การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเอพิเจเนติกผ่านการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเอพิเจเนติกผ่านการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส คือการส่งผ่านสถานะการแสดงออกของยีนและการจัดเรียงโครมาตินจากเซลล์แม่ไปยังเซลล์ลูกสองเซลล์ในการแบ่งเซลล์ร่างกายแต่ละครั้ง เป็นพื้นฐานของอัตลักษณ์ของเซลล์ที่มั่นคง: เมื่อเซลล์แบ่งตัว เซลล์ลูกหลานไม่เพียงแต่ได้รับจีโนมเท่านั้น แต่ยังได้รับความทรงจำว่ายีนใดเปิดและปิดอยู่ เพื่อให้สายเซลล์ที่มีความแตกต่างยังคงความแตกต่างนั้นไว้

Definition

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเอพิเจเนติกผ่านการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส คือการส่งผ่านสถานะโครมาตินที่ถ่ายทอดได้หรือโปรแกรมการแสดงออกของยีนจากเซลล์ที่กำลังแบ่งตัวไปยังเซลล์ลูกผ่านกลไกอื่นนอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอ เพื่อให้เซลล์ลูกสร้างสถานะการควบคุมของเซลล์แม่ขึ้นใหม่

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่สถานะของโครมาตินอยู่รอดจากเหตุการณ์ที่ก่อกวนในระยะ S และไมโทซิส เช่น การเคลื่อนที่และการเจือจางของฮิสโตน การสูญเสียการถอดรหัสชั่วคราว และการควบแน่นของโครโมโซม และวิธีการที่สถานะเหล่านี้ได้รับการสร้างขึ้นใหม่ภายหลัง โดยเน้นที่การถ่ายทอดทางพันธุกรรมของเซลล์ร่างกาย (ไมโทซิส) และถือว่าเรื่องนี้เป็นชีววิทยาระดับโมเลกุลและชีววิทยาการเจริญ ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• สถานะของโครมาตินอยู่รอดจากการจำลองดีเอ็นเอได้อย่างไร เมื่อฮิสโตนของเซลล์แม่ถูกเจือจางลงสองเท่าในสายดีเอ็นเอลูกสองสาย?
• อะไรที่ทำให้เครื่องหมายที่คงอยู่ได้ด้วยตัวเองได้รับการฟื้นฟู แทนที่จะค่อยๆ สูญหายไปในการแบ่งเซลล์ครั้งต่อๆ ไป?
• ความทรงจำในการถอดรหัสถูกรักษาไว้ได้อย่างไรผ่านการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เมื่อการถอดรหัสส่วนใหญ่ถูกระงับ?

Key concepts

• การถ่ายทอดสถานะการแสดงออกของยีนแบบไมโทซิส
• การรีไซเคิลและการเจือจางของฮิสโตนในการจำลองแบบ
• การฟื้นฟูเครื่องหมายก่อนระยะ S ถัดไป
• การทำบุ๊กมาร์กไมโทซิส
• ความเสถียรเทียบกับความสามารถในการย้อนกลับของความทรงจำของเซลล์

Key theories

การฟื้นฟูเครื่องหมายที่เจือจางโดยการสร้างแม่แบบด้วยตนเอง

เนื่องจากฮิสโตนของเซลล์แม่และการปรับเปลี่ยนของมันถูกแบ่งระหว่างสายดีเอ็นเอลูกทั้งสองสายและถูกเจือจางลง ดังนั้นการถ่ายทอดที่ถูกต้องจึงเชื่อว่าขึ้นอยู่กับเอนไซม์ผู้เขียนที่จดจำเครื่องหมายของเซลล์แม่ที่เหลืออยู่และคัดลอกลงบนฮิสโตนที่ถูกสร้างขึ้นใหม่ เพื่อฟื้นฟูรูปแบบที่สมบูรณ์ก่อนการแบ่งเซลล์ครั้งถัดไป

Mechanisms

ในระหว่างระยะ S นิวคลีโอโซมที่อยู่หน้าจุดจำลองแบบจะถูกแยกส่วน และฮิสโตนของเซลล์แม่จะถูกกระจายไปยังสายดีเอ็นเอลูกทั้งสองสาย ซึ่งจะผสมกับฮิสโตนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ สิ่งนี้จะลดความหนาแน่นของการปรับเปลี่ยนใดๆ ลงครึ่งหนึ่ง ดังนั้น การถ่ายทอดที่ถูกต้องจึงต้องการให้เครื่องหมายของเซลล์แม่ที่เหลืออยู่เป็นแม่แบบสำหรับการปรับเปลี่ยนฮิสโตนใหม่ ซึ่งมักจะผ่านเอนไซม์ผู้เขียน (writer enzymes) ที่ถูกดึงดูดโดยผลิตภัณฑ์ของตัวเอง ในการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส การควบแน่นและการหยุดการถอดรหัสส่วนใหญ่คุกคามข้อมูลการควบคุม และวิธีแก้ปัญหาหนึ่งที่เสนอคือการทำบุ๊กมาร์กไมโทซิส (mitotic bookmarking) ซึ่งปัจจัยหรือเครื่องหมายบางอย่างยังคงเชื่อมโยงกับตำแหน่งสำคัญเพื่อทำเครื่องหมายสำหรับการกระตุ้นใหม่ได้อย่างรวดเร็ว การฟื้นฟูที่เชื่อมโยงกับการจำลองแบบและการทำบุ๊กมาร์กช่วยให้เซลล์ลูกสามารถสร้างสถานะโครมาตินของเซลล์แม่ขึ้นใหม่ได้

Clinical relevance

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบไมโทซิสที่ถูกต้องช่วยให้เซลล์ที่มีความแตกต่างคงที่ และความล้มเหลวของความถูกต้องนี้จะถูกกล่าวถึงในบริบทของสถานะเซลล์ที่ผิดปกติ ดังนั้นหัวข้อนี้จึงปรากฏในการสอนพันธุศาสตร์พื้นฐาน อธิบายถึงวิธีการส่งผ่านความทรงจำและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

หลักฐานที่แสดงว่าสถานะการแสดงออกของยีนสามารถคงอยู่ได้ผ่านการแบ่งเซลล์ได้สะสมมาจากการศึกษาการแปรผันของผลกระทบจากตำแหน่ง (position-effect variegation) การปิดใช้งานโครโมโซม X (X-inactivation) และการยับยั้ง Polycomb ตลอดศตวรรษที่ยี่สิบ กรอบแนวคิดระดับโมเลกุลมีความชัดเจนขึ้นด้วยข้อเสนอเรื่องรหัสฮิสโตน (histone-code proposal) และด้วยการศึกษาอย่างละเอียดว่านิวคลีโอโซมและเครื่องหมายของมันมีพฤติกรรมอย่างไรที่จุดจำลองแบบ ซึ่งได้ปรับกรอบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบไมโทซิสให้เป็นปัญหาของการฟื้นฟูข้อมูลที่เจือจางในแต่ละวงจรเซลล์

Debates

การปรับเปลี่ยนฮิสโตนเป็นตัวนำพาความทรงจำที่ถ่ายทอดได้จริง หรือเป็นผลมาจากสัญญาณอื่น?

ยังคงมีการถกเถียงกันว่าเครื่องหมายฮิสโตนเป็นหน่วยการถ่ายทอดที่แพร่กระจายได้ด้วยตนเอง หรือถูกสร้างขึ้นใหม่ในแต่ละวงจรโดยปัจจัยที่จำเพาะต่อลำดับและเมทิลเลชันของดีเอ็นเอ ทั้งการฟื้นฟูโดยวงจรการอ่าน-เขียน (read-write loops) และการสั่งการใหม่โดยตัวควบคุมต้นน้ำได้รับการสนับสนุนในระบบที่แตกต่างกัน

Key figures

• Genevieve Almouzni
• Danny Reinberg
• Robin Allshire
• C. David Allis

Seminal works

• allis-jenuwein-2001
• probst-2009
• margueron-reinberg-2011

Frequently asked questions

สถานะเปิด/ปิดของยีนถูกจดจำได้อย่างไรเมื่อเซลล์แบ่งตัว?

เครื่องหมายโครมาตินและฮิสโตนของเซลล์แม่ที่ถูกนำกลับมาใช้ใหม่ซึ่งถูกส่งไปยังสายดีเอ็นเอลูกทำหน้าที่เป็นแม่แบบ และเอนไซม์ผู้เขียนจะฟื้นฟูรูปแบบที่สมบูรณ์หลังจากการจำลองแบบ เพื่อให้เซลล์ลูกแต่ละเซลล์สร้างสถานะการแสดงออกของเซลล์แม่ขึ้นใหม่

การทำบุ๊กมาร์กไมโทซิสคืออะไร?

คือการคงอยู่ของปัจจัยหรือเครื่องหมายบางอย่างที่ยีนสำคัญในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เมื่อการถอดรหัสส่วนใหญ่ถูกระงับ เพื่อให้ยีนเหล่านั้นสามารถถูกกระตุ้นใหม่ได้อย่างรวดเร็วเมื่อเซลล์ออกจากระยะการแบ่งตัว