951-1956 гг. Барбара Мак-Клинток – открытие «мобильных элементов генома».
• 1969 г. Б.Ф. Ванюшин – первая гипотеза о роли метилирования; 1975 г. гипотеза была подтверждена, когда были открыты ферменты-рестриктазы.
• 1996 г. Чарльз Дэвид Эллис – доказал, что ацетилирование гистонов связано с контролем экспрессии генов.

• 1998 г. группа швейцарских ученых во главе с Ренато Паро исследовала мух-дрозофил, у которых в результате мутации пожелтели глаза.
• Позже новозеландские ученые Питер Глюкман и Марк Хансон смогли объяснить этот феномен.
• 2000 г. – определена полная нуклеотидная последовательность генома человека и создан банк информации о секвенировании генов человека.
• 2003 г. Рэнди Джиртл и Роберт Уотерленд провели эксперимент с беременными трансгенными мышами агути.

Глаза двух дрозофил. Разная окраска глаз обусловлена эпигенетическими изменениями.

• 2006 г. Эндрю Файер и Крейг Мелло получили первую Нобелевскую премию за исследования механизма формирования эпигенетической памяти клеток. С этого момента эпигенетика стала широко известна научному сообществу.
• 2020 г. ученые доказали, что эпигенетика может участвовать в эволюции наравне с генетическими изменениями.

• Тотипотентная клетка – клетка, способная дифференцироваться в любой тип клеток организма и клеток внезародышевых органов. Тотипотентная клетка способна дать начало созданию целого организма.
• Плюрипотентная клетка – клетка, способная дифференцироваться во все типы клеток, кроме клеток внезародышевых органов. Плюрипотентная клетка способна дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.
• Мультипотентная клетка – клетка, способная дифференцироваться в клетки нескольких или одного зародышевого листка.
• Унипотентные клетки – клетка, способная дифференцироваться в клетки определенного типа.

Метилирование цитозинового основания ДНК.

Зеленым овалом со стрелкой показан главный фермент метилирования — ДНК-метилтрансфера́за (DNMT), красным кругом — метильная группа (—СН3).

Схема метилированного цитозина.

Экспериментальные мыши. Слева: мышь с мутацией по гену агути, справа: норма.

Yellow agouti ( A vy ) mouse

Подопытные мыши из лаборатории Рэнди Джиртла. Видно, как происходит изменение в окрасе шерсти детенышей в зависимости от приема матерью доноров метильных групп — фолиевой кислоты, витамина В12, холина и метионина.

Иерархия упаковок ДНК и хроматина в метафазной хромосоме, от двойной спирали ДНК (а), через нуклеосомы (б), 30-нанометровые фибриллы (в), петли хроматина, прикрепленные к скэффолду (г), и до метафазной хромосомы (д). Справа указаны приблизительные размеры каждой из этих структур.

Гистоновый октамер (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В,H3 и Н4), туго упакованный и обернутый ДНК, образует основную единицу хроматина под названием нуклеосома.

Ацетильная группа

Химическое строение аминокислоты лизин и ее эпигенетически модифицированной формы ацетил-лизин.

Для обозначения разнообразных модификаций в большинстве случаев используют такую систему: указывают название гистона, название аминокислоты по однобуквенной номенклатуре, номер остатка от N-конца и тип модификации.

Например, H4K16ac означает, что это ацетилированный 16-й по счету остаток лизина в гистоне H4.

Метилирование участков H3K4, H3K36 и H3K79 связано с транскрипцией, а метилирование остатков H3K9, H3K27 и H4K20 играет ключевую роль в инактивации.

Структура хроматина и механизмы эпигенетических модификаций.

Хромосомные территории в ядре фибробласта человека, выявляемые при помощи FISH с ДНК-пробами ко всем хромосомам.

Сверху: оптический срез ядра фибробласта, полученный при помощи конфокального микроскопа.

Снизу: схематическое изображение хромосомных территорий, полученное путём компьютерного распознавания образов.

Структура хромосомы

Эпигенетика – наука будущего