Читаем The Epigenetics Revolution полностью

The names in our analogy are made up, but we can apply this to a real example. One of the key proteins in the very earliest stages of embryonic development is Oct4. Oct4 protein binds to certain key genes, and also attracts a specific epigenetic enzyme. This enzyme modifies the chromatin and alters the regulation of that gene. Both Oct4 and the epigenetic enzyme with which it works are essential for development of the early embryo. If either is absent, the zygote can’t even develop as far as creating an ICM.

The patterns of gene expression in the early embryo eventually feed back on themselves. When certain proteins are expressed, they can bind to the Oct4 promoter and switch off expression of this gene. Under normal circumstances, somatic cells just don’t express Oct4. It would be too dangerous for them to do so because Oct4 could disrupt the normal patterns of gene expression in differentiated cells, and make them more like stem cells.

This is exactly what Shinya Yamanaka did when he used Oct4 as a reprogramming factor. By artificially creating very high levels of Oct4 in differentiated cells, he was able to ‘fool’ the cells into acting like early developmental cells. Even the epigenetic modifications were reset – that’s how powerful this gene is.

Normal development has yielded important evidence of the significance of epigenetic modifications in controlling cell fate. Cases where development goes awry have also shown us how important epigenetics can be.

For example, a 2010 publication in Nature Genetics identified the mutations that cause a rare disease called Kabuki syndrome. Kabuki syndrome is a complex developmental disorder with a range of symptoms that include mental retardation, short stature, facial abnormalities and cleft palate. The paper showed that Kabuki syndrome is caused by mutations in a gene called MLL2[29]. The MLL2 protein is an epigenetic writer that adds methyl groups to a specific lysine amino acid at position 4 on histone H3. Patients with this mutation are unable to write their epigenetic code properly, and this leads to their symptoms.

Human diseases can also be caused by mutations in enzymes that remove epigenetic modifications, i.e. ‘erasers’ of the epigenetic code. Mutations in a gene called PHF8, which removes methyl groups from a lysine at position 20 on histone H3, cause a syndrome of mental retardation and cleft palate[30]. In these cases, the patient’s cells put epigenetic modifications on without problems, but don’t remove them properly.

It’s interesting that although the MLL2 and PHF8 proteins have different roles, the clinical symptoms caused by mutations in these genes have overlaps in their presentation. Both lead to cleft palate and mental retardation. Both of these symptoms are classically considered as reflecting problems during development. Epigenetic pathways are important throughout life, but seem to be particularly significant during development.

In addition to these histone writers and erasers there are over 100 proteins that act as ‘readers’ of this histone code by binding to epigenetic marks. These readers attract other proteins and build up complexes that switch on or turn off gene expression. This is similar to the way that MeCP2 helps turn off expression of genes that are carrying DNA methylation.

Histone modifications are different to DNA methylation in a very important way. DNA methylation is a very stable epigenetic change. Once a DNA region has become methylated it will tend to stay methylated under most conditions. That’s why this epigenetic modification is so important for keeping neurons as neurons, and why there are no teeth in our eyeballs. Although DNA methylation can be removed in cells, this is usually only under very specific circumstances and it’s quite unusual for this to happen.

Most histone modifications are much more plastic than this. A specific modification can be put on a histone at a particular gene, removed and then later put back on again. This happens in response to all sorts of stimuli from outside the cell nucleus. The stimuli can vary enormously. In some cell types the histone code may change in response to hormones. These include insulin signalling to our muscle cells, or oestrogen affecting the cells of the breast during the menstrual cycle. In the brain the histone code can change in response to addictive drugs such as cocaine, whereas in the cells lining the gut, the pattern of epigenetic modifications will alter depending on the amounts of fatty acids produced by the bacteria in our intestines. These changes in the histone code are one of the key ways in which nurture (the environment) interacts with nature (our genes) to create the complexity of every higher organism on earth.

Перейти на страницу:

Похожие книги

Происхождение мозга
Происхождение мозга

Описаны принципы строения и физиологии мозга животных. На основе морфофункционального анализа реконструированы основные этапы эволюции нервной системы. Сформулированы причины, механизмы и условия появления нервных клеток, простых нервных сетей и нервных систем беспозвоночных. Представлена эволюционная теория переходных сред как основа для разработки нейробиологических моделей происхождения хордовых, первичноводных позвоночных, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Изложены причины возникновения нервных систем различных архетипов и их роль в определении стратегий поведения животных. Приведены примеры использования нейробиологических законов для реконструкции путей эволюции позвоночных и беспозвоночных животных, а также основные принципы адаптивной эволюции нервной системы и поведения.Монография предназначена для зоологов, психологов, студентов биологических специальностей и всех, кто интересуется проблемами эволюции нервной системы и поведения животных.

Сергей Вячеславович Савельев , Сергей Савельев

Биология, биофизика, биохимия / Зоология / Биология / Образование и наука
Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни
Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни

Испокон веков люди обращали взоры к звездам и размышляли, почему мы здесь и одни ли мы во Вселенной. Нам свойственно задумываться о том, почему существуют растения и животные, откуда мы пришли, кто были наши предки и что ждет нас впереди. Пусть ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и вообще всего не 42, как утверждал когда-то Дуглас Адамс, но он не менее краток и загадочен — митохондрии.Они показывают нам, как возникла жизнь на нашей планете. Они объясняют, почему бактерии так долго царили на ней и почему эволюция, скорее всего, не поднялась выше уровня бактериальной слизи нигде во Вселенной. Они позволяют понять, как возникли первые сложные клетки и как земная жизнь взошла по лестнице восходящей сложности к вершинам славы. Они показывают нам, почему возникли теплокровные существа, стряхнувшие оковы окружающей среды; почему существуют мужчины и женщины, почему мы влюбляемся и заводим детей. Они говорят нам, почему наши дни в этом мире сочтены, почему мы стареем и умираем. Они могут подсказать нам лучший способ провести закатные годы жизни, избежав старости как обузы и проклятия. Может быть, митохондрии и не объясняют смысл жизни, но, по крайней мере, показывают, что она собой представляет. А разве можно понять смысл жизни, не зная, как она устроена?16+

Ник Лэйн

Биология, биофизика, биохимия / Биология / Образование и наука
Взаимопомощь как фактор эволюции
Взаимопомощь как фактор эволюции

Труд известного теоретика и организатора анархизма Петра Алексеевича Кропоткина. После 1917 года печатался лишь фрагментарно в нескольких сборниках, в частности, в книге "Анархия".В области биологии идеи Кропоткина о взаимопомощи как факторе эволюции, об отсутствии внутривидовой борьбы представляли собой развитие одного из важных направлений дарвинизма. Свое учение о взаимной помощи и поддержке, об отсутствии внутривидовой борьбы Кропоткин перенес и на общественную жизнь. Наряду с этим он признавал, что как биологическая, так и социальная жизнь проникнута началом борьбы. Но социальная борьба плодотворна и прогрессивна только тогда, когда она помогает возникновению новых форм, основанных на принципах справедливости и солидарности. Сформулированный ученым закон взаимной помощи лег в основу его этического учения, которое он развил в своем незавершенном труде "Этика".

Петр Алексеевич Кропоткин

Культурология / Биология, биофизика, биохимия / Политика / Биология / Образование и наука
Основы психофизиологии
Основы психофизиологии

В учебнике «Основы психофизиологии» раскрыты все темы, составляющие в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования содержание курса по психофизиологии, и дополнительно те вопросы, которые представляют собой «точки роста» и привлекают значительное внимание исследователей. В учебнике описаны основные методологические подходы и методы, разработанные как в отечественной, так и в зарубежной психофизиологии, последние достижения этой науки.Настоящий учебник, который отражает современное состояние психофизиологии во всей её полноте, предназначен студентам, аспирантам, научным сотрудникам, а также всем тем, кто интересуется методологией науки, психологией, психофизиологией, нейронауками, методами и результатами объективного изучения психики.

Игорь Сергеевич Дикий , Людмила Александровна Дикая , Юрий Александров , Юрий Иосифович Александров

Детская образовательная литература / Биология, биофизика, биохимия / Биология / Книги Для Детей / Образование и наука