Экологическая и трансгенерационная эпигенетика

Экологическая и трансгенерационная эпигенетика — это область эпигенетики, изучающая, как внешние и внутренние сигналы окружающей среды (питание, стресс, токсиканты и другие воздействия) оставляют наследуемые молекулярные метки на геноме без изменения последовательности ДНК, а также могут ли и как такие метки сохраняться в течение жизни индивида или передаваться через клеточные деления и поколения. Она связывает классический молекулярный аппарат эпигенетики (метилирование ДНК, модификация гистонов, некодирующие РНК) с вопросами развития, риска заболеваний, старения и наследования.

Definition

Экологическая и трансгенерационная эпигенетика — это исследование чувствительных к окружающей среде, митотически (а иногда и мейотически) наследуемых изменений в регуляции генов, которые происходят без изменений в основной последовательности ДНК, а также их последствий для развития, заболеваний и старения.

Scope

Эта область ориентирует читателя по четырем взаимосвязанным темам: как эпигеном пластично реагирует на окружающую среду; могут ли экологически индуцированные метки наследоваться через поколения; как условия раннего развития и пренатального периода программируют последующее здоровье (концепция онтогенетического происхождения); и как кумулятивные эпигенетические изменения отслеживают биологическое старение. Это справочный обзор концепций и доказательств, а не клиническое руководство, и он намеренно различает хорошо установленные механизмы и оспариваемые утверждения.

Sub-topics

• Экологическая эпигенетическая пластичность
• Эпигенетическое старение и эпигенетические часы
• Фетальное программирование и DOHaD
• Трансгенерационное эпигенетическое наследование

Core questions

• Как воздействия окружающей среды изменяют эпигеном и насколько стабильны эти изменения?
• Могут ли экологически индуцированные эпигенетические метки передаваться потомству, и при каких доказательных стандартах это утверждение является обоснованным?
• Как пренатальные условия и условия раннего развития программируют риск заболеваний во взрослом возрасте?
• Как эпигеном изменяется с возрастом, и можно ли измерить эти изменения?

Key concepts

• Эпигенетическая пластичность
• Метилирование ДНК, модификация гистонов и некодирующие РНК
• Программирование развития
• Трансгенерационное против межгенерационного наследования
• Эпигенетическое перепрограммирование и барьер зародышевой линии
• Эпигенетический возраст и часы старения
• Взаимодействие генов и окружающей среды

Mechanisms

Общим молекулярным субстратом в этой области является эпигеном: метилирование ДНК, ковалентные модификации гистонов, ремоделирование хроматина и некодирующие РНК, которые регулируют экспрессию генов без изменения последовательности (Jaenisch & Bird, 2003). Сигналы окружающей среды трансдуцируются на эти метки, вызывая контекстно-зависимые изменения в транскрипции (Feil & Fraga, 2012). Две волны эпигенетического перепрограммирования всего генома — в зародышевой линии и раннем эмбрионе — обычно стирают большинство меток, поэтому истинная передача экологически индуцированной метки через поколения требует, чтобы эта метка избежала перепрограммирования, что является сложным механистическим барьером (Cavalli & Heard, 2019).

Clinical relevance

Понимание того, как окружающая среда формирует эпигеном, помогает объяснить популяционные закономерности риска заболеваний и долгосрочное влияние условий раннего развития на здоровье взрослых (Gluckman et al., 2008). Эта область предоставляет концептуальную основу для интерпретации эпигенетических биомаркеров и исследований воздействия; она описывает механизмы и доказательства и не является основой для индивидуальной диагностики или лечения.

Epidemiology

Экологические эпигенетические эффекты изучаются в контексте питания, пренатального голода и стресса, эндокринных разрушителей, курения и загрязнения воздуха, при этом данные по человеку в значительной степени получены из обсервационных и когортных исследований, а данные по животным — из контролируемых экспериментов по воздействию (Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019). Сила доказательств резко варьируется в зависимости от темы — наиболее сильные для внутрижизненной пластичности и программирования развития, и наиболее оспариваемые для многопоколенного наследования у человека.

History

Идея о том, что окружающая среда оставляет долгосрочные биологические отпечатки, предшествует молекулярной эпигенетике, но современный синтез возник после того, как стало возможным измерять метилирование ДНК и метки хроматина. Формулировка Яениша и Бёрда, определяющая эпигеном как интегратор внутренних и внешних сигналов (2003), консолидировала область, а последующие обзоры связали экологическую эпигенетику с заболеваниями и дебатами о наследуемости (Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019).

Debates

Насколько надежно трансгенерационное эпигенетическое наследование у млекопитающих?

Поскольку перепрограммирование зародышевой линии и эмбриона стирает большинство меток, утверждения о том, что экологически приобретенные эпигенетические состояния наследуются через несколько поколений у млекопитающих, остаются спорными, и многие сообщаемые данные по человеку не могут исключить общую среду или генетическое смешение.

Key figures

• Rudolf Jaenisch
• Adrian Bird
• Robert Feil
• Giacomo Cavalli
• Edith Heard
• Peter Gluckman

Seminal works

• jaenisch-bird-2003
• feil-fraga-2012
• cavalli-heard-2019

Frequently asked questions

В чем разница между межгенерационными и трансгенерационными эпигенетическими эффектами?

Межгенерационные эффекты могут быть объяснены прямым воздействием на потомство или его зародышевую линию (например, беременная женщина, плод и зародышевые клетки плода подвергаются воздействию одновременно). Истинное трансгенерационное наследование требует, чтобы эффект сохранялся в поколениях, которые никогда не подвергались прямому воздействию, что является гораздо более сильным и требовательным утверждением.

Означает ли экологическая эпигенетика, что опыт меняет нашу ДНК?

Нет. Сигналы окружающей среды могут изменять эпигенетические метки, наложенные поверх ДНК — такие как метилирование и состояние хроматина — которые регулируют активность генов, но они не изменяют саму последовательность ДНК.