Эпигеном учится на своем опыте

Эпигенетические метки действуют как своего рода клеточная память . Эпигенетический профиль клетки — набор меток, которые сообщают генам, должны ли они быть включены или выключены, — это сумма сигналов, полученных ею в течение ее жизни.

По мере того, как оплодотворенная яйцеклетка превращается в ребенка, десятки сигналов, полученных в течение дней, недель и месяцев, вызывают постепенные изменения в паттернах экспрессии генов. Эпигенетические метки записывают опыт клетки в ДНК, помогая стабилизировать экспрессию генов. Каждый сигнал отключает одни гены и активирует другие, подталкивая клетку к ее окончательной судьбе. Различный опыт приводит к тому, что эпигенетические профили каждого типа клеток со временем становятся все более разными. В конце концов формируются сотни типов клеток, каждая из которых имеет свою собственную идентичность и специализированную функцию.
Даже в дифференцированных клетках сигналы точно настраивают клеточные функции посредством изменений в экспрессии генов. Гибкий эпигеном позволяет нам приспосабливаться к изменениям в окружающем нас мире и учиться на собственном опыте.

В начале развития гены «готовы», как бегуны в стартовых колодках, готовые к действию.
В дифференцированной клетке активны только от 10 до 20% генов. Различные наборы активных генов делают клетку кожи отличной от клетки мозга.
Сигналы окружающей среды, такие как диета и стресс, могут вызывать изменения в экспрессии генов. Эпигенетическая гибкость также важна для формирования новых воспоминаний.

Эпигеном изменяется в ответ на сигналы. Сигналы поступают изнутри клетки, из соседних клеток или из внешнего мира (среды).

В начале развития большинство сигналов поступает из клеток или из соседних клеток. Питание мамы также важно на этом этапе. Пища, которую она приносит в свое тело, формирует строительные блоки для формирования растущего плода и его развивающегося эпигенома. Другие типы сигналов, такие как гормоны стресса, также могут передаваться от матери к плоду.

После рождения и по мере продолжения жизни более широкий спектр факторов окружающей среды начинает играть роль в формировании эпигенома. Социальные взаимодействия, физическая активность, диета и другие факторы генерируют сигналы, которые передаются от клетки к клетке по всему телу. Как и в раннем развитии, сигналы, поступающие изнутри тела, продолжают играть важную роль во многих процессах, включая физический рост и обучение. Гормональные сигналы вызывают большие изменения в период полового созревания.
Даже в пожилом возрасте клетки продолжают прислушиваться к сигналам. Сигналы окружающей среды запускают изменения в эпигеноме, позволяя клеткам динамично реагировать на внешний мир. Внутренние сигналы направляют действия, необходимые для поддержания организма, такие как пополнение клеток крови и кожи, восстановление поврежденных тканей и органов. Во время этих процессов, как и во время эмбрионального развития, опыт клетки переносится в эпигеном, где он отключает и активирует определенные наборы генов.

Чтобы узнать больше, посетите страницу «Пример сотовой связи: реакция на борьбу или бегство».

Как только сигнал достигает клетки, белки несут информацию внутрь. Как бегуны в эстафете, белки передают информацию друг другу. Специфика вовлеченных белков и то, как они работают, различаются в зависимости от сигнала и типа клетки. Но основная идея универсальна. Информация в конечном итоге передается белку, регулирующему гены, который прикрепляется к определенной последовательности букв в ДНК.

Чтобы узнать больше о том, как сигналы передаются от белка к белку, посетите The Inside Story of Cell Communication.

1. ВКЛЮЧАТЬ ИЛИ ВЫКЛЮЧАТЬ КОНКРЕТНЫЕ ГЕНЫ
Белок, регулирующий гены, присоединяется к определенной последовательности ДНК в одном или нескольких генах. Оказавшись там, он действует как переключатель, активируя гены или отключая их.

2. НАБЛЮДАЙТЕ ФЕРМЕНТЫ, КОТОРЫЕ ДОБАВЛЯЮТ И УДАЛЯЮТ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТКИ
Белки, регулирующие гены, также привлекают ферменты, которые добавляют или удаляют эпигенетические метки. Ферменты добавляют эпигенетические метки к ДНК, гистонам или тому и другому.
Эпигенетические метки дают клетке возможность «вспомнить» в долгосрочной перспективе, что должны делать ее гены.

По мере роста и деления клеток клеточный механизм точно копирует эпигенетические метки вместе с ДНК. Это особенно важно во время эмбрионального развития, поскольку прошлый опыт формирует будущий выбор. Клетка должна сначала «узнать», что она является клеткой глаза, прежде чем она сможет решить, стать ли частью хрусталика или роговицы. Эпигеном позволяет клеткам помнить свой прошлый опыт еще долго после того, как сигналы исчезают.

Используя исходные нити ДНК в качестве матрицы, ферменты, копирующие метил, прикрепляют метиловые метки к вновь реплицированным копиям ДНК. Каждой дочерней клетке будет передана одна исходная цепь ДНК и одна копия.