你知道为什么我们身体有这样的不同部位,如皮肤、眼睛,心脏,即使几乎所有我们的细胞有相同的基因吗?这是因为不同部分的DNA交换“上”和“关闭”在不同的细胞!你想理解这个更好?然后,让我们仔细看看DNA是如何组织在身体的细胞。

细胞中的DNA是如何组织的?

体内几乎所有的细胞有相同的DNA。这在超紧密的线圈在细胞核DNA包装好。这是一个伟大的解决方案来解决这个问题的拟合上相当长的分子成核的狭小的空间。细胞的细胞核直径只有人类头发的十分之一!你能想象适合空间小的DNA量,如果延伸端到端,将测量长约1米,在人类?

在这种包装形式,DNA缠绕在组织蛋白被称为组蛋白周围的字符串,就像一个溜溜球(图1)。包装有一个准确的模式,与< 2把DNA缠绕在一组八组蛋白。这听起来可能奇怪,增加蛋白质的DNA更紧凑。但是你曾经试图存储花园软管吗?如果是这样,你知道盘绕在软管卷盘使工作更加容易。DNA缠绕在八组蛋白,形成一个结构称为核小体。所有的核小体一起构成所谓的染色质(1]。

我们如何使妥善包装DNA可访问?

科学家估计,人类基因组有超过20400个基因蛋白质的形成的含有信息。这听起来好像很多,但是蛋白质是非常重要的对于我们的身体的正常运行和发展,因此我们需要所有这些蛋白质。但我们不需要所有的同时,和细胞很难处理生产和管理同时很多类型的蛋白质。因此,只有少数蛋白质生产的同时在一个单元中。这意味着只有少数基因活跃(切换“on”)在任何细胞。“on”的基因将决定该细胞能买单——细胞的功能。一些基因需要活跃在不止一个身体部分或细胞类型,而其他基因活性只有在特定的细胞。

妥善包装DNA,紧紧地在组蛋白,细胞无法接近机器读取DNA,然后将它转变成蛋白质的信息。想象一本书和一些页纸夹在一起。你不能在这些页面上阅读是什么!他们必须访问之前,你可以阅读它们。包装的DNA有同样的效果。染色质的部分需要阅读必须成为可访问,或打开。开放的过程决定了哪些基因会活动(染色质在哪里访问)或非活动(染色质是无法访问)。

打开染色质的过程对于所有细胞的正常运行是很重要的。它涉及蛋白质复合物,使DNA可访问其他蛋白质,可以读取DNA或修复损坏的信息。染色质开放期间,蛋白质复合物修改DNA和组蛋白通过添加化学组(小图2)。这些化学组改变核小体相互作用,影响染色质的结构。化学组也可以削弱组蛋白与DNA之间的相互作用。这使得组蛋白在DNA或滑动打开的DNA, DNA可访问。科学家们正试图了解蛋白质复合物选择要修改的核小体。

染色质的状态(如果它是开放与否)是不断变化的。卵子受精后,蛋白质复合物的父母指导第一次修改。在开发的早期阶段,胚胎的DNA接管。然后,胚胎的染色质的DNA开始控制部分将开启和关闭。

这些修改的发现引起了科学家们的注意和一个全新的研究领域出生表观遗传学。表观遗传学的意思是“上面”或“之上”基因。它指修改不影响DNA的序列本身,但有一个显著的影响,基因是活跃的。的表观基因组的完整描述所有这些吗表观遗传修饰。

这些修改持续多久?

许多因素影响有机体的表观基因组,如年龄、环境、生活方式和健康的状态。这些因素引起的表观遗传修饰可以“记住”很长一段时间。当细胞分裂时,它的表观遗传修饰是传给下一代细胞。有趣的是,这种情况在生殖细胞里是不同的。大多数表观遗传修饰中抹去繁殖。在动物中,修改,坚持只持续约一或两代人。

有机体的表观基因组是液体,这意味着它是不断变化的。它的形状对压力的反应,最后从小时到几个月,几年,或整个的生活。例如,表观基因组的老鼠暴露在非常紧张的情况下可以改变。这些变化可以影响他们的行为。老鼠可以郁闷几天或几周(2]。人们也显示出环境的表观基因组的影响。例如,一个人与一个健康的饮食或生活没有压力会比别人有不同的表观基因组与不健康的饮食或者紧张的生活。

植物也有表观基因组吗?

您可能想知道如果表观遗传变化只发生在动物细胞。甚至所有的微生物,包括细菌和植物,表观遗传变化。表观遗传学的研究植物有着悠久而丰富的历史。植物的方式修改他们的表观基因组的多样性显著。植物表观遗传修饰的主人!因为他们无法摆脱环境,植物必须应付各种各样的自然条件。表观遗传修饰帮助植物适应这些条件。

在植物中,表观遗传修饰可以持续好几代。这是迷人的科学家!他们想知道继承这些修改有助于植物多样性与进化。或者修改帮助植物能适应新的环境。维护表观遗传修饰可能有助于植物种群有足够的时间去探索每个修改如何影响他们生产的种子数量,例如。

植物表观遗传学和压力

植物科学家使用一种植物被称为拟南芥回答关于表观遗传学的许多重要问题,如表观遗传变化是如何产生和它们是如何继承。拟南芥是理想的。它生长速度需要< 3个月完成一次完整的生长周期,从一粒种子生产种子。这种植物可以自交,也就是说,一朵花的花粉授粉的花朵。

在一个实验中,科学家们测试了多少代表观遗传变化。他们穿过两个拟南芥植物相同的DNA序列,但不同的表观基因组(图3)。他们把这个交叉和自交产生的植物很多代。10代后,外遗传性差异仍然存在!同时,继承了表观遗传变化导致植物在某些特征不同。例如,一些植物高,花前,或者更宽容的盐在土壤中3,4]。从结果和类似的实验,科学家认为,表观遗传学在植物多样性与进化很重要。这些知识可以用来制造更好的作物!许多可能性正在探索。激动人心的时刻!

表观遗传研究的应用

表观遗传研究有许多应用。他们解释生物体之间变化及其对环境的反应。他们帮助我们了解自然形状的变化和行为的影响。他们解释这些变化从一代一代的传承。现在你知道表观遗传学可以解释的部分我们的身体是如此的不同。表观遗传学可能有助于预测天气对作物产量的影响。植物育种者可以用表观遗传学的知识开发多种农作物抵抗压力。表观遗传学可以解释的起源、发展和传播的某些类型的癌症。癌症表观遗传学可以改善癌症诊断和治疗。表观遗传学也可以提供洞察人们如何以不同的方式应对同样的治疗某些疾病。 The number of applications is continually growing and is likely to continue to influence our lives in many beneficial ways!

确认

作者要感谢亚历山大•冯•洪堡Stiftung,德国,波恩的通过研究格兰特M-CC金融援助。

术语表

组蛋白:↑与DNA包相关的蛋白质在细胞核的细胞和组织。

核小体:↑部分的DNA缠绕在八组蛋白。

染色质:↑结构的DNA和蛋白质,使挤进细胞核的DNA。

表观遗传学:↑研究DNA的变化,不涉及DNA序列的变化。

表观基因组:↑的完整描述所有的表观遗传修饰在生物体的基因组DNA和组蛋白。

表观遗传修饰:↑可逆的化学组添加到DNA或组蛋白。这些修改可以传播给下一代。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

[1]↑Annunziato, a . 2008。DNA包装:核小体和染色质。Nat,建造。1:26。

[2]↑太阳,h·S。,Kennedy, P. J., and Nestler, E. J. 2013. Epigenetics of the depressed brain: role of histone acethylation and methylation.神经精神药理学38:124-37。doi: 10.1038 / npp.2012.73

[3]↑Cortijo, S。,Wardenaar, R., Colomé-Tatché, M., Gilly, A., Etcheverry, M., Labadie, K., et al. 2014. Mapping the epigenetic basis of complex traits.科学343:1145-8。doi: 10.1126 / science.1248127

[4]↑Kooke, R。,Johannes, F., Wardenaar, R., Becker, F., Etcheverry, M., Colot, V., et al. 2015. Epigenetic basis of morphological variation and phenotypic plasticity in拟南芥。植物细胞27:337-48。doi: 10.1105 / tpc.114.133025