Читаем The Epigenetics Revolution полностью

Eggs and sperm are highly specialised cells – they are at the bottom of one of Waddington’s troughs. The egg and the sperm will never be anything other than an egg and a sperm. Unless they fuse. Once they fuse, these two highly specialised cells form one cell which is so unspecialised it is totipotent and gives rise to every cell in the human body, and the placenta. This is the zygote, at the very top of Waddington’s epigenetic landscape. As this zygote divides, the cells become more and more specialised, forming all the tissues of our bodies. Some of these tissues ultimately give rise to eggs or sperm (depending on our sex, obviously) and the whole cycle is ready to start again. There’s effectively a never-ending circle in developmental biology.

The chromosomes in the pro-nuclei of sperm and eggs carry large numbers of epigenetic modifications. This is part of what keeps these gametes behaving as gametes, and not turning into other cell types. But these gametes can’t be passing on their epigenetic patterns, because if they did the fertilised zygote would be some sort of half-egg, half-sperm hybrid when it clearly isn’t this at all. It’s a completely different totipotent cell that will give rise to an entirely new individual. Somehow the modifications on eggs and sperm get changed to a different set of modifications, to drive the fertilised egg into a different cell state, at a different position in Waddington’s epigenetic landscape. This is part of normal development.

Re-installing the operating system

Almost immediately after the sperm has penetrated the egg, something very dramatic happens to it. Pretty much all the methylation on the male pronucleus DNA (i.e. from the sperm) gets stripped off, incredibly quickly. The same thing happens to the DNA on the female pronucleus, albeit a lot more slowly. This means that a lot of the epigenetic memory gets wiped off the genome. This is vital for putting the zygote at the top of Waddington’s epigenetic landscape. The zygote starts dividing and soon creates the blastocyst – the golf ball inside the tennis ball from Chapter 2. The cells in the golf ball – the inner cell mass, or ICM – are the pluripotent cells, the ones that give rise to embryonic stem cells in the laboratory.

The cells of the ICM soon differentiate and start giving rise to the different cell types of our bodies. This happens through very tightly regulated expression of a few key genes. One specific protein, for example OCT4, switches on another set of genes, which results in a further cascade of gene expression, and so on. We have met OCT4 before – it is the most critical of all the genes that Professor Yamanaka used to reprogram somatic cells. These cascades of gene expression are associated with epigenetic modification of the genome, changing the DNA and histone marks so that certain genes stay switched on or get switched off appropriately. Here’s the sequence of epigenetic events in very early development:

The male and female pronuclei (from the sperm and the egg respectively) are carrying epigenetic modifications;

The epigenetic modifications get taken off (in the immediate post-fertilisation zygote);

New epigenetic modifications get put on (as the cells begin to specialise).

This is a bit of a simplification. It’s certainly true that researchers can detect huge swathes of DNA demethylation during stage 2 from this list. However, it’s actually more complicated than this, particularly in respect of histone modifications. Whilst some histone modifications are being removed, others are becoming established. At the same time as the repressive DNA methylation is removed, certain histone marks which repress gene expression are also erased. Other histone modifications which increase gene expression may take their place. It’s therefore too naïve to refer to the epigenetic changes as just being about putting on or taking off epigenetic modifications. In reality, the epigenome is being reprogrammed.

Reprogramming is what John Gurdon demonstrated in his ground-breaking work when he transferred the nuclei from adult toads into toad eggs. It’s what happened when Keith Campbell and Ian Wilmut cloned Dolly the Sheep by putting the nucleus from a mammary gland cell into an egg. It’s what Yamanaka achieved when he treated somatic cells with four key genes, all of which code for proteins highly expressed naturally during this reprogramming phase.

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