کروماتین و وراثت اپی‌ژنتیک

نشانه‌های شیمیایی روی DNA و پروتئین‌های هیستون که آن را بسته‌بندی می‌کنند، تعیین می‌کنند که آیا یک ژن قابل دسترس است یا خاموش شده است، و از آنجایی که این نشانه‌ها می‌توانند از طریق تقسیم سلولی کپی شوند، به حالت‌های بیان اجازه می‌دهند بدون تغییر توالی DNA به ارث برسند.

Definition

وراثت اپی‌ژنتیک مبتنی بر کروماتین، انتقال حالت‌های بیان ژن از طریق متیلاسیون DNA و تغییرات هیستون است که دسترسی کروماتین را تغییر می‌دهند و در طول تقسیم سلولی کپی می‌شوند، بدون هیچ تغییری در توالی DNA.

Scope

این موضوع متیلاسیون DNA و نقش آن در خاموش‌سازی پایدار، تغییرات کووالانسی دم هیستون‌ها و کروماتین باز یا بسته حاصل از آن، بازآرایی کروماتین وابسته به ATP، انتشار حالت‌های کروماتین از طریق همانندسازی DNA، و مفهوم وراثت اپی‌ژنتیک در نسل‌های سلولی و ارگانیسمی را پوشش می‌دهد. این موضوع به تنظیمات ارثی مبتنی بر کروماتین می‌پردازد؛ کنترل توالی‌خاص و میانجی‌گری RNA در موضوعات مجاور پوشش داده شده‌اند.

Core questions

• چگونه متیلاسیون DNA ژن‌ها را خاموش می‌کند و در طول همانندسازی پایدار می‌ماند؟
• چگونه تغییرات هیستون کروماتین را باز یا بسته می‌کنند تا دسترسی به ژن‌ها را کنترل کنند؟
• چگونه کمپلکس‌های بازآرایی کروماتین نوکلئوزوم‌ها را جابجا می‌کنند؟
• چگونه حالت‌های کروماتین کپی می‌شوند تا الگوهای بیان ژن به ارث برسند؟

Key concepts

• متیلاسیون DNA و خاموش‌سازی ژن
• تغییرات هیستون و کد هیستون
• یوکروماتین باز در مقابل هتروکروماتین بسته
• بازآرایی کروماتین وابسته به ATP
• وراثت‌پذیری حالت‌های کروماتین

Mechanisms

گروه‌های متیل اضافه شده به سیتوزین‌ها و انواع نشانه‌های شیمیایی روی دم هیستون‌ها، پروتئین‌هایی را جذب می‌کنند که یا کروماتین را به هتروکروماتین خاموش فشرده می‌کنند یا آن را باز و فعال نگه می‌دارند؛ کمپلکس‌های بازآرایی، نوکلئوزوم‌ها را جابجا یا حذف می‌کنند تا توالی‌های تنظیمی را آشکار سازند، و آنزیم‌های نگه‌دارنده، متیلاسیون و نشانه‌های هیستون را روی DNA تازه همانندسازی شده دوباره برقرار می‌کنند تا این حالت در سلول‌های دختری پایدار بماند.

Clinical relevance

متیلاسیون غیرطبیعی DNA و تغییرات هیستون از نشانه‌های سرطان و چندین سندرم تکوینی هستند، نشانه‌های اپی‌ژنتیک به عنوان بیومارکر عمل می‌کنند، و داروهایی که متیلاسیون و آنزیم‌های تغییردهنده هیستون را هدف قرار می‌دهند در انکولوژی استفاده می‌شوند؛ این حوزه در اینجا برای درک و نه برای راهنمایی بالینی ارائه شده است.

History

وادینگتون اصطلاح اپی‌ژنتیک را در دهه ۱۹۴۰ برای توصیف چگونگی ایجاد فنوتیپ از ژنوتیپ معرفی کرد؛ دوران مولکولی با شناسایی متیلاسیون DNA به عنوان یک نشانه خاموش‌کننده آغاز شد و با کشف آنزیم‌های تغییردهنده هیستون در حدود سال ۲۰۰۰ تسریع یافت، که کروماتین را به عنوان یک لایه ارثی از تنظیم تثبیت کرد.

Debates

وراثت اپی‌ژنتیک بین نسلی در پستانداران

اینکه آیا نشانه‌های اپی‌ژنتیک می‌توانند در پستانداران بین نسل‌ها منتقل شوند تا بر فنوتیپ‌های فرزندان تأثیر بگذارند، همچنان مورد بحث است، زیرا بیشتر نشانه‌ها در رده زاینده بازنشانی می‌شوند و شواهد واضح در انسان محدود است، حتی اگر چنین وراثتی در گیاهان و برخی حیوانات به خوبی مستند شده باشد.

Key figures

• Conrad Waddington
• C. David Allis
• Adrian Bird

Seminal works

• allis2007

Frequently asked questions

چگونه بیان ژن می‌تواند بدون تغییر DNA به ارث برسد؟

نشانه‌هایی مانند متیلاسیون DNA و تغییرات هیستون روی DNA و پروتئین‌های بسته‌بندی آن قرار می‌گیرند؛ آنزیم‌های تخصصی این نشانه‌ها را پس از همانندسازی روی DNA جدید کپی می‌کنند، بنابراین سلول‌های دختری همان حالت روشن یا خاموش هر ژن را به ارث می‌برند.

تفاوت بین یوکروماتین و هتروکروماتین چیست؟

یوکروماتین به صورت آزاد بسته‌بندی شده و معمولاً برای ماشین‌آلات رونویسی قابل دسترس است، بنابراین ژن‌های آن می‌توانند بیان شوند، در حالی که هتروکروماتین به صورت متراکم بسته‌بندی شده و معمولاً خاموش است؛ نشانه‌های اپی‌ژنتیک به تعیین اینکه کدام مناطق کدام حالت را اتخاذ کنند، کمک می‌کنند.