Nhiễm sắc thể và Di truyền biểu sinh

Các dấu hiệu hóa học trên DNA và trên các protein histone đóng gói nó quyết định liệu một gen có thể tiếp cận được hay bị im lặng, và vì các dấu hiệu này có thể được sao chép qua quá trình phân chia tế bào, chúng cho phép các trạng thái biểu hiện được di truyền mà không làm thay đổi trình tự DNA.

Definition

Di truyền biểu sinh dựa trên nhiễm sắc thể là sự truyền các trạng thái biểu hiện gen thông qua quá trình methyl hóa DNA và các biến đổi histone làm thay đổi khả năng tiếp cận của nhiễm sắc thể và được sao chép trong quá trình phân chia tế bào, mà không có bất kỳ thay đổi nào đối với trình tự DNA.

Scope

Chủ đề này bao gồm quá trình methyl hóa DNA và vai trò của nó trong việc làm im lặng ổn định, sự biến đổi cộng hóa trị của đuôi histone và nhiễm sắc thể mở hoặc đóng kết quả, quá trình tái cấu trúc nhiễm sắc thể phụ thuộc ATP, sự lan truyền của các trạng thái nhiễm sắc thể thông qua quá trình sao chép DNA, và khái niệm di truyền biểu sinh qua các thế hệ tế bào và sinh vật. Nó đề cập đến sự điều hòa dựa trên nhiễm sắc thể có thể di truyền; sự kiểm soát đặc hiệu trình tự và qua trung gian RNA được đề cập trong các chủ đề liền kề.

Core questions

• Methyl hóa DNA làm im lặng gen và duy trì ổn định qua quá trình sao chép như thế nào?
• Các biến đổi histone mở hoặc đóng nhiễm sắc thể để kiểm soát khả năng tiếp cận gen như thế nào?
• Các phức hợp tái cấu trúc nhiễm sắc thể định vị lại nucleosome như thế nào?
• Các trạng thái nhiễm sắc thể được sao chép như thế nào để các kiểu biểu hiện gen được di truyền?

Key concepts

• Methyl hóa DNA và làm im lặng gen
• Các biến đổi histone và mã histone
• Nhiễm sắc thể thật (euchromatin) mở so với dị nhiễm sắc thể (heterochromatin) đóng
• Tái cấu trúc nhiễm sắc thể phụ thuộc ATP
• Tính di truyền của các trạng thái nhiễm sắc thể

Mechanisms

Các nhóm methyl được thêm vào cytosine và nhiều dấu hiệu hóa học trên đuôi histone tuyển dụng các protein hoặc nén nhiễm sắc thể thành dị nhiễm sắc thể (heterochromatin) im lặng hoặc giữ cho nó mở và hoạt động; các phức hợp tái cấu trúc trượt hoặc loại bỏ nucleosome để lộ các trình tự điều hòa, và các enzyme duy trì thiết lập lại các dấu hiệu methyl hóa và histone trên DNA mới được sao chép để trạng thái tồn tại trong các tế bào con.

Clinical relevance

Methyl hóa DNA và biến đổi histone bất thường là những dấu hiệu đặc trưng của ung thư và một số hội chứng phát triển, các dấu hiệu biểu sinh đóng vai trò là dấu ấn sinh học, và các loại thuốc nhắm mục tiêu vào các enzyme methyl hóa và biến đổi histone được sử dụng trong ung thư học; lĩnh vực này được trình bày ở đây để hiểu biết hơn là hướng dẫn lâm sàng.

History

Waddington đã giới thiệu thuật ngữ biểu sinh (epigenetics) vào những năm 1940 để mô tả cách kiểu gen tạo ra kiểu hình; kỷ nguyên phân tử bắt đầu với việc nhận ra methyl hóa DNA như một dấu hiệu làm im lặng và tăng tốc với việc phát hiện ra các enzyme biến đổi histone vào khoảng năm 2000, thiết lập nhiễm sắc thể như một lớp điều hòa có thể di truyền.

Debates

Di truyền biểu sinh xuyên thế hệ ở động vật có vú

Việc liệu các dấu hiệu biểu sinh có thể được truyền qua các thế hệ ở động vật có vú để ảnh hưởng đến kiểu hình của con cái vẫn còn gây tranh cãi, vì hầu hết các dấu hiệu được thiết lập lại trong dòng mầm và bằng chứng rõ ràng ở người còn hạn chế, mặc dù sự di truyền như vậy đã được ghi nhận rõ ràng ở thực vật và một số loài động vật.

Key figures

• Conrad Waddington
• C. David Allis
• Adrian Bird

Seminal works

• allis2007

Frequently asked questions

Làm thế nào mà sự biểu hiện gen có thể được di truyền mà không làm thay đổi DNA?

Các dấu hiệu như methyl hóa DNA và các biến đổi histone nằm trên DNA và các protein đóng gói của nó; các enzyme chuyên biệt sao chép các dấu hiệu này lên DNA mới sau khi sao chép, do đó các tế bào con kế thừa cùng một trạng thái bật hoặc tắt của mỗi gen.

Sự khác biệt giữa nhiễm sắc thể thật (euchromatin) và dị nhiễm sắc thể (heterochromatin) là gì?

Nhiễm sắc thể thật được đóng gói lỏng lẻo và thường có thể tiếp cận được với bộ máy phiên mã, do đó các gen của nó có thể được biểu hiện, trong khi dị nhiễm sắc thể được đóng gói chặt chẽ và thường bị làm im lặng; các dấu hiệu biểu sinh giúp xác định vùng nào có trạng thái nào.