Sådan fungerer epigenetik

Medmindre du tilfældigvis enten har en identisk søskende eller kender et par, der er en god chance for, at din viden om tvillinger delvis er baseret på fiktion. De er overalt i sub, frugtkød og populærkultur, og det er svært at bebrejde kunstnerne for at trække dem ind i billedet. Trods alt, for en art besat af identitet, er der en mere pirrende gåde end at se over et bord på en fysisk kopi af dig selv?

Hvis du har set selv et par fiktive skildringer af tvillinger, du har sikkert bemærket, at præsentationen har en tendens til at læne sig mod den ene eller anden ekstreme. Enten er tvillingerne uhyggeligt ens (f.eks. De små piger i "The Shining") eller bemærkelsesværdigt forskellige (f.eks. De dominerende og underdanige tvillingegynekologer i "Dead Ringers"). Når to mennesker ligner hinanden så meget, de ting, der gør dem forskellige, er lige så forvirrende som dem, der gør dem ens.

DNA spiller en central rolle i moderne opfattelser af identitet, men efterhånden som vores forståelse af genetisk videnskab forbedres, det samme gør vores forståelse af, hvad der gør os til den, vi er. Mennesker har længe deltaget i en debat om natur kontra pleje, et dilemma med skæbnenes undertoner kontra fri vilje. Er du den person, du er, fordi du er født på den måde eller på grund af den verden, hvor du er opvokset?

Naturligvis, hvis den ene identiske tvilling vokser op i slottets slumkvarterer og den anden vokser op i kongens palads, de kan udvikle sig til ret forskellige mennesker, uanset hvor ens deres gener er. Feltet af epigenetik tilføjer nyt brændstof til dette problem ved at belyse, hvordan miljø, ernæring og sociale forhold påvirker, hvordan gener udtrykkes. Blev tvillingen i paladset opdraget af en voldelig stedmor? Var tvillingen i slumkvartererne nødt til at kæmpe med et hus fuld af piberøg? Spiste den ene grød, mens den anden spiste sig af fede desserter? Disse faktorer kan forårsage epigenetiske ændringer, der ændrer, hvordan hver tvillings gener udtrykkes. Selv en forskel i kost kan sætte den ene tvilling i fare for kræft og efterlade den anden i det fri.

I denne artikel, vi vil undersøge, hvordan dette fascinerende genetiske felt fungerer, hvordan epigenetiske ændringer påvirker vores liv, og hvad fremtiden kan bringe.

1. Methylering:Fra genom til fænotype
2. Det epigenetiske spin på naturen kontra pleje
3. Vend den genetiske switch:Epigenetiske faktorer
4. Fremtiden for epigenetik

Methylering:Fra genom til fænotype

Har du nogensinde spillet et flyvesimulator videospil? Spillet har muligvis tilbudt forskellige realisme -indstillinger, der giver spillere mulighed for at vælge, hvor "ægte" deres spiloplevelse vil være. Tit, du kan tænde og slukke for kollisioner mellem luften, eller beslut om, hvorvidt du kan løbe tør for ammunition eller gas. Standardindstillingerne kan falde et sted mellem ren simulator og arkade shoot-'em-up, men spillet har potentiale til at være mere realistisk, afhængigt af om du vælger de relevante indstillinger.

Det viser sig, vores gener fungerer på en meget lignende måde. Hvis vores akkumulerede arvemateriale (eller genom) fungerer som vores program, vores spiloplevelse er vores fænotype , en organismes observerbare egenskaber. Et væld af faktorer, på tur, forårsager de epigenetiske processer, der tænder og slukker forskellige gener.

Forskere opfandt først udtrykket "epigenetisk" (som bogstaveligt talt betyder "over genomet") i 1940'erne som en måde at klassificere ændringer, der skete mellem genom og fænotype. For eksempel, hvorfor ville kun en identisk tvilling udvikle kræft og ikke begge? I en søgen efter at forstå, hvad der skete, forskere kiggede nærmere på forholdet mellem DNA og cellulær udvikling.

DNA ligger inde i kernen i en celle, et masterprogram i midten af ​​hvert minutstykke, der gør os til dem, vi er. Enzymer fastgør kulstof- og brintbundter (CH ₃ ) kaldet methylgrupper til DNA'et, ofte nær begyndelsen af ​​et gen - det samme sted, hvor proteiner vedhæftes for at aktivere genet. Hvis proteinet ikke kan vedhæfte på grund af en blokerende methylgruppe, så forbliver genet normalt slukket. Forskere kalder denne særlige epigenetiske proces methylering . Arrangementet af disse bundter kan ændre sig drastisk i løbet af livet, men kan også indstilles permanent under embryoudvikling. Det hele afhænger af de forskellige faktorer, der kan påvirke fordelingen af ​​methylgrupper.

Mens epigenetiske forskere har afsat det meste af deres forskning til methylering, de har identificeret mange forskellige typer epigenetiske processer. Kromatin modifikation figurerer stærkt blandt disse processer. Inde i kernen, DNA spoler omkring bundter af histon proteiner der dannes kromatin , som igen danner kromosomer. Ændre kromatinets struktur, og du ændrer genekspression. Forskellige kemiske grupper opnår dette formål ved at vedhæfte histonerne.

Hvordan påvirker alt dette debatten om natur versus pleje? Find ud af det på den næste side.

Er du lidt uklar på genetisk forskning? Lad os bryde det hele ned for dig i Sådan fungerer DNA og hvordan celler fungerer.

Det epigenetiske spin på naturen kontra pleje

Det er halv tid i den store natur kontra næring playoff. Lad os løbe scoren ned. Det faktum, at vi i vid udstrækning er baseret på de gener, vi arver fra vores forældre, er bestemt et punkt for naturen, men det faktum, at vores daglige liv kan påvirke epigenetiske ændringer, sætter bestemt en på bordet til pleje. Interessant nok, den næste lille kendsgerning bryder ikke uafgjort - det scorer et point for begge sider. Baseret på det, vi ved nu, nogle epigenetiske ændringer synes at være arvelige.

Gå tilbage til videospillets analogi et øjeblik. Dine forældre giver ikke bare det centrale program videre til dig, men nogle af de faktiske spilindstillinger, de brugte. Nogle kromatinmodifikationer overføres til nysyntetiseret DNA og proteiner. Som du måske forestiller dig, udsigten til nedarvede epigenetiske ændringer har en enorm indflydelse på vores forståelse af evolution. Forskere har endda revurderet teorier, de tidligere havde diskrediteret, såsom videnskabsmanden Jean-Baptiste Lamarcks fra det 18. århundrede. Selvom de seneste fund ikke fuldstændig understøtter Lamarcks teori om, at halsen på giraffer forlængede sig i løbet af generationer efter at nå mad, nogle af beviserne er bestemt lamarckiske.

Tag for eksempel vandloppen. I et rovdyr-tungt miljø, skabningerne udvikler sig store, defensive rygsøjler - et træk, deres afkom også udvikler, selvom den er opvokset i en rovdyrfri indstilling. Denne proces kaldes transgenerationel epigenetisk arv . Mennesker behøver måske ikke kæmpe med voksende defensive rygsøjler, fordi far følte sig truet, men undersøgelser har vist, at forskellige adfærd og helbredstilstande skyldes arvelige epigenetiske ændringer.

Epigenetiske ændringer tillader også stamceller at udvikle sig til specialiserede celler, som dem, der findes i hjernen. Mens organismer er afhængige af denne vitale proces, epigenetiske ændringer bidrager også til sygdomme. I nogle tilfælde, det eller de gen, der er tændt, er dem, der er forbundet med invaliderende sygdomme, såsom Angelman syndrom . I andre tilfælde, epigenetiske ændringer slukker et virkelig vigtigt gen. Hvis du vil bruge eksempelet på videospil igen, der er en vis række indstillinger, der fungerer godt for en organisme, men at tænde for få eller for mange muligheder kan føre til en meget utilfredsstillende spiloplevelse. Forskere tror endda, at både falder og stiger i methylering (kemiske bundter, som enzymer knytter sig til DNA) kan forårsage kræft, ved at tænde for mange vækstfremmende gener eller slukke tumorundertrykkende gener.

Hvilken slags faktorer vender disse epigenetiske switches? Find ud af det på den næste side.

Vend den genetiske switch:Epigenetiske faktorer

Jo mere du ser på epigenetik, jo mere ser det ud til, at vores liv er lidt mere end en tjekliste med forskellige gener, der kan slås til eller fra. Vil du ikke ældes så hurtigt? Klik her. Omsorg for lidt fedme? Marker bare "ja" eller "nej" med en blyant nr. 2. Selvfølgelig, kickeren er, at vi stadig forsøger at finde ud af, hvilke faktorer der fører til hvilke svar på de genetiske Scantron -ark, der definerer vores liv.

Epigenetiske ændringer, ligesom så mange af vores vitale processer, falde til vores kroppe at håndtere. Tænk bare tilbage på sidste gang, du brændte aftensmad eller havde de forkerte sokker på at arbejde. Vil du virkelig have direkte kontrol over dit hjerteslag eller hvordan dine gener kommer til udtryk? Ingen, så din krop reagerer på dit miljø og tager sig af alt dette for dig. I mellemtiden, din hjerne (det vil sige, du) kommer til at bekymre sig om sådanne væsentlige problemløsende opgaver som at indsamle mad, avl og huske at slukke for jernet. I vores fritid, imidlertid, Vi har lagt en stor indsats i at finde ud af, hvordan vores kroppe gør, hvad de gør. Som sådan, vi har allerede fundet ud af, hvordan nogle faktorer forårsager epigenetiske ændringer.

Ernæring :Som man siger, du er hvad du spiser. Forskning har vist, at mangel eller overskud af mad i en persons barndom kan forårsage epigenetiske ændringer, der fører til diabetes, fedme og tidlig pubertet. Tilpasninger, der gav mening i en tid med hungersnød, kan derefter overføres til børn og børnebørn, der lever i en tid med masser. Gener bliver epigenetisk indstillet til at håndtere ugunstige forhold og videregiver derefter til afkom, der kan lide bedre betingelser. Eksperimenter har også vist, hvordan fødevarer kan forårsage epigenetiske ændringer i livmoderen. Forskere har påvirket pelsfarver og afskrækket fedme hos mus ved at fodre moderen med en sojarig kost, som ændrer methylering [kilde:Ray].

Forældre: Epigenetikområdet kaster fortsat lys over forældres omsorgs betydning for mental sundhed. Eksperimenter har opdaget, at morrotter, der sjældent plejer og plejer deres unger, opdrager ængstelige afkom. Denne dårlige forældreskab ændrer faktisk gener, der styrer produktionen af ​​stresshormoner. Dette er naturens måde at forberede unge på et potentielt farligt miljø. Hos mennesker, forskere har observeret methyleringsændringer i hjernen hos selvmordsofre. Områder i hippocampus , en del af hjernen, der kan påvirke humøret, indeholdt gener, der var blevet slukket. Anslået en ud af hver fem selvmordsofre blev udsat for overgreb mod børn, ledende eksperter til at overveje en mulig sammenhæng mellem stressende opdragelser og epigenetiske ændringer [kilde:Economist].

Forskning afdækker fortsat forbindelser mellem epigenetiske ændringer og forskellige faktorer i vores miljøer og kostvaner. Hvordan kan vi drage fordel af denne viden? Find ud af det på den næste side.

Mødre er ikke de eneste, der overfører epigenetiske ændringer til afkom. Eksperimenter med rotter har vist, at afgrødernes fungicid vinclozolin kan forårsage modtagelighed for kræft og nyrefejl, som begge kan overføres til afkom gennem methyleringsændringer. I et lignende medicinsk eksperiment, forskere opdagede, at mus, der bruger kokain, videregav hukommelsesproblemer til tre generationer efterkommere takket være epigenetiske ændringer.

Fremtiden for epigenetik

Efterhånden som kendskabet til epigenomet vokser, vi fortsætter med at lære mere om, hvordan de stoffer, vi indtager, og de sociale situationer, vi befinder os, påvirker den måde, vores gener udtrykkes på. Forskere genovervejer allerede den måde, organismer udvikler sig på, og hvordan træk overføres fra forælder til afkom. Men på hvilket tidspunkt vil denne viden begynde at ændre den måde, vi lever på? På hvilket tidspunkt vil vi være i stand til at tage en pille og blokere eller blokere den rigtige kombination af gener for at forbedre vores livskvalitet?

Mens man slukker for aldring og finjusterer det menneskelige genom, er det temmelig ærefrygtindgydende muligheder, epigenetikere er langt mere interesserede i at opdage måder at behandle epigenetiske sygdomme på. Da nogle kræftformer opstår på grund af deaktivering af tumorundertrykkende gener, forskere har arbejdet med at udvikle medicin, der genaktiverer dem. Lægemidlet azacitidin, for eksempel, behandler leukæmi på denne måde. At finde de helt rigtige dele af epigenomet til behandling, imidlertid, kan være som at finde en nål i en høstak. Og når først forskere finder de områder, de vil påvirke, epigenetiske lægemidler er ikke så specifikke. Det kan lykkes dem at blokere eller fjerne blokeringen af ​​de gener, de ønskede at behandle, men påvirker også andre gener, medfører potentielt farlige bivirkninger.

Efter afslutningen af ​​Human Genome Project, det Human Epigenome Project stræber i øjeblikket efter at kortlægge omfanget af ændringer, der kan forekomme mellem genom og fænotype. Når den er færdig, imidlertid, et epigenomisk kort kan også vise sig nyttigt til at bestemme, hvilke personer der er i fare for visse sygdomme og tilskynde til den slags livsstilsændringer, der kan forhindre de forkerte gener i at tænde eller slukke.

Mere end fremtidige lægemidler er på spil, imidlertid. Epigenetiske opdagelser tvinger også læger til at undersøge eksisterende lægemidler igen. Selv azacitidin, det første FDA-godkendte epigenomiske lægemiddel, blev tidligere brugt til behandling af knoglemarvsstamcellelidelser. Det var først efter opdagelsen af ​​dets epigenetiske virkninger, at læger undersøgte dets anvendelser på andre områder.

Stamceller er også af central interesse for epigenetikere. Ved at studere de epigenetiske ændringer, der bestemmer, hvordan celler udvikler sig, det kan i sidste ende blive muligt at diktere hvilken vævstype en stamcelle vil udvikle sig til. For mere information om konsekvenserne af dette, læs hvordan stamceller fungerer.

I mellemtiden, jo mere vi ved om epigenetiske ændringer, jo mere vi indser sammenhængen mellem vores handlinger og, ikke kun vores eget liv, men vores børns liv. Da vi fjerner endnu et genetisk lag for at finde ud af, hvem vi er, hvilke andre mysterier venter os?

Følg linkene på den næste side for at lære endnu mere om DNA.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Hvad er Human Epigenome Project?
• Sådan fungerer kræft
• Sådan fungerer celler
• Hvordan designerbørn vil fungere
• Sådan fungerer DNA
• Sådan fungerer stamceller
• Ville det at have din egen klon være som at have en identisk tvilling?

Flere store links

• Human Epigenome Consortium

Kilder

• Bhattacharya, Shaoni. "Menneskets gen -tænd/sluk -switches skal kortlægges." Ny forsker. Oktober 2003. (3. oktober, 2008) http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn4241
• Bradbury, Jane. "Human Epigenome Project - Up and Running." PLoS Biologi. 22. december kl. 2003. (3. oktober, 2008) http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0000082&ct=1
• Brownlee, Christen. "Nurture tager spotlighten." Science News. 24. juni kl. 2006. (3. oktober, 2008) http://www.thefreelibrary.com/Nurture+takes+the+spotlight:+decoding+the+environment's+role+in...-a0148858116
• "Epigenetik." Britannica Online Encyclopædia. 2008. (3. oktober, 2008) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1372811/epigenetics
• Keim, Brandon. "Puha! Dit DNA er ikke din skæbne." Kablet. 16. august, 2005. (3. oktober, 2008) http://www.wired.com/medtech/health/news/2005/08/68468
• Ray, Matt. "Epigenetik." Miljøsundhedsperspektiver. Marts 2006. (3. oktober, 2008) http://www.ehponline.org/docs/2006/114-3/toc.html
• "Lyddæmning af lammene." The Economist. 10. maj kl. 2008. (3. oktober, 2008) http://www.economist.com/science/displaystory.cfm?story_id=11326195
• Wade, Nicholas. "Forklarer forskelle i tvillinger." New York Times. 5. juli kl. 2005. (3. oktober, 2008) http://www.nytimes.com/2005/07/05/health/05gene.html
• Ung, Emma. "Omskrivning af Darwin:Den nye ikke-genetiske arv." Ny forsker. 12. juli kl. 2008. (3. oktober, 2008) http://www.science.org.au/nova/newscientist/098ns_003.htm