Эпигенетика және эпигеном. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

Негізгі идея:

  Эпигенетика - генетикалық кодтағы өзгерістермен байланысты емес гендік белсенділіктің өзгеруін зерттеу.

Түсіну:

Эпигенетиканың молекулалық негізі.

Хроматиннің құрылымы

Биологиялық жүйенің өсуіне және динамикалық гомеостазына қоршаған ортадағы өзгерістер әсер етеді.

Эпигенетикалық тегтердің екі жалпы түрі

 Теориялық материалдар

1 қосымша

Эпигенетиканың молекулалық негізі

Грек тілінен аударғанда «epi-» «жоғары», «жоғары», «жоғары» дегенді білдіреді. Егер генетика ДНҚ-да генде өзгеріске алып келетін процестерді зерттесе, онда эпигенетика ДНҚ құрылымында болатын гендердің белсенділігін зерттейді бұрынғы

Хроматиннің құрылымы

Жасуша ядросында ұсақ түйіршектер мен түйіршіктер негізгі бояғыштармен боялған.

• Хроматин - бұл дезоксирибонуклеопротеин (DNP) және ақуыз-гистон немесе гистондық емес ақуыздармен байланысқан ДНҚ-дан тұрады. Гистондар мен ДНҚ нуклеосомалар деп аталатын құрылымдарға біріктірілген. Хроматин хромосомаларға сәйкес келеді, олар интерфаза ядросында ұзын бұралған жіпшелермен көрінеді және жеке құрылым ретінде ажыратылмайды. Хромосомалардың әрқайсысының спирализациясының ауырлығы олардың ұзындығына байланысты өзгереді. Генетикалық ақпаратты жүзеге асыруды деспирализацияланған хромосома аймақтарымен жүзеге асырады.
• хроматинді жіктеу:
• 1) эухроматин (белсенді деспирирленген. Инф (транскрипция) оқылады. Ол ядрода ядроның ортасына жақынырақ жеңіл аймақтар ретінде пайда болады) Интерфазада генетикалық белсенді ДНҚ-ның құрамында шоғырланған деп болжанады. Эвроматин диспирирленген және транскрипцияға ашық хромосомалардың сегменттеріне сәйкес келеді.
• 2) гетерохроматин (жұмыс істемейтін спиральданған, конденсацияланған, ықшамдалған Ядрода ол шеткері бөртпелер түрінде анықталады.) Мыналарға бөлінеді: құрылтай (әрқашан белсенді емес, ешқашан эвроматинге енбейді) және факультативті (белгілі бір жағдайларда немесе иммундық циклдің белгілі бір кезеңдерінде кіре алады) эвроматин). ядро қабығына жақын орналасқан, неғұрлым ықшам. Гетерохроматин факультетінің жинақталуына мысал ретінде Barra денесі, әйел сүтқоректілеріндегі белсенді емес Х хромосома, ол тығыз бұралған және интерфазада белсенді емес.
• Осылайша, ядроның морфологиялық сипаттамасы бойынша (эу және гетерохроматин құрамының арақатынасы бойынша) транскрипция процестерінің белсенділігін, демек, жасушаның синтетикалық қызметін бағалауға болады.
• Хроматин мен хромосомалар - бұл дезоксирибонуклеопротеидтер (DNPs), бірақ хроматин - кеңейтілген күй, ал хромосомалар - бұралған күй. Интерфаза ядросында хромосомалар жоқ, хромосомалар ядролық мембрананы бұзу кезінде пайда болады (ыдырау кезінде).
• Хромосомалардың құрылымы:
• хромосомалар - бұл хроматиннің ең көп жиналған күйі.
• Хромосомаларда хромосоманы екі иыққа бөлетін бастапқы тарылу (центромера) бөлінеді. Бастапқы тарылу хромосоманың ең аз дөңгелек бөлігі болып табылады, клетканың бөлінуі кезінде бөліну шыбықының жіптері оған қосылады. Кейбір хромосомаларда спутниктер деп аталатын хромосомалардың кішігірім бөліктерін бөлетін терең қайталама конструкциялар бар. Екінші ретті тарылу аймағында г-РНҚ туралы ақпаратты кодтайтын гендер бар, сондықтан хромосомалардың қайталама тарылуы нуклеолярлық ұйымдастырушылар деп аталады.
• Центромераның орналасуына байланысты хромосомалардың үш типі бөлінеді:
• 1. метацентрлік (иықтары бірдей немесе тең өлшемде);
• 1. қосалқы орталық (иықтары бірдей емес);
• 2. акроцентрлік (қысқа иықпен көрінбейтін екінші иық тәрізді пішінді болуы керек);
• Хромосомалардың иықтарының ұштары теломералар деп аталады.
•  Көп жасушалы организмдерде жасушаның дифференциялануына жауап беретін нақты ген экспрессиясының үлгісі бар. Гистондардың посттрансляциялық модификациясы геннің экспрессиясына әсер етеді, осылайша гистон кодын жасайды. Гистон модификациясының динамикасындағы эксперименттер метилизация, фосфорлану және ацетилдену арасындағы кинетикада үлкен айырмашылықты көрсетті, бұл модификациялардың эпигенетикалық мұрагерліктегі рөлін дәлелдеді.
• Эпигенетика - гендік белсенділіктің мұрагерлік өзгерістері, олар ДНҚ тізбегінде кодталмайды.
• Эпигенетикалық модификация түрлері:ДНК-метилирование,
• вариантные формы гистонов – коровые гистоны (за исключением Н4) существуют в разных формах (вариантах). Пул гистона Н3 в клетке состоит из вариантов Н3.3 (требуются в течение всего клеточного цикла), CENP-A и H3.1, H3.2 (синтезируются в S-фазе). Н3.3 ассоциирован с транскрипционно активными областями генов и богат посттрансляционными модификациями. H3.2 несет репрессирующие модификации, а H3.1 и активирующие, и репрессирующие,
• ремоделлинг нуклеосомы – изменение позиции нуклеосомы АТФ-зависимым путем,
• РНК-интерференция,
• модификации гистонов (ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, АТФ-рибозилирование, сумоилирование, убиквитинирование). Модификации могут быть активирующими и репрессирующими.

Гистон коды туралы гипотеза

Гистон коды, Страхль мен Аллис 2000 жылы ұсынған гипотеза транскрипцияны белсендіруге немесе репрессияға әкелуі мүмкін гистондардың модификациялары бар деп болжайды.

Гистон модификациялары хроматин құрылымына тікелей әсер етпейді. Олар не гистондардың құйрығындағы оң зарядты төмендетеді, бұл олардың ДНҚ-нан бөлінуіне әкеледі немесе модификацияланған гистондарды танып жатқан белоктардың байланыстырылуына ықпал етеді. Мысалы, HP1 ақуызының хромодоманы H3K9me-мен байланысады. Поликомб ақуызындағы ұқсас домен H3K27me-ны таниды.

Көршілес екі аминқышқылының қалдықтары бір-біріне әсер етуі мүмкін. Мысалы, НР1 ақуызын байланыстыратын H3 гистонының 9-лизинінің метилизациясы. Митоз және хроматин конденсациясы кезінде, НР1-нің H3K9me-ға қосылуын төмендететін 10-шы серинді фосфорилаттар. Бұл байланыстыру H3 14-лизинде ацетилденгенде одан әрі төмендетіледі. Гистонның әртүрлі модификациялары белгілі бір байланыстырушы домендерге ие әртүрлі ақуыздармен (мысалы, бромодомайндар мен хромодомендер) танылады. Бұл ақуыздар әртүрлі белоктарды жалдау немесе ферментативті белсенділік сияқты әртүрлі функцияларды атқара алады, осылайша гистон модификациясында кодталған ақпаратты аудару тетігі ретінде әрекет етеді.

Эпигенетикалық кодқа қойылатын талаптар

1. Жүйе эпигенетикалық кодтың генерациясын бастау керек.

2. Жүйе модификацияларды әртүрлі хроматин күйлеріне аударуы керек.

3. Жүйе модификациялық үлгіні ескі гистондардан жаңадан синтезделгендерге көшіруге мүмкіндік беруі керек.

Гистон модификациясының нәтижесі

Гистондар цитоплазмада синтезделеді, содан кейін олар ядроға тасымалданады. Гистон синтезінің ең жоғары деңгейі жасуша циклінің S фазасына сәйкес келеді, өйткені олар осы кезеңде жасуша үшін қажет. Синтезден кейін бірден гистондар модификацияның белгілі бір үлгісін алады және олардың ДНҚ-ға түсуін жеңілдететін шаперондармен байланысады.

Хроматин құрылымындағы ең маңызды өзгерістер нақты гендердің транскрипциясы, жасуша циклінің S фазасында ДНҚ синтезі және митоз кезінде хромосома конденсациясы кезінде болады.

Ацетилдеу

Жаңадан синтезделген гистондарда H4 және K18, H3 гистонының K1, K12 ацетилденеді. Цитоплазмадан ядроға тасымалдау кезінде гистондар қосымша модификацияларды алады (H3K9me, H3K56Ac).

Гистон ацетилациясы, әдетте, ген транскрипциясының белсенділенуіне әкеледі.

Хроматиннің транскрипциялық белсенді аймақтарында H3 және H4 моноэтилденген гистондардың мөлшері жоғары, бұл олардың транскрипцияны белсендіру процесінде ерекше рөл атқаратындығын көрсетеді. К6 моноацетилизациясы - жануарлар жасушаларында H4 гистонының негізгі модификациясы. H3K16 модификациясын катализдейтін ферментті алып тастау ядроның бөлінуіне әкеледі, бұл тағы бір рет осы модификацияның маңызды рөлін көрсетеді.

Ацетилденген гистондар ген протекторлары аймағында орналасқан. Гистон ацетилизациясы метилизацияға қарағанда тезірек жүреді.

Метилизация

Метилденген гистондар (H3K4me қоспағанда) гендік аймақта орналасқан.

Гистон метиляциясы эпигенетикалық ақпаратты құруда маңызды рөл атқарады, ал басқа модификациялар модуляциялық функцияға ие (мысалы, олар хроматинмен сыртқы сигналды алу үшін сигнал беру молекулаларының рөліне ие болуы мүмкін).

Белсенді транскрипцияланған аймақтар: H3K4me2.3; H3K36me2.3

Транскрипцияны репрессиялау: H3K27me3; H4K20me3

Фосфорлану

Гистондардың гистофосфорлануы митоздың басталуымен сәйкес келеді, ол H1 байланыстырушы гистонының фосфорлануынан басталады. Ядро гистондарының қалдықтары (N-терминалды бөліктері) жасушаның бөлінуі кезінде фосфорланудан өтеді (T3, S10, S28 гистонының H3 және S4 гистоны H4).