science >> Wetenschap >  >> Biologie

Hoe epigenetica werkt

Als tweelingen dezelfde set genen erven, hoe kunnen ze zo verschillend zijn? A.B./Photonica/Getty Images

Tenzij je toevallig een identieke broer of zus hebt of een paar kent, de kans is groot dat je kennis van tweelingen deels gebaseerd is op fictie. Ze zijn overal in sub, pulp en populaire cultuur, en het is moeilijk om de artiesten de schuld te geven dat ze ze in beeld hebben gesleept. Ten slotte, voor een soort geobsedeerd door identiteit, is er een verleidelijker raadsel dan over een tafel naar een fysiek duplicaat van jezelf te kijken?

Als je zelfs maar een paar fictieve afbeeldingen van een tweeling hebt gezien, je hebt waarschijnlijk gemerkt dat de presentatie de neiging heeft om naar het ene uiterste of het andere te neigen. Ofwel lijken de tweelingen griezelig op elkaar (zoals de kleine meisjes in "The Shining") of opmerkelijk verschillend (zoals de dominante en onderdanige tweeling-gynaecologen in "Dead Ringers"). Als twee mensen zo op elkaar lijken, de dingen die ze anders maken zijn net zo verwarrend als die waardoor ze gelijk zijn.

DNA speelt een centrale rol in moderne opvattingen over identiteit, maar naarmate ons begrip van genetische wetenschap verbetert, dat geldt ook voor ons begrip van wat ons maakt tot wie we zijn. Mensen zijn al lang bezig met een debat over natuur versus opvoeding, een dilemma met ondertonen van lot versus vrije wil. Ben jij de persoon die je bent omdat je zo geboren bent of vanwege de wereld waarin je bent opgegroeid?

Blijkbaar, als een identieke tweeling opgroeit in de sloppenwijken van het kasteel en de andere opgroeit in het paleis van de koning, ze kunnen zich ontwikkelen tot nogal verschillende mensen, hoe gelijk hun genen ook zijn. Het veld van epigenetica voegt nieuwe brandstof toe aan dit probleem door licht te werpen op hoe milieu, voeding en sociale omstandigheden beïnvloeden hoe genen tot expressie worden gebracht. Werd de tweeling in het paleis opgevoed door een gewelddadige stiefmoeder? Had de tweeling in de sloppenwijken te kampen met een huis vol pijprook? Eet de een pap terwijl de ander zich tegoed doet aan vette toetjes? Deze factoren kunnen epigenetische veranderingen veroorzaken die veranderen hoe de genen van elke tweeling tot expressie worden gebracht. Zelfs een verschil in dieet kan de ene tweeling het risico op kanker geven en de andere onbeschermd achterlaten.

In dit artikel, we zullen onderzoeken hoe dit fascinerende gebied van genetica werkt, hoe epigenetische veranderingen ons leven beïnvloeden en wat de toekomst kan brengen.

Inhoud
  1. Methylering:van genoom tot fenotype
  2. De epigenetische draai aan natuur versus opvoeding
  3. De genetische schakelaar omdraaien:epigenetische factoren
  4. De toekomst van epigenetica

Methylering:van genoom tot fenotype

DNA kan een genetisch plan voor u opleveren, maar verschillende factoren beïnvloeden hoe dat plan zal worden uitgedrukt. 3D4Medical.com/3D4Medical.com/Getty Images

Heb je ooit een vluchtsimulator-videogame gespeeld? De game heeft mogelijk verschillende realisme-instellingen geboden waarmee gamers kunnen kiezen hoe "echt" hun game-ervaring zal zijn. Vaak, je kunt botsingen in de lucht in- en uitschakelen, of beslis of je geen munitie of benzine meer hebt. De standaardinstellingen kunnen ergens tussen pure simulator en arcade shoot-'em-up vallen, maar het spel heeft het potentieel om realistischer te zijn, afhankelijk van of u de juiste opties aanzet.

Zoals het blijkt, onze genen werken op een zeer vergelijkbare manier. Als ons verzameld genetisch materiaal (of genoom) dient als ons programma, onze game-ervaring is onze fenotype , waarneembare kenmerken van een organisme. Een groot aantal factoren, beurtelings, veroorzaakt de epigenetische processen die verschillende genen aan- en uitzetten.

Wetenschappers bedachten voor het eerst de term "epigenetisch" (wat letterlijk "boven het genoom" betekent) in de jaren 1940 als een manier om veranderingen te classificeren die zich hebben voorgedaan tussen genoom en fenotype. Bijvoorbeeld, waarom zou slechts één identieke tweeling kanker krijgen en niet beide? In een zoektocht om te begrijpen wat er gebeurde, wetenschappers keken nader naar de relatie tussen DNA en cellulaire ontwikkeling.

DNA bevindt zich in de kern van een cel, een masterprogramma in het middelpunt van elk klein stukje dat ons maakt tot wie we zijn. Enzymen hechten koolstof- en waterstofbundels (CH 3 ) genoemd methylgroepen naar het DNA, vaak in de buurt van het begin van een gen - dezelfde plaats waar eiwitten zich hechten om het gen te activeren. Als het eiwit niet kan hechten vanwege een blokkerende methylgroep, dan blijft het gen meestal uit. Wetenschappers noemen dit specifieke epigenetische proces methylering . De opstelling van deze bundels kan in de loop van je leven drastisch veranderen, maar kan ook permanent vastzetten tijdens de embryonale ontwikkeling. Het hangt allemaal af van de verschillende factoren die de verdeling van methylgroepen kunnen beïnvloeden.

Terwijl epigenetische wetenschappers het grootste deel van hun onderzoek aan methylering hebben gewijd, ze hebben veel verschillende soorten epigenetische processen geïdentificeerd. chromatine modificatie komt sterk voor bij deze processen. Binnen de kern, DNA kronkelt rond bundels van histon eiwitten om te vormen chromatine , die op hun beurt chromosomen vormen. Verander de structuur van het chromatine en je verandert de genexpressie. Verschillende chemische groepen bereiken dit doel door zich aan de histonen te hechten.

Hoe beïnvloedt dit alles het nature versus nurture debat? Ontdek het op de volgende pagina.

Poets DNA op

Ben je een beetje vaag over genetisch onderzoek? Laten we het allemaal voor je opsplitsen in Hoe DNA werkt en hoe cellen werken.

De epigenetische draai aan natuur versus opvoeding

Zijn we verslaafd aan onze genen die we van onze ouders krijgen, of kunnen we loskomen met epigenetische verandering? Hauke ​​Dressler/LOOK/Getty Images

Het is rust in de grote play-off nature versus nurture. Laten we de score aflopen. Het feit dat we voor een groot deel gebaseerd zijn op de genen die we van onze ouders erven, is zeker een punt voor de natuur, maar het feit dat ons dagelijks leven epigenetische veranderingen kan beïnvloeden, zet iemand zeker op het bord voor opvoeding. interessant, het volgende kleine feit verbreekt de band niet - het scoort een punt voor beide partijen. Op basis van wat we nu weten, het lijkt erop dat op zijn minst enkele epigenetische veranderingen erfelijk zijn.

Ga even terug naar de videogame-analogie. Je ouders geven niet alleen het centrale programma aan jou door, maar enkele van de daadwerkelijke spelinstellingen die ze gebruikten. Sommige chromatine-modificaties worden overgebracht naar nieuw gesynthetiseerd DNA en eiwitten. Zoals je je misschien kunt voorstellen, het vooruitzicht van erfelijke epigenetische veranderingen heeft een enorme impact op ons begrip van evolutie. Wetenschappers hebben zelfs theorieën die ze eerder in diskrediet hadden gebracht, opnieuw geëvalueerd, zoals die van de 18e-eeuwse wetenschapper Jean-Baptiste Lamarck. Hoewel recente bevindingen de theorie van Lamarck dat de nek van giraffen langwerpig werd in de loop van generaties die naar voedsel grijpen, niet volledig ondersteunen, een deel van het bewijs is zeker Lamarckiaans.

Neem bijvoorbeeld de watervlo. In een omgeving met veel roofdieren, de wezens worden groot, defensieve stekels - een eigenschap die hun nakomelingen ook ontwikkelen, zelfs als ze in een roofdiervrije omgeving zijn grootgebracht. Dit proces heet transgenerationele epigenetische overerving . Mensen hoeven misschien niet te kampen met groeiende defensieve stekels omdat vader zich bedreigd voelde, maar studies hebben aangetoond dat verschillende gedrags- en gezondheidsproblemen te wijten zijn aan erfelijke epigenetische veranderingen.

Epigenetische veranderingen maken het ook mogelijk stamcellen uitgroeien tot gespecialiseerde cellen, zoals die in de hersenen worden gevonden. Hoewel organismen afhankelijk zijn van dit vitale proces, epigenetische veranderingen dragen ook bij aan ziekten. In sommige gevallen, het gen of de genen die zijn ingeschakeld, zijn die geassocieerd met slopende ziekten, zoals Angelman-syndroom . In andere gevallen, epigenetische veranderingen schakelen een heel belangrijk gen uit. Om het voorbeeld van een videogame opnieuw te gebruiken, er is een bepaalde reeks instellingen die goed werken voor een organisme, maar het inschakelen van te weinig of te veel opties kan leiden tot een zeer onbevredigende speelervaring. Wetenschappers denken zelfs dat zowel de afname als de toename van methylering (chemische bundels die enzymen aan DNA hechten) kunnen kanker veroorzaken, door te veel groeibevorderende genen aan te zetten of tumoronderdrukkende genen uit te zetten.

Wat voor soort factoren zetten deze epigenetische schakelaars om? Ontdek het op de volgende pagina.

De genetische schakelaar omdraaien:epigenetische factoren

Hoeveel staat er op het spel bij uw voedingskeuzes? Misschien meer dan je denkt, gezien de voedingsfactoren die betrokken zijn bij epigenetische verandering. Influx Productions/De Beeldbank/Getty Images

Hoe meer je kijkt naar epigenetica, hoe meer het lijkt alsof ons leven niet meer is dan een checklist van verschillende genen die aan of uit kunnen worden gezet. Wil je niet zo snel ouder worden? Klik hier. Zorg voor een beetje obesitas? Markeer gewoon "ja" of "nee" met een nr. 2 potlood. Natuurlijk, de kicker is dat we nog steeds proberen te achterhalen welke factoren leiden tot welke antwoorden op de genetische Scantron-bladen die ons leven bepalen.

epigenetische veranderingen, zoals zoveel van onze vitale processen, vallen op ons lichaam om mee om te gaan. Denk maar eens terug aan de laatste keer dat je het avondeten verbrandde of de verkeerde sokken droeg naar je werk. Wil je echt directe controle over je hartslag of hoe je genen tot uiting komen? Nee, dus je lichaam reageert op je omgeving en regelt dit allemaal voor je. In de tussentijd, je hersenen (dat wil zeggen, u) zich bezighoudt met essentiële probleemoplossende taken als voedsel verzamelen, fokken en onthouden om het strijkijzer uit te zetten. In onze vrije tijd, echter, we hebben veel moeite gedaan om erachter te komen hoe ons lichaam doet wat het doet. Als zodanig, we hebben al ontdekt hoe sommige factoren epigenetische veranderingen veroorzaken.

Voeding :Zoals het gezegde gaat, je bent wat je eet. Onderzoek heeft aangetoond dat voedseltekorten of -overschotten tijdens de kindertijd epigenetische veranderingen kunnen veroorzaken die leiden tot diabetes, obesitas en vroege puberteit. Aanpassingen die tijdens een tijd van hongersnood zinvol waren, kunnen vervolgens worden overgedragen op kinderen en kleinkinderen die in een tijd van overvloed leven. Genen worden epigenetisch ingesteld om met ongunstige omstandigheden om te gaan en worden vervolgens doorgegeven aan nakomelingen die van comfortabelere omstandigheden kunnen genieten. Experimenten hebben ook aangetoond hoe voedingsmiddelen epigenetische veranderingen in de baarmoeder kunnen veroorzaken. Wetenschappers hebben de vachtkleur beïnvloed en obesitas bij muizen afgeschrikt door de moeder een sojarijk dieet te geven, die de methylering verandert [bron:Ray].

ouderschap: Het gebied van epigenetica blijft licht werpen op het belang van ouderlijke zorg voor de geestelijke gezondheid. Experimenten hebben ontdekt dat moederratten die hun pups niet vaak verzorgen en verzorgen, angstige nakomelingen grootbrengen. Dit slechte ouderschap verandert eigenlijk genen die de productie van stresshormonen regelen. Dit is de manier van de natuur om jongeren voor te bereiden op een potentieel gevaarlijke omgeving. In mensen, wetenschappers hebben methylatieveranderingen waargenomen in de hersenen van zelfmoordslachtoffers. Gebieden van de zeepaardje , een deel van de hersenen dat de stemming kan beïnvloeden, bevatte genen die waren uitgeschakeld. Naar schatting een op de vijf zelfmoordslachtoffers kreeg te maken met kindermishandeling, vooraanstaande experts om een ​​mogelijke correlatie tussen stressvolle opvoeding en epigenetische verandering te overwegen [bron:Economist].

Onderzoek blijft verbanden blootleggen tussen epigenetische verandering en verschillende factoren in onze omgeving en voeding. Hoe kunnen we profiteren van deze kennis? Ontdek het op de volgende pagina.

vaders, Cocaïne en fungicide

Moeders zijn niet de enigen die epigenetische veranderingen doorgeven aan nakomelingen. Experimenten met ratten hebben aangetoond dat het gewasfungicide vinclozolin vatbaar kan zijn voor kanker en nierafwijkingen, die beide kunnen worden overgedragen aan nakomelingen door methyleringsveranderingen. In een soortgelijk medisch experiment, onderzoekers ontdekten dat cocaïnegebruikende muizen geheugenproblemen doorgaven aan drie generaties nakomelingen dankzij epigenetische veranderingen.

De toekomst van epigenetica

Een wetenschappelijk onderzoeker haalt het RNA uit embryonale stamcellen in een laboratorium, aan het onderzoekscentrum voor het menselijk genoom van de Universiteit van Sao Paulo in Brazilië. Mauricio Lima/AFP/Getty Images

Naarmate de kennis van het epigenoom groeit, we blijven meer leren over hoe de stoffen die we consumeren en de sociale situaties waarin we ons bevinden de manier beïnvloeden waarop onze genen tot expressie worden gebracht. Wetenschappers zijn al bezig met het heroverwegen van de manier waarop organismen evolueren en hoe eigenschappen worden doorgegeven van ouder op nageslacht. Maar op welk punt zal deze kennis onze manier van leven gaan veranderen? Wanneer kunnen we een pil nemen en de juiste combinatie van genen blokkeren of deblokkeren om onze kwaliteit van leven te verbeteren?

Hoewel het uitschakelen van veroudering en het verfijnen van het menselijk genoom behoorlijk ontzagwekkende mogelijkheden zijn, epigenetici zijn veel meer geïnteresseerd in het ontdekken van manieren om epigenetische ziekten te behandelen. Aangezien sommige vormen van kanker optreden als gevolg van de deactivering van tumoronderdrukkende genen, onderzoekers hebben gewerkt aan de ontwikkeling van medicijnen die ze reactiveren. Het medicijn azacitidine, bijvoorbeeld, behandelt leukemie op deze manier. Precies de juiste delen van het epigenoom vinden om te behandelen, echter, kan zijn als het zoeken naar een speld in een hooiberg. En zodra onderzoekers de gebieden hebben gevonden die ze willen beïnvloeden, epigenetische medicijnen zijn niet zo specifiek. Ze slagen er misschien in om de genen die ze wilden behandelen te blokkeren of te deblokkeren, maar beïnvloeden ook andere genen, resulterend in potentieel gevaarlijke bijwerkingen.

Na de voltooiing van het Human Genome Project, de Menselijk epigenoomproject streeft er momenteel naar om de omvang van veranderingen die kunnen optreden tussen genoom en fenotype in kaart te brengen. Eenmaal klaar, echter, een epigenomische kaart kan ook nuttig zijn om te bepalen welke individuen risico lopen op bepaalde ziekten en om het soort levensstijlveranderingen aan te moedigen die kunnen voorkomen dat de verkeerde genen worden in- of uitgeschakeld.

Er staan ​​meer dan toekomstige medicijnen op het spel, echter. Epigenetische ontdekkingen dwingen artsen ook om bestaande medicijnen opnieuw te onderzoeken. Zelfs azacitidine, het eerste door de FDA goedgekeurde epigenomische medicijn, werd eerder gebruikt om beenmergstamcelaandoeningen te behandelen. Pas na de ontdekking van de epigenetische effecten ervan onderzochten artsen het gebruik ervan op andere gebieden.

Stamcellen zijn ook van groot belang voor epigenetici. Door de epigenetische veranderingen te bestuderen die bepalen hoe cellen zich ontwikkelen, het kan uiteindelijk mogelijk worden om te dicteren tot welk weefseltype een stamcel zich zal ontwikkelen. Voor meer informatie over de gevolgen hiervan, lees Hoe stamcellen werken.

Ondertussen, hoe meer we weten over epigenetische veranderingen, hoe meer we ons de correlatie tussen onze acties realiseren en, niet alleen ons eigen leven, maar het leven van onze kinderen. Terwijl we een andere genetische laag afpellen om erachter te komen wie we zijn, welke andere mysteries wachten ons?

Volg de links op de volgende pagina voor nog meer informatie over DNA.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Wat is het Human Epigenome Project?
  • Hoe kanker werkt
  • Hoe cellen werken
  • Hoe designerkinderen zullen werken
  • Hoe DNA werkt
  • Hoe stamcellen werken
  • Zou het hebben van een eigen kloon hetzelfde zijn als het hebben van een identieke tweeling?

Meer geweldige links

  • Het Human Epigenome Consortium

bronnen

  • Bhattacharya, Shaoni. "Menselijk gen aan/uit schakelaars om in kaart te brengen." Nieuwe wetenschapper. Oktober 2003. (3 okt. 2008) http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn4241
  • Bradbury, Jane. "Human Epigenome Project - in gebruik." PLoS Biologie. 22 december 2003. (3 oktober, 2008) http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0000082&ct=1
  • Brownlee, Dopen. "Nurture staat in de schijnwerpers." Wetenschap nieuws. 24 juni 2006. (3 okt. 2008) http://www.thefreelibrary.com/Nurture+takes+the+spotlight:+decoding+the+environment's+role+in...-a0148858116
  • "Epigenetica." Britannica Online Encyclopedie. 2008. (3 okt. 2008) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1372811/epigenetics
  • Keim, Brandon. "Oef! Je DNA is niet je lot." Bedrade. 16 aug. 2005. (3 okt. 2008) http://www.wired.com/medtech/health/news/2005/08/68468
  • Straal, Mat. "Epigenetica." Milieugezondheidsperspectieven. maart 2006. (3 okt. 2008) http://www.ehponline.org/docs/2006/114-3/toc.html
  • "Het tot zwijgen brengen van de lammeren." De econoom. 10 mei 2008. (3 okt. 2008) http://www.economist.com/science/displaystory.cfm?story_id=11326195
  • Waden, Nicolaas. "Verschillen in tweelingen verklaren." De New York Times. 5 juli 2005. (3 okt. 2008) http://www.nytimes.com/2005/07/05/health/05gene.html
  • Jong, Emma. "Darwin herschrijven:de nieuwe niet-genetische erfenis." Nieuwe wetenschapper. 12 juli 2008. (3 okt. 2008) http://www.science.org.au/nova/newscientist/098ns_003.htm