Cách thức hoạt động của Epigenetics

Trừ khi bạn tình cờ có một anh chị em giống hệt nhau hoặc biết một cặp, rất có thể kiến ​​thức của bạn về các cặp song sinh một phần dựa trên tiểu thuyết. Họ ở khắp mọi nơi trong văn hóa phụ, bột giấy và đại chúng, và khó trách các nghệ sĩ đã lôi họ vào bức tranh. Rốt cuộc, đối với một loài bị ám ảnh bởi danh tính, có điều bí ẩn nào trêu ngươi hơn là nhìn qua bàn về một bản sao vật lý của chính mình?

Nếu bạn đã từng xem một vài bức chân dung hư cấu về các cặp song sinh, bạn có thể nhận thấy rằng bài thuyết trình có xu hướng nghiêng về cực đoan này hoặc cực đoan khác. Cặp song sinh giống nhau một cách kỳ lạ (chẳng hạn như những cô bé trong "The Shining") hoặc khác biệt đáng kể (chẳng hạn như hai bác sĩ phụ khoa thống trị và phục tùng trong "Dead Ringers"). Khi hai con người trông giống nhau đến mức, những thứ khiến họ khác nhau cũng bối rối như những thứ khiến họ giống nhau.

DNA đóng một vai trò trung tâm trong các quan niệm hiện đại về danh tính, nhưng khi hiểu biết của chúng ta về khoa học di truyền được cải thiện, thì sự hiểu biết của chúng ta về những gì tạo nên con người của chúng ta cũng vậy. Con người từ lâu đã tham gia vào một cuộc tranh luận về thiên nhiên so với sự nuôi dưỡng, một tình thế tiến thoái lưỡng nan giữa số phận và sự tự do. Bạn là con người của bạn bởi vì bạn được sinh ra theo cách đó hay vì thế giới mà bạn đã được lớn lên?

Rõ ràng, nếu một cặp sinh đôi giống hệt nhau lớn lên trong khu ổ chuột của lâu đài và người kia lớn lên trong cung điện của nhà vua, họ có khả năng phát triển thành những người khá khác biệt, bất kể gen của họ giống nhau đến mức nào. Lĩnh vực di truyền học biểu sinh tiếp thêm động lực mới cho vấn đề này bằng cách làm sáng tỏ cách thức mà môi trường, dinh dưỡng và điều kiện xã hội ảnh hưởng đến cách các gen được biểu hiện. Có phải cặp song sinh trong cung điện được nuôi dưỡng bởi một người mẹ kế bạo hành? Cặp song sinh ở khu ổ chuột có phải tranh giành ngôi nhà đầy khói thuốc không? Một người ăn cháo trong khi người kia ăn những món tráng miệng béo ngậy? Những yếu tố này có thể gây ra những thay đổi biểu sinh làm thay đổi cách biểu hiện gen của mỗi cặp song sinh. Ngay cả sự khác biệt trong chế độ ăn uống cũng có thể khiến một cặp song sinh có nguy cơ mắc bệnh ung thư và khiến cặp còn lại trong sáng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách thức hoạt động của lĩnh vực di truyền học hấp dẫn này, những thay đổi biểu sinh ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta như thế nào và tương lai có thể ra sao.

1. Methyl hóa: Từ bộ gen đến kiểu hình
2. Vòng quay biểu sinh của tự nhiên so với sự nuôi dưỡng
3. Lật công tắc di truyền: Các yếu tố biểu sinh
4. Tương lai của biểu sinh

Bạn đã bao giờ chơi trò chơi mô phỏng máy bay chưa? Trò chơi có thể đã cung cấp các cài đặt chủ nghĩa hiện thực khác nhau cho phép người chơi chọn trải nghiệm chơi game của họ "thực" đến mức nào. Thông thường, bạn có thể bật và tắt các va chạm giữa không trung hoặc quyết định xem bạn có thể hết đạn hay xăng hay không . Cài đặt mặc định có thể nằm ở đâu đó giữa giả lập thuần túy và game bắn súng arcade, nhưng trò chơi có khả năng thực tế hơn, tùy thuộc vào việc bạn có bật các tùy chọn thích hợp hay không.

Hóa ra, gen của chúng ta hoạt động theo một cách rất giống nhau. Nếu vật liệu di truyền tích lũy của chúng ta (hoặc bộ gen) đóng vai trò như chương trình của chúng ta, thì trải nghiệm chơi game của chúng ta chính là kiểu hình của chúng ta , đặc điểm có thể quan sát được của một sinh vật. Đến lượt mình, một loạt các yếu tố lại gây ra các quá trình biểu sinh làm bật và tắt các gen khác nhau.

Các nhà khoa học lần đầu tiên đặt ra thuật ngữ "biểu sinh" (nghĩa đen là "phía trên bộ gen") vào những năm 1940 như một cách phân loại những thay đổi xảy ra giữa bộ gen và kiểu hình. Ví dụ, tại sao chỉ một cặp song sinh giống hệt nhau bị ung thư mà không phải cả hai? Trong nỗ lực tìm hiểu điều gì đang xảy ra, các nhà khoa học đã xem xét kỹ hơn mối quan hệ giữa DNA và sự phát triển của tế bào.

DNA nằm bên trong nhân tế bào , một chương trình tổng thể ở trung tâm của từng mảnh từng phút tạo nên con người của chúng ta. Enzyme gắn các bó carbon và hydro (CH ₃ ) được gọi là nhóm metyl vào DNA, thường ở gần phần đầu của gen - cũng là nơi protein gắn vào để kích hoạt gen. Nếu protein không thể gắn do nhóm metyl chặn, thì gen này thường vẫn bị tắt. Các nhà khoa học gọi đây là quá trình methyl hóa biểu sinh đặc biệt . Sự sắp xếp của các bó này có thể thay đổi đáng kể trong suốt thời gian tồn tại, nhưng cũng có thể thiết lập vĩnh viễn trong quá trình phát triển của phôi. Tất cả phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau có thể ảnh hưởng đến sự phân bố của các nhóm metyl.

Trong khi các nhà khoa học biểu sinh đã dành phần lớn nghiên cứu của họ cho quá trình metyl hóa, họ đã xác định được nhiều loại quá trình biểu sinh khác nhau. Sự thay đổi nhiễm sắc thể hiện rất nhiều trong số các quá trình này. Bên trong nhân, DNA cuộn quanh các bó protein histone để tạo thành chất nhiễm sắc , từ đó hình thành nhiễm sắc thể. Thay đổi cấu trúc của chất nhiễm sắc và bạn thay đổi biểu hiện gen. Các nhóm hóa chất khác nhau đạt được mục đích này bằng cách gắn vào các histon.

Làm thế nào để tất cả những điều này ảnh hưởng đến bản chất so với việc nuôi dưỡng cuộc tranh luận? Tìm hiểu trên trang tiếp theo.

Trau chuốt DNA

Bạn có một chút mờ nhạt về nghiên cứu di truyền? Hãy để chúng tôi giải đáp tất cả cho bạn trong Cách thức hoạt động của DNA và cách thức hoạt động của tế bào .

Đó là một nửa thời gian dành cho tính chất lớn so với trận playoff nuôi dưỡng. Hãy chạy xuống điểm số. Thực tế là chúng ta dựa phần lớn vào các gen mà chúng ta thừa hưởng từ cha mẹ của chúng ta chắc chắn là một điểm của tự nhiên, nhưng thực tế là cuộc sống hàng ngày của chúng ta có thể ảnh hưởng đến những thay đổi biểu sinh chắc chắn đặt một vấn đề lên bảng để nuôi dưỡng. Thật thú vị, sự thật nhỏ tiếp theo không phá vỡ sự ràng buộc - nó ghi một điểm cho cả hai bên. Dựa trên những gì chúng ta biết bây giờ, có vẻ như ít nhất một số thay đổi biểu sinh là do di truyền.

Quay lại phần tương tự trò chơi điện tử trong giây lát. Cha mẹ của bạn không chỉ truyền lại chương trình trung tâm cho bạn mà còn cả một số cài đặt trò chơi thực tế mà họ đã sử dụng. Một số biến đổi chất nhiễm sắc chuyển sang DNA và protein mới được tổng hợp. Như bạn có thể tưởng tượng, viễn cảnh về những thay đổi di truyền biểu sinh đang có tác động rất lớn đến sự hiểu biết của chúng ta về quá trình tiến hóa . Các nhà khoa học thậm chí đã đánh giá lại các lý thuyết mà họ đã từng mất uy tín trước đây, chẳng hạn như lý thuyết của nhà khoa học thế kỷ 18 Jean-Baptiste Lamarck. Trong khi những phát hiện gần đây không hoàn toàn ủng hộ lý thuyết của Lamarck rằng cổ của hươu cao cổ dài ra qua nhiều thế hệ để tìm kiếm thức ăn , một số bằng chứng chắc chắn là của Lamarck.

Take the water flea for instance. In a predator-heavy environment, the creatures develop large, defensive spines -- a trait their offspring also develop, even if raised in a predator-free setting. This process is called transgenerational epigenetic inheritance. Humans may not have to contend with growing defensive spines because dad felt threatened, but studies have shown that various behavior and health conditions are due to inherited epigenetic changes.

Epigenetic changes also allow stem cells to develop into specialized cells , such as those found in the brain. While organisms depend on this vital process, epigenetic changes also contribute to diseases. In some cases, the gene or genes that are turned on are those associated with debilitating diseases, such as Angelman syndrome. In other cases, epigenetic changes turn off a really important gene. To use the video game example again, there's a certain range of settings that work well for an organism, but turning on too few or too many options can lead to a very unsatisfying playing experience. Scientists even think both decreases and increases in methylation (chemical bundles that enzymes attach to DNA) may cause cancer, by turning on too many growth-promoting genes or turning off tumor-suppressing genes.

What kinds of factors flip these epigenetic switches? Find out on the next page.

The more you look at epigenetics, the more it seems that our lives are little more than a checklist of various genes that can be turned on or off. Don't want to age as fast? Click here. Care for a little obesity? Just mark "yes" or "no" with a No. 2 pencil. Of course, the kicker is that we're still trying to figure out what factors lead to which answers on the genetic Scantron sheets that define our lives.

­Epigenetic changes, like so many of our vital processes, fall to our bodies to deal with. Just think back to the last time you burned dinner or wore the wrong socks to work. Do you really want direct control over your heartbeat or how your genes are expressed? No, so your body responds to your environment and takes care of all this for you. Meanwhile, your brain (which is to say, you) gets to concern itself with such essential problem-solving tasks as gathering food , breeding and remembering to turn off the iron. In our free time, however, we've devoted a great deal of effort to figuring out just how our bodies do what they do. As such, we've already figured out how some factors cause epigenetic changes.

Nutrition: As the saying goes, you are what you eat. Research has shown that shortages or excesses of food during a person's childhood can cause epigenetic changes that lead to diabetes, obesity and early puberty. Adaptations that made sense during a time of famine can then transfer to children and grandchildren who live in a time of plenty. Genes become epigenetically set to deal with adverse conditions and then pass on to offspring who may enjoy comfier conditions. Experiments have also shown how foods can cause epigenetic changes in the womb. Scientists have influenced coat colors and deterred obesity in mice by feeding the mother a soy-rich diet, which alters methylation [source: Ray].­

­Parenting: The field of epigenetics continues to shed light on the importance of parental care to mental health. Experiments have discovered that mother rats that infrequently groom and nurse their pups rear anxious offspring. This poor parenting actually alters genes controlling the production of stress hormones. This is nature's way of preparing young for a potentially dangerous environment. In humans, scientists have observed methylation changes in the brains of suicide victims. Areas of the hippocampus, a part of the brain that can affect mood, contained genes that had been switched off. An estimated one out of every five suicide victims suffered child abuse, leading experts to consider a possible correlation between stressful upbringings and epigenetic change [source: Nhà kinh tế học ].

Nghiên cứu tiếp tục khám phá mối liên hệ giữa sự thay đổi biểu sinh và các yếu tố khác nhau trong môi trường và chế độ ăn của chúng ta. Làm thế nào chúng ta có thể hưởng lợi từ kiến ​​thức này? Tìm hiểu trên trang tiếp theo.

Bố, Cocain và thuốc diệt nấm

Các bà mẹ không phải là người duy nhất truyền những thay đổi biểu sinh cho con cái. Các thí nghiệm trên chuột cho thấy vinclozolin thuốc diệt nấm cây trồng có thể gây ra tính nhạy cảm với bệnh ung thư và các khuyết tật ở thận, cả hai đều có thể được chuyển sang con cái thông qua sự thay đổi metyl hóa. Trong một thí nghiệm y tế tương tự, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những con chuột sử dụng cocaine đã truyền các vấn đề về trí nhớ cho ba thế hệ con cháu nhờ những thay đổi biểu sinh.

Khi kiến ​​thức về epigenome ngày càng tăng, chúng ta tiếp tục tìm hiểu thêm về cách các chất chúng ta tiêu thụ và các hoàn cảnh xã hội mà chúng ta đang sống ảnh hưởng đến cách gen của chúng ta được biểu hiện. Các nhà khoa học đã và đang xem xét lại cách các sinh vật tiến hóa và cách các đặc điểm được truyền từ cha mẹ sang con cái. Nhưng kiến ​​thức này sẽ bắt đầu thay đổi cách chúng ta sống ở điểm nào? Vào thời điểm nào chúng ta sẽ có thể uống một viên thuốc và ngăn chặn hoặc ngăn chặn sự kết hợp phù hợp của các gen để cải thiện chất lượng cuộc sống của chúng ta?

Trong khi loại bỏ lão hóa và tinh chỉnh bộ gen của con người là những khả năng khá đáng kinh ngạc, các nhà di truyền học biểu sinh quan tâm nhiều hơn đến việc khám phá các cách điều trị các bệnh biểu sinh. Khi một số bệnh ung thư xảy ra do sự ngừng hoạt động của các gen ức chế khối u, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu để phát triển các loại thuốc kích hoạt lại chúng. Ví dụ, thuốc azacitidine điều trị bệnh bạch cầu theo cách này. Tuy nhiên, chỉ tìm đúng bộ phận của epigenome để điều trị có thể giống như mò kim đáy bể. Và một khi các nhà nghiên cứu tìm thấy những khu vực họ muốn tác động, các loại thuốc biểu sinh không phải tất cả đều cụ thể. Họ có thể thành công trong việc ngăn chặn hoặc bỏ chặn các gen mà họ muốn điều trị, nhưng cũng ảnh hưởng đến các gen khác, dẫn đến các tác dụng phụ nguy hiểm có thể xảy ra.

Sau khi hoàn thành Dự án bộ gen người, Dự án bộ gen người hiện đang nỗ lực lập bản đồ phạm vi những thay đổi có thể xảy ra giữa bộ gen và kiểu hình. Tuy nhiên, sau khi hoàn thành, một bản đồ biểu sinh cũng có thể hữu ích trong việc xác định những cá nhân nào có nguy cơ mắc một số bệnh nhất định và khuyến khích các loại thay đổi lối sống có thể ngăn chặn việc bật hoặc tắt các gen sai.

Tuy nhiên, nhiều loại thuốc trong tương lai đang bị đe dọa. Khám phá biểu sinh cũng buộc các bác sĩ phải kiểm tra lại các loại thuốc hiện có. Ngay cả azacitidine, loại thuốc biểu sinh đầu tiên được FDA chấp thuận, trước đây cũng được sử dụng để điều trị rối loạn tế bào gốc tủy xương. Chỉ sau khi phát hiện ra tác dụng biểu sinh của nó, các bác sĩ mới khám phá công dụng của nó trong các lĩnh vực khác.

Tế bào gốc cũng là mối quan tâm chính của các nhà biểu sinh học. Bằng cách nghiên cứu những thay đổi biểu sinh xác định cách tế bào phát triển, cuối cùng có thể quyết định loại mô mà tế bào gốc sẽ phát triển thành. Để biết thêm thông tin về tác động của điều này, hãy đọc Cách hoạt động của tế bào gốc .

Trong khi đó, chúng ta càng biết nhiều về những thay đổi biểu sinh, chúng ta càng nhận ra mối tương quan giữa các hành động của chúng ta và không chỉ cuộc sống của chúng ta mà còn là cuộc sống của con cái chúng ta. Khi chúng ta bóc tách một lớp gen khác để tìm ra chúng ta là ai, những bí ẩn nào khác đang chờ đợi chúng ta?

Theo các liên kết trên trang tiếp theo để tìm hiểu thêm về DNA .

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

Nguồn

­