Epigenetika je studium změn v genové expresi. K expresi (změně aktivity genu) dochází prostřednictvím methylace DNA , acetylace histonů a modifikace mikro-RNA . Epigenetické změny tohoto druhu mohou být zděděny a následně ovlivňují evoluci . Moderní výzkum aktivně probíhá a již nyní se ukázalo, že epigenetika má velký vliv na všechny živé organismy . [jeden]
Methylace DNA je proces, při kterém jsou methylové skupiny připojeny k molekule DNA . Methylace mění aktivitu segmentu DNA, aniž by se změnila samotná sekvence DNA (to znamená, že nezpůsobuje mutaci). Histony jsou proteiny nacházející se v jádrech buněk. Balí a uspořádávají DNA do nukleozomů . Metylace DNA a modifikace histonů jsou dva epigenetické mechanismy, které regulují genovou expresi v rostlinách. Metylace DNA může být stabilním procesem během buněčného dělení, což umožňuje předat methylaci genů stejným genům v genomu . Metylace DNA s pomocí demetylázy se může stát reverzibilním procesem. Modifikace histonů je také reverzibilní proces s odstraněním acetyl histonů deacetylázou . Mezidruhové rozdíly rostlin vlivem faktorů prostředí souvisí s rozdílem mezi jednoletými a víceletými druhy rostlin. Každá rostlina má nakonec své vlastní individuální adaptivní reakce. [2]
Formy methylace histonů způsobují potlačení určitých genů, tyto změny jsou stabilně dědičné mitózou , ale mohou být během meiózy časem vymazány . Doba květu vystavená nízkým zimním teplotám u této rostliny demonstruje tento methylační efekt. Metylace histonů se podílí na potlačení exprese inhibitoru (supresoru) kvetení při nástupu chladného počasí. U jednoročního žvýkačka Talya se podobná metylace histonů stabilně dědí mitózou po návratu do teplého období. To umožňuje rostlině nepřetržitě kvést na jaře a v létě, dokud nezestárne. U víceletých příbuzných rostlin však modifikace histonu po zvýšení teploty rychle mizí a umožňuje naopak zvýšit účinek inhibitoru a omezit kvetení na krátký interval, pro víceletou rostlinu je to způsob skladování živin na další rok. Epigenetické modifikace histonů tedy řídí klíčový adaptivní rys Talova jetele a zároveň se modifikace v průběhu evoluce rychle mění a jsou strategiemi úspěšné reprodukce. [3]
Jiné experimenty testovaly Talovy epigenetické mechanismy na citlivost na sucho, nedostatek živin. Pro experiment byly vybrány rostliny s nejvíce podobnými genomy. Rostliny umístěné v různých podmínkách vykazovaly významnou dědičnost adaptivní epigenetiky. Vlastnosti, které vznikly metylací a byly důležité pro přežití, byly úspěšně přenášeny během reprodukce. Metylace DNA poskytla různou distribuci kořenů, odolnost vůči suchu, plasticitu vůči různým typům živin. To naznačuje, že pouze epigenetické variace a adaptace vedou k rychlé evoluci. [2]
Stresem vyvolané změny v metylaci DNA se u asexuálních pampelišek dědí . Geneticky podobné rostliny byly vystaveny různým environmentálním stresům. a poté byli jejich potomci vychováváni v klidném ekologickém prostředí. Mnoho environmentálních stresů způsobilo metylaci v genomu a tyto modifikace byly přeneseny na další generaci pampelišek. Dospělo se k závěru, že taková dědičnost umožňuje rostlinám mít vysokou plasticitu pro přežití rostlin za jakýchkoli podmínek, od vysoké vlhkosti po sucha a požáry. [3]
Paramutace genu b1 v kukuřici. Gen b1 kóduje hlavní transkripční faktor, který se podílí na syntéze anthokyanů . Když je gen BI exprimován, rostliny akumulují anthokyany ve svých tkáních, což má za následek fialovou barvu rostlin. Alela BI má vysokou expresi b1 vedoucí k tmavé pigmentaci membrán a slupek. Zatímco alela B má nízkou expresi b1, což vede k nízké pigmentaci v těchto tkáních. Když jsou homozygotní BI rodiče rozmnoženi s homozygotními B' rodiči, jejich F1 potomci vykazují nízkou pigmentaci. To je způsobeno "umlčením" genu b1. Když jsou F1 rostliny kříženy, jejich F2 potomci vykazují nízkou pigmentaci a mají nízké hladiny exprese bl. [4] [5] [6] [7]
Jakákoli rostlina F2, když se zkříží s homozygotní rostlinou BI, bude produkovat potomstvo, které bude mít nízkou pigmentaci a expresi b1. Absence tmavě pigmentovaných F2 potomků je příkladem nemendelovské dědičnosti a další studie ukázaly, že alela BI je přeměněna na B' spíše epigenetickými mechanismy než změnami sekvence DNA a genovými mutacemi. [4] [6] [5] [7]
Alely B' a BI jsou identické v sekvenci DNA, ale liší se v methylaci DNA a intranukleárních chromozomálních interakcích. Občas dojde ke spontánní mutaci z BI na B', ale k obratu z B' na BI (ze zelené na fialovou) nikdy nedošlo, i když během 50 let ve skleníkových a polních pokusech byly pozorovány tisíce tisíců rostlin. [osm]
Byly zaznamenány i experimentálně potvrzené případy epigenetické dědičnosti u rýže. Výhonky rýže byly vystaveny simulovanému suchu a poté vykazovaly zvýšenou toleranci vůči suchu během 11 generací. Odolnost „ztvrdlých“ výhonků rýže v suchu je způsobena řízenými změnami metylace DNA v celém genomu, tyto změny se nakonec dědily v podobě následné metylace v každé generaci rostlin. [9] [10] [11]
V jiném experimentu byly rostliny napadány býložravými housenkami po několik generací, potomci těchto rostlin pak vykazovali větší odolnost vůči sežrání housenkami, DNA jako celek se nezměnila, ale opět se změnila metylace genomu v DNA. A ty rostliny, které rostly bez útoků housenek, nebyly vybaveny takovými adaptacemi. [deset]
Srovnání CpG metylačních vzorců mezi lidmi a primáty ukázalo, že u lidí existuje přes 800 genů, které se liší ve svých metylačních vzorcích u orangutanů , goril , šimpanzů a bonobů . I když lidé a pojmenovaní lidoopi sdílejí stejné geny, rozdíly v methylaci vysvětlují fenotypový rozdíl mezi lidmi a lidoopy a obecně fenotypovou variabilitu stejných genů. Všechny tyto geny jsou nějakým způsobem zodpovědné za fyzický vývoj lidí a opic. V důsledku toho se lidé od opic na genové úrovni odlišují nikoli proteinovými sekvencemi, ale epigenetickými změnami v genech.
V okamžiku výzkumu je jasné, že u lidí je 171 genů metylováno jinak než u opic. Gen 101 je také jednoznačně methylován u šimpanzů a bonobů. 101 genů je methylováno u goril a 450 genů je metylováno u orangutanů. Například geny podílející se na regulaci krevního tlaku a vývoji polokruhového kanálku vnitřního ucha jsou vysoce metylované u lidí, ale ne u opic. Známých je také 184 genů, které se zcela opakují ve struktuře proteinů u lidí a šimpanzů, ale liší se epigenetickým nastavením. Právě metylace nakonec dělá z rozumného člověka to, čím je, a ne samotná sada genů, která až z 99 % opakuje sadu genů u šimpanzů a dalších vyšších primátů. To dokazuje důležitou roli epigenetiky v evoluci člověka a opic obecně [12] .
Bylo prokázáno, že změny regulačních elementů ovlivňují počáteční místa genové transkripce . Sekvence DNA 471 je obohacena nebo ochuzena z hlediska metylace histonů v H3K4 ve frontálním kortexu šimpanzů, lidí a makaků. Z těchto sekvencí je 33 selektivně metylovaných v neuronovém chromatinu u dětí a dospělých. Jedním z lokusů, které byly methylovány, je DPP10. Tento gen je také zodpovědný za adaptaci hominidů spojených s vyšší mírou nukleotidových substitucí a řadou dalších regulačních parametrů, které lidé mají a u jiných primátů chybí. Epigenetická regulace chromatinu TSS byla identifikována jako důležitý vývoj ve vývoji genové exprese v lidském mozku. Tyto geny hrají roli současně v kognitivních procesech a neurologických poruchách u lidí [13]
Analýza metylačních profilů spermií člověka a primátů ukázala, že epigenetická regulace je aktivní i zde. U savčích buněk dochází během embryonálního stavu buňky k přeprogramování vzorců metylace DNA , metylaci u lidských a šimpanzích spermií lze přirovnat k metylaci v embryonálních kmenových buňkách . Mezi spermiemi a embryonálními kmenovými buňkami bylo nalezeno mnoho rozdílů v methylaci. Mnoho promotorů v lidském a šimpanzím spermatu má odlišnou methylaci. Metylace se tedy liší mezi spermiemi a kmenovými buňkami ve stejném organismu a mezi lidskými spermiemi a spermiemi primátů. To může naznačovat důvody fenotypových rozdílů mezi primáty a Homo sapiens. [13]
V roce 1998 byl proveden experiment na Drosophila ve Švýcarsku. Vědec Renato Paro z Basilejské univerzity udělal následující - v důsledku mutací měly octomilky žluté oči, normálně jsou červené. Ale se zvýšením teploty prostředí oči Drosophila zčervenaly a jejich potomci se také narodili s červenýma očima. Bylo zjištěno, že chromozomální prvek byl aktivován u much, změnil barvu očí. Toto je příklad toho, jak děti dědí vlastnosti, které během života obdrželi jejich rodiče. Červené oči byly zachovány i při další reprodukci po další čtyři generace, ale tyto generace již nebyly vystaveny tepelným účinkům. [čtrnáct]
VčelyU včel Apis mellifera dochází ke změně fenotypu na epigenetické úrovni prostřednictvím změny typu potravy. Včely dělnice krmí larvy mateří kašičkou . Ale zároveň se doba krmení liší. Ty larvy, které jsou krmeny mateří kašičkou, se déle stávají královnami. U těchto včel dochází k epigenetickým změnám, které je odlišují od jednoduchých dělnic. Královny mají zvýšenou syntézu juvenilních hormonů a aktivaci signální dráhy TOR, stejně jako zvýšenou modulaci signální dráhy inzulínu. Důkazem toho , že jsou to právě epigenetické mechanismy , díky kterým se včelí jedinci tak liší , je to , že královna klade do plástů naprosto identická vajíčka . Geneticky se od sebe neliší. [patnáct]
Trubci vyrůstají z neoplozených vajíček . Z těch oplodněných pomocí doby trvání krmení mlékem se získávají buď matky, nebo včelí dělnice. Královny jsou nakonec větší a žijí mnohem déle než dělnice. Rozdíl v délce života královny a dělnice dosahuje 100násobku, včely dělnice žijí 15-38 dní v létě, 150-200 v zimě. Královna žije 1-2 roky. Právě výživa v larválním stádiu má na hmyz tak silný vliv a jasně dokazuje důležitost celoživotních epigenetických změn v genomu. U včel stimuluje mateří kašička aktivní methylaci DNA , u různých taxonů vede methylace oblastí DNA obohacených o CG páry v oblasti genového promotoru k inhibici její transkripce . [patnáct]
V experimentu se včelami byla pomocí siRNA potlačena exprese genu Dnmt3 . Tento gen kóduje enzym , který zase katalyzuje methylaci DNA. Výsledkem bylo, že 72 % vylíhnutých samic mělo známky královen. [16] Bylo zjištěno, že více než 550 genů je v mozcích dělnic a včelích matek rozdílně methylováno. [17] Největší rozdíly byly nalezeny v signálních drahách inzulinu a juvenilních hormonů , stejně jako v genu kinázy anaplastického lymfomu . Gen kinázy hraje důležitou roli v regulaci metabolismu . U královen se hladina metylace DNA zvýšila od druhého do čtvrtého dne larválního stádia vývoje. U pracovních larev se metylace zvýšila ve všech fázích vývoje. Více než 4500 genů je methylováno odlišně jak u krále, tak u dělníků. Včetně ostrých rozdílů odhalených v genech odpovědných za hypoxický stres . Včelí dělnice vykazovaly vyšší úroveň transkripce faktorů hypoxické signální dráhy HIFα/Sima, HIFβ/Tango a PHD/Fatig. Královny mají vyšší úroveň exprese dvou genů odpovědných za proces opravy a zabránění oxidativnímu poškození, zatímco u včelích dělnic je práce těchto genů naopak snížena. [patnáct]
[18] Studie myší provedené na Duke University Randy Jirtlem a Robertem Waterlandem. Vědci do obyčejných myší vložili umělý gen, kvůli němu se narodily žluté, náchylné k obezitě a nemocem – myši aguti. Poté generace takových myší, již březích, začala přidávat do krmiva kyselinu listovou , vitamín B12 , cholin a methionin . V důsledku toho se nemocným myším narodilo zdravé potomstvo, ale gen, který z nich udělal aguti, z genomu nezmizel, byl zachován, ale byl přehlušen epigenetickými mechanismy a epigenetika zase aktivně funguje, když výše zmíněné látky jsou zaváděny do stravy. Změna stravy dokázala změnit epigenetiku genomu a neutralizovat škodlivou mutaci v genech. Účinek změn byl zachován v několika dalších generacích, zatímco výživa druhé a dalších generací byla běžná. [14] [19] [20] [21]
Kanadští biologové Michael Meaney a kolegové z McGill University provedli experiment nazvaný „lízat a groomovat“. Zkoumali vliv mateřské péče na mláďata u potkanů. Krysy byly rozděleny do dvou skupin. Některá z narozených potkaních mláďat byla matkám odebrána hned po narození. Krysí mláďata, kterým se nedostalo mateřské péče (včetně olizování), vyrostla nervózní, nekomunikativní a agresivně zbabělá. Všechna potkaní mláďata, která zůstala u své matky, se vyvíjela tak, jak se na potkany patří – energická, trénovatelná, sociálně aktivní. Vyvstaly otázky, na jaké úrovni se reakce na péči a nepečování vyskytuje u potkanů. Odpověď byla získána po analýze DNA. Odstavená krysí mláďata zaznamenala negativní epigenetické změny v genomu, zejména těch, které jsou zodpovědné za oblast hippocampu v mozku . V hippocampu se snížil počet receptorů pro stresové hormony. Odtud neadekvátní reakce nervového systému na jakékoli vnější podněty - zvuk, teplota, ostatní krysy. Hipokampus neustále produkoval nadměrné množství stresových hormonů . Naproti tomu u krysích mláďat odchovaných jejich matkami hipokampus fungoval normálně [22] [19] [20]
Také u potkanů byly odhaleny příklady odlišného chování matek. Jsou maminky, které se o potkany aktivně starají, jsou takové, které se dětem naopak věnují málo. Výsledkem bylo, že potkani, kteří vyrůstali s pečující matkou, dostávali hodně lízání, čištění, krmení, vyrůstali méně bojácní, s lepšími sklony k učení, a tedy s větší adaptací na přežití a další úspěšnou reprodukci. Naopak příliš nervózní potkaní mláďata od lhostejných matek mají malou šanci na úspěšnou reprodukci . Nejdůležitějším obdobím byl první týden po narození, v tomto období je epigenetický systém potkaních mláďat nejflexibilnější a podléhá změnám v genomu a v důsledku toho ovlivňuje nadledvinky , hypotalamus a hypofýzu . Krysy od pečujících matek, umístěné ve stresových situacích (věšení za ocas, spouštění do nádoby s vodou) se dlouho nevzdávaly a snažily se dostat z nepříjemné, nebezpečné situace až do posledního Krysy, které nepřijímaly náklonnost a péče rychle upadly do apatie, zoufalství. [19]
V průběhu studie pomocí bisulfátového sekvenování vědci dosáhli regulační oblasti glukokortikoidního receptoru - exonu 17. U potkaních mláďat od pečujících matek nedošlo k methylaci cytosinu v exonu 17. Díky tomu je gen aktivně transkribován , a úroveň acetylace histonů je vysoká, což ukazuje na aktivní chromatin . U zanedbaných potkaních mláďat je cytosin v exonu 17 methylován a jeho exprese mRNA je snížena [19] .
Další experiment ukázal, že mateřské chování přímo ovlivňuje epigenetické změny v exonu 17. V období 12 hodin po narození byla mláďata potkanů odebrána jejich matkám, některá byla dána pečujícím krysím macechám a některá nepečující. Starostlivé nevlastní matky neměly žádnou metylaci cytosinů v exonu 17 a nelišily se od krys chovaných vlastní matkou. U nepečujících nevlastních matek byla methylace cytosinu v exonu 17 stejná jako u nepečujících nevlastních matek, cytosin byl potlačen a exon 17 fungoval mnohem hůře. Pokus o jednoduchou kompenzaci metylace chemikáliemi (zejména pomocí inhibitoru deacetylázy TSA) však nefunguje, což znamená, že péče o matku spouští nebo nespouští mnohem větší kaskádu epigenetických reakcí v těle a to se neomezuje pouze na působení na cytosin v exonu 17 a je širší, pokud jde o rozsah působení. [19]
Při studiu přenosu změn v epigenetice podle pohlaví potkanů se ukázalo, že největší vliv mají samci, kteří byli vychováni nedbalými matkami. Samice od nepečujících matek lépe zvládaly úkoly a neprojevovaly se u nich deprese. Předpokládá se, že pohlavní hormony matek působí odlišně na muže a ženy. Poté byla mláďata potkanů odstavena od matek v raných fázích krmení, většinou samci vykazovali příznaky úzkostného chování. Tito samci byli kříženi s nulliparními samicemi a v důsledku toho se narozeným potkaním mláďatům dostalo normální péče a vyvíjelo se v normálním rozmezí. Ve druhé generaci však samice začaly vykazovat známky deprese a úzkosti, zatímco samci ne, byli normální. Ve třetí generaci se u samců opět projevila deprese a úzkost. To ukazuje na nespojitou, ale poměrně dlouhou dědičnost deprese, nejméně 4 generace dopředu, a je příkladem epigenetické dědičnosti vlastností získaných během života jednotlivců. Citace: [23] [24]
" Hypermetylace CpG ostrůvků v regulačních oblastech genů MeCP2, CB1 a hypometylace regulační oblasti genu CRFR2 vedla ke snížení exprese mRNA těchto genů. Zároveň nedošlo k žádným změnám v metylaci regulačních oblastí genů genu serotoninového receptoru (který hraje významnou roli při vzniku deprese ) a monoaminooxidázy (katalyzující štěpení serotoninu ) Změny v hladinách metylace, které se vyskytují současně v různých genech, naznačují, že chování jedinců ovlivňuje mnoho genů .
Výsledky této studie naznačují, že postnatální stres postihuje nejen děti, ale i vzdálenější potomky . “ [18]
Pro člověka je studium epigenetických procesů komplikováno řadou faktorů. Není možné jednoduše přímo experimentovat. Lidská komunita je také komplexní soubor mísících se genů, klimatických vlivů, kulturních faktorů, stresu , nutričních charakteristik. Klasická dědičnost DNA může přesně ukázat fenotypové vlastnosti lidí. Nedokáže ale plně vysvětlit, proč děti někdy po rodičích zdědí znaky, které jsou jasně získané během života a pak se přenášejí během reprodukce. [25] [26]
Dosud nejmasivnějším a nejpřesnějším projektem je studium epigenetiky na příkladu holandské hladomorové zimy 1944-1945 . Výhodou tohoto příkladu je, že jsou přesně známi lidé, kteří to přežili, jak dlouho lidé hladověli, plus přesně definovaná oblast hladu. Hladomor přežilo 4,4 milionu lidí, trval od listopadu 1944 do května 1945. Dětí, které se narodily během hladomoru, po narození bylo méně než těch, které se narodily rok před hladomorem. A pokles velikosti u lidí trval dvě generace. Tyto děti mají v dospělosti zvýšené riziko glukózové intolerance. Studie odhalily metylaci DNA u těchto jedinců, kteří se všichni narodili matkám, které je nosily během hladové zimy. Existují návrhy, že metylace způsobila zpomalení genu PIM3, který je zodpovědný za rychlost metabolismu , a čím pomalejší gen, tím pomalejší metabolismus. Obecně se těmto skutečnostem říká holandský syndrom hladové zimy. [27] [28]
Děti a vnoučata od matek a babiček, kteří přežili tento hladomor, měli více metabolických onemocnění, kardiovaskulárních onemocnění. Měli větší pravděpodobnost schizofrenie , schizotypových a neurologických poruch. [29] [30] Účinky hladu nejsou u všech dětí stejné a liší se podle stupně příbuzenství a linií příbuzenství.
1 - Vyšší index tělesné hmotnosti u chlapců ve věku 9 let, to bylo předáno od otců.
2 - Dcery neměly v 9 letech zvýšený index tělesné hmotnosti, ale začaly kouřit dříve .
3 - Hlad dědečka z otcovy strany je spojen pouze s úmrtností vnoučat (chlapců), nikoli však vnuček (dívek).
4 - Hlad babičky z otcovy strany byl spojen s úmrtností vnuček.
5 - Špatná výživa otce a dobrá výživa matky jsou spojeny s nižším rizikem kardiovaskulárních onemocnění u dětí. [31]
V některých případech byla pozorována ztráta exprese v genomu, což vedlo k Prader-Williho syndromu a Angelmanově syndromu . Ve studii se ukázalo, že je to způsobeno epigenetickými změnami v obou alelách , nikoli však genetickou mutací DNA. Ve všech 19 zaznamenaných případech takových patologií jsou jasně svázány se stupněm příbuzenství mezi dětmi a předky těch, kteří hladomor přežili. Zejména otcové nesli chromozom s mateřsky zmutovanou značkou SNURF-SNRPN, kterou zase otcové zdědili po babičce z otcovy strany. Epigenetické změny genu MLH1 byly zaznamenány u dvou osob, ale v samotném genu nedošlo k mutaci, a proto nebylo zaznamenáno onemocnění ve formě dědičného nepolypózního kolorektálního karcinomu a v případě mutace genu tato onemocnění se vyskytuje u lidí. [27]
Bylo zjištěno, že otcovská linie je zodpovědná za regulaci porodní hmotnosti dcer s potenciálním rizikem rozvoje rakoviny prsu . [32] [33]
Epigenetická modifikace exprese glukokortikoidních receptorů je pozorována u dětí, které v dětství zažily zneužívání, zneužívání, sexuální zneužívání nebo demonstrativní zanedbávání dítěte ze strany rodičů . Tyto receptory hrají zásadní roli v činnosti hypotalamu , hypofýzy a nadledvinek . Pokusy na zvířatech ukazují, že epigenetické změny závisí na vztahu mezi matkou a dítětem. Děti také dědí epigenetické změny od svých matek během fáze těhotenství . Pokud byly matky v těhotenství vystaveny násilí, stresu, pak jejich děti měly epigenetické změny v genu odpovědném za glukokortikoidní receptory a byly náchylné k vysoké míře úzkosti a snáze podléhaly stresu. Expozice látce diethylstilbestrol u žen vede k tomu, že vnoučata do třetí generace mají zvýšené riziko vzniku poruchy pozornosti s hyperaktivitou . [34] [35] [36] [37] [38]
U lidí byla zaznamenána korelace měsíce narození a predispozice k diabetu 2. typu. Přitom odstup mezi dobou působení faktorů při narození dítěte a propuknutím samotného onemocnění je v průměru 50-60 let. Peter Gluckman a Mark Hanson formulovali tento problém následovně - ve vyvíjejícím se organismu dochází k epigenetické adaptaci na podmínky prostředí, které ovlivňují matku nesoucí dítě. Ale v případě stěhování nebo změny podmínek prostředí se dětský organismus „mýlí“ a hrozí nebezpečí onemocnění. Takže pokud má dítě během vývoje plodu nedostatek výživy, v těle probíhají metabolické procesy, epigenetika stimuluje geny k ukládání zdrojů pro budoucí použití. Takové dítě po narození, pokud hlad trvá, má velkou šanci přežít, ale pokud hlad není, dramaticky se u něj zvyšuje riziko obezity, cukrovky a srdečních chorob. [14] [19] [20]
Formování lidského těla a epigenetikaEpigenetické mechanismy (zejména metylace ) regulace aktivity genů se účastní mnoha procesů spojených s vývojem a formováním celého lidského těla. Inaktivace chromozomů X v embryu je problémem pro epigenetiku, což je způsobeno skutečností, že samice savců mají dvě kopie pohlavního chromozomu X a muži jeden chromozom X a jeden chromozom Y. Chromozom Y je menší a nese méně genetické informace, proto je pomocí metylace vypnut jeden ženský chromozom X, čímž se vyrovnává samice a samci v přenosu genetiky na potomky a neumožňuje zkreslená dědičnost. [39]
Jak víte, vývoj embrya začíná jedinou buňkou zygoty, poté se ve stadiu 32 buněk vytvoří blastocysta, která se skládá z trofoblastu a embryoblastu, následuje implantace do děložní stěny. Bez epigenetiky by nebylo možné pomocí jednoduché DNA a RNA přesně určit symetrii těla, kterým směrem bude růst hlava a kterým nohy. Obecně platí, že epigenetika je zodpovědná za tyto procesy a za rovnoměrné promíchání mateřského a otcovského genomu v embryu. V embryonálním stádiu 50-100 buněk je v každé buňce chromozom (otcovský nebo mateřský) náhodně vypnut metylací a zůstává již neaktivní při dalším vývoji buňky. [39] [40]
Embryo ve fázi primárního vývoje sestává z univerzálních embryonálních buněk , mohou se stát jakoukoli buňkou těla - mozkovými buňkami nebo buňkami nehtů. Epigenetická regulace genomu určuje, která buňka nebo tkáň se začnou tvořit a kde. Jakékoli selhání v práci epigenetiky vede k patologiím nebo smrti embrya, zatímco samotná DNA může být normální, bez patologií a mutací. Nevýhodou metylace je, že přímo souvisí s výživou otce a matky, zejména v období početí a březosti. Emoční otřesy, mozková aktivita matky, teplota, hlad, stres mají silný dopad na epigenetiku a metylaci DNA v embryu a následně i dítěti. [39] [40]
Epigenetika je zodpovědná za tvorbu zárodečných vrstev, jedná se o první fázi buněčného dělení na budoucí tkáně a orgány. Výsledkem je, že v konečné fázi epigenetika rozdělí buňky na téměř dvě stě typů. Všechny jsou výsledkem zapínání a vypínání genů v přesně definovaném časovém období. V důsledku toho geny fungují jako zcela řízené programy, zatímco epigenetické mechanismy tyto programy regulují. [40]
ImunitaEpigenetické mechanismy - modifikace histonů acetylací a deacetylací lysinových zbytků, remodelace chromatinu jsou kriticky důležité regulátory imunity u všech lidí. Epigenetika je zodpovědná za všechny reakce všech imunitních buněk na různé hrozby. V souvislosti s vrozenou imunitou reguluje epigenetika separaci vrozených od myeloidních buněk a je odpovědná za fenotypové variace v separovaných buňkách. Imunitní buňky reagují na antigeny a infekce prostřednictvím transkripčních kaskád. Tyto reakční kaskády jsou regulovány epigeneticky prostřednictvím modifikací histonů, remodelace chromatinu na genové úrovni, mikroRNA a metylace DNA. V důsledku toho se v reakci na hrozbu exprimují cytokiny a antiinfekční molekuly. Metylace DNA v souvislosti s vrozenou imunitou je méně prozkoumána než acetylace histonů. Je známo, že po onemocněních dochází k významným změnám v metylaci DNA v buňkách přirozené imunity. Působení vakcín je založeno na epigenetice těla. [41]
Epigenetická dědičnost může ovlivnit zdatnost, pokud předvídatelně změní vlastnosti v organismu prostřednictvím přirozeného výběru. Bylo prokázáno, že na změnu epigenů působí podněty z prostředí. Takový systém je relativně podobný tomu, co navrhoval Lamarck, ale neruší darwinovský systém přirozeného výběru. Epigenetika dává organismu výhodu při náhlé změně prostředí (od hladu k teplotám) a umožňuje mu úspěšněji přežít v malém a středním časovém měřítku. Darwinovská selekce přitom bude působit na všechny organismy, a pokud některé epigenetické změny nebudou prospěšné, jedinci potomky nezanechají. [dvacet]
V rostlinách Linaria vulgaris gen Lcyc řídí symetrii květů. Linnaeus popsal radiálně symetrické mutantní květy, vznikají silnou metylací genu Lcyc. Pro opylovače je důležitým faktorem jak tvar, tak symetrie květů, takže takové porušení genu Lcyc má pro rostliny škodlivé následky. Ani u zvířat nepřináší epigenetika vždy příznivé změny. Dědičné vlastnosti mohou vést ke zvýšené náchylnosti k nemocem. Zejména epigenetické změny u lidí vedou k onkologii. Vzorce metylace nádorů v genových promotorech jsou pozitivně spojeny s onkologickým přenosem dědičností v rámci rodin. MSH2 genová methylace u lidí je spojena s časným nástupem kolorektálního karcinomu a karcinomu endometria. [42] [43] [44] [45]
V rámci experimentu byla semena Arabidopsis thaliana demitylována, což způsobilo výrazné zvýšení úmrtnosti, pomalý růst, pomalé kvetení a nízký počet plodů. Tyto skutečnosti naznačují, že epigenetika může zvýšit zdatnost organismů. Reakce na stres přijímané jako důsledek environmentálního stresu jsou zděděné a pozitivně spojeny s zdatností organismů. U zvířat, jako jsou myši, ovlivňuje epigenetika komunitní hnízdění, zvýšenou péči rodičů a sociální kontakt a zlepšuje šance potomků na přežití. [46] [47] [48]
Dědičné epigenetické účinky na fenotypy jsou dobře zdokumentovány u bakterií, protistů, hub, rostlin, nematodů a ovocných mušek. Obecně platí, že podle moderního vývoje v experimentech hraje epigenetika u rostlin větší roli než u zvířat. U živočichů v raném stadiu (zárodek) je dědičnost epigenetickým mechanismem obtížnější, u rostlin a hub lze somatické buňky zařadit do embryonálního vývoje. Existuje teorie, že čím větší zvíře, tím déle žije, tím méně efektivní je epigenetická dědičnost, kvůli většímu časovému odstupu mezi generacemi. Například u myší jsou jasně viditelné příznivé epigenetické změny, které ovlivňují přežití a rychlou adaptaci na nové podmínky. Čím je však organismus větší, tím je pro něj obecně obtížnější měnit stanoviště, typ výživy, sexuální chování a tak dále. [49] [50]
Epigenetické objevy nejsou v rozporu ani s Lamarckovou teorií, ani s Darwinovou teorií, ale spíše souvisí s oběma. Například Lamarck předpokládal, že faktory prostředí ovlivňují změny ve fenotypech. Dnes je jasné, že tomu tak je, při vystavení prostředí, zejména v extrémních formách (sucho, hladomor), dochází k zesílení epigenetických změn v genomu a zárodečných liniích, což zvyšuje fenotypovou diverzitu. Darwinova teorie předpokládala, že přirozený výběr zvyšuje schopnost přežívajících populací úspěšně se rozmnožovat a ty, které se nejrychleji přizpůsobí měnícím se podmínkám prostředí, vždy přežijí. Darwinismus je tak v souladu s plasticitou epigenetických změn mezi generacemi a neustálým zvyšováním fenotypové diverzity v důsledku epigenetiky posilující přenos životem získaných vlastností. [25] [51]
Organismy na stejném místě nejvíce těží z epigenetického přenosu znaků. Čím více je organismus připoutaný k jednomu bodu, tím nižší je jeho schopnost rozptýlit geny do jiných bodů a čím jednodušší je jeho chování, tím důležitější je, aby v co největší míře předával potomkům epigenetické vlastnosti nahromaděné během života. To vysvětluje, proč je v málo se měnícím prostředí méně epigeneticky aktivních organismů a více v aktivně se měnícím prostředí. [25] [51]