Войти

Эпигенетика

02.09.2025
35 просмотров

Введение

Изображение 1: Эпигенетические модификации

Эпигенетика — это увлекательная область науки, изучающая, как наша окружающая среда и стиль жизни могут влиять на поведение наших генов. Хотя наша ДНК предоставляет генетическую основу для нашего тела, эпигенетика определяет, как эти основы интерпретируются и реализуются. Это динамическое взаимодействие между нашими генами и окружающей средой может влиять на все, от процесса старения до предрасположенности к определённым заболеваниям.

Что такое эпигенетика?

Эпигенетика изучает наследуемые и стабильные изменения в экспрессии генов, которые происходят за счет изменений в хромосоме, а не в последовательности ДНК. Они не изменяют непосредственно последовательность ДНК, но эпигенетические механизмы способны регулировать экспрессию генов через химические модификации оснований ДНК и изменения в структуре хромосом.[1]

Эпигенетика влияет на то, какие гены экспрессируются, и, следовательно, производят ли клетки соответствующие белки, например, определяя специализацию клетки, такую как клетки кожи, крови, волос, печени и т. д. Эти эффекты играют роль как в процессе развития плода через экспрессию генов (активную) или репрессию (пассивную), так и через условия воспитания, так как окружающая среда может включать или выключать гены.[2] Различные комбинации генов, которые включены или выключены, делают каждого из нас уникальным. Например, если у нас каштановые или черные волосы, насколько мы общительны, как устрица на вкус для нас. Кроме того, существует мнение, что некоторые эпигенетические изменения могут наследоваться.[2]

Изображение 1: демонстрирует изменения генома, которые регулируют активность генов без изменения последовательности ДНК.

Изображение 2- Эпигенетические механизмы

Эпигенетические механизмы

Изображение 3- Метилирование ДНК
Изображение 4: Гистоны
Изображение 5: ДНК обозначена химическими группами, похожими на флаги.

Эпигенетические изменения влияют на экспрессию генов различными способами. Типы эпигенетических изменений включают:

  • Метилирование ДНК: относится к химической реакции в организме, при которой маленькая молекула, называемая метильной группой, добавляется к ДНК, белкам или другим молекулам. Добавление метильных групп может влиять на то, как некоторые молекулы ведут себя в организме. В ДНК группа обычно добавляется в определённые места, блокируя белки, которые присоединяются к ДНК для "чтения" гена. Когда эта химическая группа убирается, процесс называется деметилированием. В большинстве случаев метилирование "отключает" гены, а деметилирование "включает" гены.
  • Модификация гистонов: ДНК оборачивается вокруг гистонов (белков). Если гистоны плотно обернуты вокруг ДНК, они не могут быть доступными для белков, "читающих" ген. Гены, обернутые вокруг гистонов, "выключены", а гены, которые не обернуты вокруг гистонов, "включены". Химические группы могут добавляться или удаляться из гистонов, изменяя, будет ген развёрнутым ("включен") или обернутым ("выключен").
  • Некодирующая РНК: ДНК определяет образование кодирующей и некодирующей РНК. Кодирующая РНК используется для синтеза белков. Некодирующая РНК помогает контролировать экспрессию генов, присоединяясь к кодирующей РНК вместе с определёнными белками, чтобы разрушить кодирующую РНК, так что она не может быть использована для синтеза белков. Некодирующая РНК также может привлекать белки, чтобы модифицировать гистоны, "включая" или "выключая" гены.[3]

Эпигенетика началась более 60 лет назад. В 1970-х годах она стала более заметной с появлением молекулярной биологии, а за последние 10–15 лет стала самостоятельной дисциплиной, дополняющей генетику. [4]

Изображение 4: показывает, как плохое материнское питание снижает экспрессию PDX1 через модификацию гистонов, влияя на развитие бета-клеток и риск диабета.

Изображение 5: объясняет, как ДНК несет эпигенетические метки, регулирующие активность генов; в опухолях чрезмерное метилирование CpG-островов (CIMP) может подавлять ключевые гены, защищающие от рака.

Для краткого объяснения смотрите это 5-минутное видео.

[5]

Эпигенетические часы и старение

Изображение 6 - Признаки старения

Старение — один из наиболее заметных эффектов эпигенетических изменений. Ученые обнаружили, что определенные эпигенетические модификации накапливаются с возрастом, влияя на функционирование наших клеток. Эти «эпигенетические часы» могут давать представление о биологическом возрасте, который может отличаться от хронологического.[6] Такие факторы, как диета, стресс, физические упражнения и воздействие окружающей среды, могут ускорять или замедлять эти часы, что иллюстрирует тесную связь между нашей средой и нашей генетической экспрессией.[7]

Недавние достижения привели к созданию сложных инструментов для измерения скорости биологического старения через эпигенетические маркеры. Одним из таких инструментов являются часы DunedinPACE[8], основанные на паттернах метилирования ДНК и предоставляющие оценку того, как быстро системы биологического организма стареют по сравнению с их хронологическим возрастом. Эти эпигенетические часы используются для оценки совокупного влияния таких факторов, как физическая активность, диета и стресс, на биологическое старение. Исследования показывают, что люди с более медленными показателями DunedinPACE обычно имеют лучшие общие показатели здоровья и более низкие риски возникновения возрастных заболеваний, таких как сердечно-сосудистые проблемы, диабет и когнитивные нарушения.

Эпигенетическое наследование: передача изменений следующим поколениям

Одним из интересных аспектов эпигенетики является ее потенциальная наследуемость. Эпигенетические изменения, вызванные образом жизни и факторами окружающей среды, иногда могут передаваться будущим поколениям[9]. Это означает, что выбор, который мы делаем сегодня, может повлиять не только на наше здоровье, но и на здоровье наших детей и внуков.[10]

По мере старения человека наибольшее влияние на эпигеном оказывает окружающая среда. Это включает диету, курение, физическую активность и психологический стресс[1]. Например, исследования показали, что пищевые привычки родителей могут влиять на эпигенетические маркеры у их потомства, формируя их здоровье и восприимчивость к заболеваниям.

Область нутриэпигеномики изучает, как пища и эпигенетика работают вместе, влияя на здоровье и благополучие. Иследования показывают, что некоторые соединения в потребляемых нами продуктах способны защищать от рака, изменяя метки метилирования на онкогенах или генах-супрессорах опухолей[2].

Эпигенетика и физические упражнения

Сейчас установлено, что физическая активность является важным «лекарством». Примеры роли физической активности в эпигенетике включают:

  • Пожизненная физическая активность связана с гипометилированием промотора генов, участвующих в метаболизме, миогенезе, контрактильных свойствах и устойчивости к оксидативному стрессу в пожилых человеческих скелетных мышцах[1]. Промоторные регионы — это области ДНК, где начинается транскрипция гена[2].
  • Физическая активность способна ослабить или обратить некоторые паттерны метилирования, связанные с диетой с высоким содержанием жира. Многие гены, которые дифференциально метилированы, участвуют в метаболических функциях, таких как регулирование окислительного метаболизма и транспорта глюкозы, что имеет очевидное значение для потомства.
  • Физические упражнения также были показаны как влияющие на когнитивное развитие, поскольку было обнаружено, что метилирование ДНК в гиппокампе ниже у потомства, занимающегося физической активностью. Это показывает, что эпигенетические межпоколенные результаты, по-видимому, соответствуют эпигенетическим изменениям у людей, регулярно занимающихся физическими упражнениями[3].
  • Исследования показывают, что острые и хронические упражнения вызывают ряд эпигенетических изменений у людей, занимающихся физической активностью. В человеческих скелетных мышцах как глобальное метилирование генома, так и метилирование промоторных регионов ключевых метаболических генов снизились после выполнения одной сессии велотренировок с интенсивностью 80% от VO2пика. Аналогично, три месяца регулярных одно-коленных упражнений показали изменения метилирования ДНК по всему геному, которые не наблюдались в нетренированной ноге[3].
  • Исследования показывают, что существует важная модуляция упражнений на эпигенетические механизмы, особенно на метилирование ДНК, особенно при регулярной физической активности[4].

Эпигенетика и профилактика заболеваний

В заключение, область эпигенетики предлагает перспективные возможности для углубления нашего понимания профилактики и лечения заболеваний. Эпигенетические модификации, подверженные влиянию факторов образа жизни и окружающей среды, хранят ключ к разработке новых терапевтических вмешательств. Исследования активно изучают, как лекарства и пищевые добавки могут изменять эпигенетические метки для борьбы с такими заболеваниями, как рак, болезнь Альцгеймера и метаболические расстройства. Среди этих факторов образа жизни физические упражнения выделяются как мощный модулятор эпигенетических изменений. Регулярная физическая активность была показана как улучшающая здоровье сердечно-сосудистую систему, когнитивную функцию и поддерживающая метаболический баланс, играя тем самым критически важную роль в профилактике заболеваний.[11] Интеграция физических упражнений в повседневную жизнь позволяет людям позитивно влиять на свой эпигенетический профиль и снижать риск различных заболеваний, подчеркивая значительное влияние выбора образа жизни на нашу генетическую экспрессию и общее благополучие.

Ссылки

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 Al Aboud NM, Tupper C, Jialal I. Генетика, эпигенетический механизм. Доступно по ссылке:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK532999/ (дата обращения 25.7.2022)
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 Ashe Alyson, Colot Vincent и Oldroyd Benjamin P. 2021Как эпигенетика влияет на ход эволюции?Phil. Trans. R. Soc. B37620200111
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 CDC Эпигенетика Доступно по ссылке:https://www.cdc.gov/genomics/disease/epigenetics.htm (дата обращения 26.7.2022)
  4. ↑ 4.0 4.1 W.W. Weber, в Comprehensive Medicinal Chemistry II, 2007 Доступно по ссылке:https://www.sciencedirect.com/referencework/9780080450445/comprehensive-medicinal-chemistry-ii (дата обращения 26.7.2022)
  5. ↑ Карлос Герреро-Босанья. Что такое эпигенетика. Доступно по ссылке: https://m.youtube.com/watch?v=_aAhcNjmvhc[дата последнего обращения 28/7/2022]
  6. ↑ Heyn H, Moran S, Esteller M. Эпигенетическое старение: больше, чем просто часы, когда дело касается рака. Cancer Res. 2017;77(19):5129-5133.
  7. ↑ Федор Галкин, Ольга Ковальчук, Диана Колдасбаева, Алекс Жаворонков, Эвелин Бишоф,Стресс, диета, упражнения: Общие факторы окружающей среды и их влияние на эпигенетический возраст, Ageing Research Reviews, Volume 88,2023,101956, ISSN 1568-1637, https://doi.org/10.1016/j.arr.2023.101956.
  8. ↑ Brooks A, Vanhoutte D, Edwards M, et al. Достижения в области эпигенетических биомаркеров старения: роль часов DunedinPACE. Mech Ageing Dev. 2023;207:111694.
  9. ↑ Штейн, А.Д. (2004-07-28). Воздействие на голодание в утробе и пропорции тела при рождении: голодная зима в Нидерландах. International Journal of Epidemiology. 33 (4): 831–836.
  10. ↑ Теренс YC Панг, Аннабель К Шорт, Тимоти В Бреди, Энтони Дж Ханнан, Отцовская трансмиссия приобретенных черт через поколения: индуцированная стрессом модификация регуляторного транскриптома сперматозоидов и фенотипов потомства, Current Opinion in Behavioral Sciences, Volume 14, 2017, Pages 140-147, ISSN 2352-1546, https://doi.org/10.1016/j.cobeha.2017.02.007.
  11. ↑ Гулин У, Синь Чжан, Фэн Гао, Эпигенетический ландшафт упражнений в сердечном здоровье и болезни, Journal of Sport and Health Science, Volume 10, Issue 6, 2021, Pages 648-659, ISSN 2095-2546, https://doi.org/10.1016/j.jshs.2020.12.003.