Gēnu apklusināšana — epigenētika: DNS metilācija, histonu modifikācijas, RNAi

Uzzini, kā epigenētika — DNS metilācija, histonu modifikācijas un RNAi — kontrolē gēnu apklusināšanu, attīstību un aizsardzību pret transpozoniem.

Gēnu apklusināšana ir vispārīgs termins, ar ko apzīmē gēnu regulācijas epigenētiskos procesus. To lieto, lai aprakstītu gēna "izslēgšanu", izmantojot mehānismu, kas nav gēnu inženierija. Tas nozīmē, ka gēnu, kas normālos apstākļos būtu izteikts ("ieslēgts"), izslēdz šūnas mehānisms. Ja gēns tiek izslēgts, tas nozīmē, ka tā RNS nespēj veidot olbaltumvielu.

Gēni tiek regulēti vai nu transkripcijas stadijā, vai vēlāk, pirms tulkošanas.

Transkripcijas gēnu apklusināšana notiek ar histonu modifikācijām, kas ap gēnu izveido heterohromatīnu. Tas nozīmē, ka transkripcijas mehānisms (RNS polimerāze, transkripcijas faktori utt.) nevar piekļūt gēnam. Gēnus var apklusināt ar DNS metilēšanu. Tas notiek regulāri attīstības laikā, kad gēni tiek ieslēgti un izslēgti dažādos attīstības posmos.

Posttranskripcijas gēnu apklusināšana notiek, bloķējot vai iznīcinot konkrētā gēna mRNS. MRNS iznīcināšana novērš translāciju, lai veidotos aktīvs gēna produkts (vairumā gadījumu - olbaltumviela). Bieži sastopamais veids, kā mRNS tiek apklusināta, ir RNNAi.

Lai regulētu gēnus, tiek izmantota gan transkripcijas, gan post-transkripcijas gēnu slāpēšana. Gēnu slāpēšanas metodes arī aizsargā organisma genomu no transpozoniem un vīrusiem. Tādējādi gēnu slāpēšana var būt daļa no senās imūnsistēmas, kas aizsargā šūnas no šādas infekciozas DNS un RNS.

Galvenie mehānismi

Gēnu apklusināšana notiek galvenokārt trīs līmeņos: DNS metilācija, histonu modificēšana un RNS bāzēta slāpēšana. Katrs mehānisms var darboties atsevišķi vai savstarpēji mijiedarboties, lai nodrošinātu spēcīgu un ilgstošu gēnu izslēgšanu.

DNS metilācija

• DNS metilācija ietver metilgrupu (-CH3) pievienošanu citosīna bāzei, biežāk pie CpG dinukleotīdiem. Metilēti promotori parasti kavē transkripciju.
• To veic DNS metiltransferāzes (piem., DNMT1, DNMT3A, DNMT3B), savukārt demetilāciju veicina TET proteīni un citi enzimātiskie ceļi.
• DNS metilācija ir svarīga šūnu diferenciācijai, ģenētiskajai imprintēšanai un X hromosomas inaktivācijai sievietēm.

Histonu modifikācijas un hromatīna struktūra

• Histonu loks (histonu astoņi) var tikt modificēts ar acetilāciju, metilāciju, fosforilāciju, ubikvitināciju u.c. Šīs modifikācijas maina hromatīna blīvumu un pieejamību transkripcijas aparātam.
• Represijas markeri piemēram H3K9me3 un H3K27me3 parasti saistās ar heterohromatīnu, kamēr aktivācijas marķieri H3K4me3 un H3K27ac norāda uz atvērtu, transkribējamu hromatīnu.
• Histonu acetiltransferāzes (HAT) un histonu deacetilāzes (HDAC) regulē acetilācijas līmeni; histonu metiltransferāzes un demetāzes regulē metilācijas stāvokli.

RNS bāzēta slāpēšana (RNAi un citi mazi RNS)

Posttranskripcijas mehānismos mazas nedzīstošas RNS molekulas var mērķēt mRNS un novērst tās translāciju vai veicināt tās degradāciju. Biežāk sastopamie mazo RNS veidi ir:

• miRNA — endogēnas mikroRNS, kas regulē gēnu ekspresiju, saistoties ar mērķa mRNS 3' UTR un inhibējot translāciju vai veicinot degradāciju.
• siRNA — īsas dubultsaites RNS, kas aktivizē RISC kompleksu un vada mērķa mRNS šķelšanu.
• piRNA — īpaši svarīgas germinālajās šūnās, kur tās palīdz slēgt transpononus.

RNS bāzētā slāpēšana ir arī svarīgs aizsardzības mehānisms pret vīrusiem un genomiskām mobilajām elementu formām.

Bioloģiskā nozīme

• Attīstībā epigenētiskie mehānismi nodrošina šūnu identitāti — vienas sugas šūnas aktīvo gēnu komplekts atšķiras no citas, neraugoties uz to pašu DNS secību.
• X hromosomas inaktivācija sievietēm nodrošina dzimumu līdzsvaru, izmantojot plašu DNA metilāciju un histonu modifikācijas uz vienas X hromosomas.
• Gēnu imprintēšana (vecāku atkarīga ekspresija) tiek panākta ar epigenētiskām zīmēm, kas tiek nodotas paaudžu laikā.

Saistība ar slimībām

Epigenētiskas izmaiņas bieži sastopamas slimībās:

• Vēzis — tumoros bieži novēro promoteru hipermetilāciju tumoru supresoru gēniem vai globālu hipometilāciju, kas veicina genomiskā stabilitātes zudumu.
• Neirodeģeneratīvas un psihozes slimības — epigenētiskās izmaiņas var mainīt neirotransmiteru sistēmas un neironu plastiskumu.
• Ģenētiskas epigenētiskas slimības — piemēram, imprintēšanas defekti un noteiktas iedzimtas sindromu grupas.

Pētīšanas metodes un diagnostika

• Bisulfīta sekvencēšana (bisulfite sequencing) ļauj kartēt DNS metilāciju līmeni pamata līmenī.
• ChIP-seq (Chromatin Immunoprecipitation sequencing) identificē histonu modifikācijas un transkripcijas faktoru mērķus genomā.
• RNA-seq un mazo RNS sekvencēšana ļauj noteikt, kuri gēni un mazie RNS ir izteikti vai slāpēti.
• CRISPR-bāzēti instrumenti (piem., CRISPRi, CRISPR-dCas9 piesaistot epigenētiskos efektorus) ļauj selektīvi modificēt gēnu ekspresiju bez DNS secības izmaiņām.

Terapijas un manipulācijas

Epigenētika ir arī terapijas mērķis:

• DNMT inhibitori (piem., azacitidīns) un HDAC inhibitori tiek izmantoti noteiktu vēža formu ārstēšanā, lai atjaunotu normālu gēnu ekspresiju.
• Jaunas pieejas ietver specifisku epigenētisko modifikāciju mērķēšanu ar CRISPR-dCas9 sistēmām un mazo RNS terapijām (miRNA/siRNA).

Epigenētiskā plasticitāte un mantotība

Epigenētiskās zīmes var būt gan stabilas, gan mainīgas. Dažas zīmes tiek saglabātas pārmantošanas laikā (piem., imprintēšana), bet citas var mainīties atkarībā no vides faktoriem (diēta, stress, toksīni). Tas nozīmē, ka gēnu apklusināšana ir dinamisks process ar nozīmīgu lomu gan veselībā, gan slimībā.

Īsumā: gēnu apklusināšana ir daudzslāņains regulācijas tīkls, kas ietver DNS metilāciju, histonu modificēšanu un RNS bāzētu slāpēšanu. Sapratne par šiem mehānismiem ir svarīga gan pamata bioloģijā, gan klīniskajā praksē, jo tā atver iespējas diagnostikai un mērķtiecīgām terapijām.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gēnu slāpēšana?

J: Kā darbojas transkripcijas gēnu apklusināšana?

J: Kā notiek gēnu slāpēšana pēc transkripcijas?

J: Kādas ir dažas metodes, ko izmanto gēnu regulēšanai?

J: Kādam nolūkam kalpo gēnu slāpēšana?

J: Vai gēnu slāpēšanā ir iesaistīta DNS metilēšana?

Meklēt pēc burta