Эпигеномика — это изучение полного набора эпигенетических модификаций генетического материала клетки, известного как эпигеном . Эта область аналогична геномике и протеомике , которые изучают геном и протеом клетки. [1] [2] Эпигенетические модификации — это обратимые модификации ДНК или гистонов клетки, которые влияют на экспрессию генов без изменения последовательности ДНК. [3] Эпигеномное поддержание представляет собой непрерывный процесс и играет важную роль в стабильности эукариотических геномов, принимая участие в важнейших биологических механизмах, таких как восстановление ДНК. [4] [5] Считается, что растительные флавоны ингибируют эпигеномные метки, вызывающие рак. [6] Двумя наиболее характерными эпигенетическими модификациями являются метилирование ДНК и модификация гистонов . Эпигенетические модификации играют важную роль в экспрессии и регуляции генов и участвуют в многочисленных клеточных процессах, таких как дифференцировка/развитие [7] и онкогенез . [8] Изучение эпигенетики на глобальном уровне стало возможным лишь недавно благодаря адаптации высокопроизводительных геномных анализов. [9] [7]
Механизмы, управляющие фенотипической пластичностью или способностью клетки изменять свое состояние в ответ на стимулы, уже давно являются предметом исследований (Фенотипическая пластичность 1). Традиционная центральная догма биологии гласит, что ДНК клетки транскрибируется в РНК , которая транслируется в белки , выполняющие клеточные процессы и функции. [10] Однако существует парадокс: клетки демонстрируют разнообразные реакции на различные стимулы и что клетки, имеющие одинаковые наборы ДНК, например, в многоклеточных организмах, могут иметь множество различных функций и фенотипов. [11] Классические взгляды приписывают фенотипические вариации различиям в первичной структуре ДНК, будь то из-за аберрантной мутации или наследственной аллели последовательности . [12] Однако, хотя это и объясняет некоторые аспекты изменчивости, это не объясняет, насколько четко скоординированы и регулируются клеточные реакции, такие как дифференцировка.
Более вероятным источником клеточной пластичности является регуляция экспрессии генов : хотя две клетки могут иметь почти идентичную ДНК, дифференциальная экспрессия определенных генов приводит к вариациям. Исследования показали, что клетки способны регулировать экспрессию генов на нескольких этапах : транскрипции, процессинга и транспортировки мРНК, а также трансляции белков, посттрансляционного процессинга и деградации. Регуляторные белки, которые связываются с ДНК, РНК и/или белками, являются ключевыми эффекторами в этих процессах и действуют, положительно или отрицательно регулируя уровень и функцию определенных белков в клетке. [13] И хотя ДНК-связывающие факторы транскрипции обеспечивают механизм специфического контроля клеточных реакций, модель, в которой ДНК-связывающие факторы транскрипции являются единственными регуляторами активности генов, также маловероятна. Например, в исследовании переноса ядра соматической клетки было продемонстрировано, что стабильные особенности дифференцировки сохраняются после переноса ядра в новую клеточную среду, что позволяет предположить, что в поддержании ядерной регуляции участвует стабильный и наследуемый механизм регуляции генов. дифференцированное состояние в отсутствие ДНК-связывающих факторов транскрипции. [11]
Обнаружив, что метилирование ДНК и модификации гистонов являются стабильными, наследуемыми, а также обратимыми процессами, которые влияют на экспрессию генов без изменения первичной структуры ДНК, был предложен механизм наблюдаемой изменчивости экспрессии генов в клетках. [12] Эти модификации были названы эпигенетическими, от эпи «поверх» генетического материала «ДНК» (Эпигенетика 1). Механизмы, управляющие эпигенетическими модификациями, сложны, но с появлением технологии высокопроизводительного секвенирования они теперь становятся лучше понятными. [12]