Di truyền biểu sinh môi trường và xuyên thế hệ

Di truyền biểu sinh môi trường và xuyên thế hệ là lĩnh vực của di truyền biểu sinh nghiên cứu cách các tín hiệu môi trường bên ngoài và bên trong — dinh dưỡng, căng thẳng, chất độc và các yếu tố phơi nhiễm khác — để lại các dấu hiệu phân tử có thể di truyền trên bộ gen mà không làm thay đổi trình tự DNA, và liệu và bằng cách nào các dấu hiệu đó có thể tồn tại trong suốt cuộc đời của một cá thể hoặc được truyền qua các lần phân chia tế bào và các thế hệ. Nó liên kết bộ máy phân tử cổ điển của di truyền biểu sinh (methyl hóa DNA, biến đổi histone, RNA không mã hóa) với các vấn đề về sự phát triển, nguy cơ bệnh tật, lão hóa và di truyền.

Definition

Di truyền biểu sinh môi trường và xuyên thế hệ là nghiên cứu về những thay đổi trong điều hòa gen có thể di truyền theo kiểu nguyên phân (và đôi khi giảm phân) do môi trường phản ứng, xảy ra mà không có sự thay đổi trình tự DNA cơ bản, cùng với những hậu quả của chúng đối với sự phát triển, bệnh tật và lão hóa.

Scope

Lĩnh vực này định hướng người đọc qua bốn chủ đề liên kết: cách biểu gen phản ứng linh hoạt với môi trường; liệu các dấu hiệu do môi trường gây ra có thể được di truyền qua các thế hệ; cách các điều kiện sớm trong đời và trước khi sinh lập trình sức khỏe sau này (khuôn khổ nguồn gốc phát triển); và cách sự thay đổi biểu sinh tích lũy theo dõi quá trình lão hóa sinh học. Đây là một tổng quan tham khảo về các khái niệm và bằng chứng, không phải hướng dẫn lâm sàng, và nó cố tình phân biệt các cơ chế đã được thiết lập rõ ràng với các tuyên bố còn gây tranh cãi.

Sub-topics

• Environmental Epigenetic Plasticity
• Epigenetic Aging and Aging Clocks
• Fetal Programming and DOHaD
• Transgenerational Epigenetic Inheritance

Core questions

• Các yếu tố phơi nhiễm môi trường làm thay đổi biểu gen như thế nào, và những thay đổi đó ổn định đến mức nào?
• Các dấu hiệu biểu sinh do môi trường gây ra có thể được truyền cho con cái không, và theo những tiêu chuẩn bằng chứng nào thì tuyên bố đó được chấp nhận?
• Các điều kiện trước khi sinh và sớm trong đời lập trình nguy cơ bệnh tật ở người trưởng thành như thế nào?
• Biểu gen thay đổi như thế nào theo tuổi tác, và những thay đổi đó có thể được đo lường không?

Key concepts

• Tính dẻo biểu sinh
• Methyl hóa DNA, biến đổi histone và RNA không mã hóa
• Lập trình phát triển
• Di truyền xuyên thế hệ so với di truyền giữa các thế hệ
• Tái lập trình biểu sinh và hàng rào dòng mầm
• Tuổi biểu sinh và đồng hồ lão hóa
• Tương tác gen-môi trường

Mechanisms

Chất nền phân tử chung trong lĩnh vực này là biểu gen: methyl hóa DNA, biến đổi histone cộng hóa trị, tái cấu trúc chromatin và RNA không mã hóa điều hòa biểu hiện gen mà không làm thay đổi trình tự (Jaenisch & Bird, 2003). Các tín hiệu môi trường được chuyển đổi thành các dấu hiệu này, tạo ra những thay đổi phụ thuộc vào ngữ cảnh trong phiên mã (Feil & Fraga, 2012). Hai làn sóng tái lập trình biểu sinh toàn bộ gen — trong dòng mầm và phôi sớm — thường xóa bỏ hầu hết các dấu hiệu, đó là lý do tại sao sự truyền thực sự của một dấu hiệu do môi trường gây ra qua các thế hệ đòi hỏi dấu hiệu đó phải thoát khỏi quá trình tái lập trình, một rào cản cơ chế khó khăn (Cavalli & Heard, 2019).

Clinical relevance

Hiểu cách môi trường định hình biểu gen giúp giải thích các mô hình nguy cơ bệnh tật trong quần thể và tầm ảnh hưởng sâu rộng của các điều kiện sớm trong đời đối với sức khỏe người trưởng thành (Gluckman et al., 2008). Lĩnh vực này cung cấp nền tảng khái niệm để giải thích các dấu ấn sinh học biểu sinh và các nghiên cứu phơi nhiễm; nó mô tả các cơ chế và bằng chứng và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Epidemiology

Các tác động biểu sinh môi trường được nghiên cứu trên các lĩnh vực dinh dưỡng, nạn đói và căng thẳng trước khi sinh, hóa chất gây rối loạn nội tiết, hút thuốc và ô nhiễm không khí, với bằng chứng ở người chủ yếu từ các thiết kế quan sát và đoàn hệ và bằng chứng ở động vật từ các thí nghiệm phơi nhiễm có kiểm soát (Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019). Mức độ mạnh của bằng chứng thay đổi rõ rệt theo chủ đề — mạnh nhất đối với tính dẻo trong suốt cuộc đời và lập trình phát triển, và gây tranh cãi nhất đối với sự di truyền đa thế hệ ở người.

History

Ý tưởng rằng môi trường để lại những dấu ấn sinh học lâu dài đã có từ trước di truyền biểu sinh phân tử, nhưng sự tổng hợp hiện đại xuất hiện khi các dấu hiệu methyl hóa DNA và chromatin có thể được đo lường. Khung khái niệm của Jaenisch và Bird về biểu gen như một bộ tích hợp các tín hiệu nội tại và môi trường (2003) đã củng cố lĩnh vực này, và các đánh giá sau đó đã liên kết di truyền biểu sinh môi trường với bệnh tật và các cuộc tranh luận về tính di truyền (Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019).

Debates

Sự di truyền biểu sinh xuyên thế hệ ở động vật có vú mạnh mẽ đến mức nào?

Vì quá trình tái lập trình dòng mầm và phôi xóa bỏ hầu hết các dấu hiệu, các tuyên bố rằng các trạng thái biểu sinh thu được từ môi trường được di truyền qua nhiều thế hệ ở động vật có vú vẫn còn gây tranh cãi, và nhiều bằng chứng được báo cáo ở người không thể loại trừ môi trường chung hoặc yếu tố gây nhiễu di truyền.

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

Sự khác biệt giữa các hiệu ứng biểu sinh giữa các thế hệ và xuyên thế hệ là gì?

Các hiệu ứng giữa các thế hệ có thể được giải thích bằng sự phơi nhiễm trực tiếp của con cái hoặc dòng mầm của nó (ví dụ, một cá thể mang thai, thai nhi và các tế bào mầm của thai nhi đều bị phơi nhiễm cùng một lúc). Sự di truyền xuyên thế hệ thực sự đòi hỏi hiệu ứng phải tồn tại ở các thế hệ chưa bao giờ bị phơi nhiễm trực tiếp, đây là một tuyên bố mạnh mẽ và đòi hỏi nhiều hơn.

Di truyền biểu sinh môi trường có nghĩa là kinh nghiệm thay đổi DNA của chúng ta không?

Không. Các tín hiệu môi trường có thể thay đổi các dấu hiệu biểu sinh nằm trên DNA — chẳng hạn như methyl hóa và trạng thái chromatin — điều hòa hoạt động gen, nhưng chúng không làm thay đổi trình tự DNA.