Эпигенез - что это: раскрытие сущности явления
Эпигенез - удивительный биологический феномен, который помогает объяснить многие загадки развития и функционирования живых организмов. Давайте разберемся, что такое эпигенез, как он работает и почему так важен.
Определение эпигенеза и основные концепции
Понятие "эпигенез" впервые появилось в трудах Аристотеля, который изучал процессы эмбрионального развития животных. Он выдвинул идею, что организм возникает в результате последовательного новообразования частей из недифференцированного зачатка.
В противовес концепции эпигенеза существовала и другая точка зрения - преформизм . Ее сторонники считали, что в половых клетках уже предсуществуют зачатки всех будущих структур взрослого организма. По сути, плод как бы уже "предсформирован" в яйцеклетке или сперматозоиде. Между этими двумя представлениями шла ожесточенная борьба на протяжении столетий.
Хотя с позиций современной генетики концепция преформизма выглядит наивной, в свое время она имела немало сторонников среди видных ученых. Лишь в середине XVIII века благодаря работам Каспара Вольфа идея эпигенеза окончательно возобладала в научном сообществе.
Эпигенез - это процесс последовательного новообразования структур и тканей организма в ходе индивидуального развития из недифференцированной половой или стволовой клетки. Этот процесс определяется взаимодействием генетических и средовых факторов.
Механизмы реализации эпигенеза
Хотя геном всех клеток многоклеточного организма идентичен, разные типы клеток сильно отличаются друг от друга. Это происходит благодаря эпигенетическим механизмам, которые регулируют активность генов в каждой клетке.
Основные типы эпигенетических изменений:
- Метилирование ДНК
- Модификации гистонов
- Регуляция с помощью некодирующих РНК
Например, процесс метилирования заключается в присоединении метильных групп к цитозиновым основаниям в цепочке ДНК. Это приводит к блокированию транскрипции и «выключению» определенных генов в данном типе клеток.
Эпигенез в биологии объясняет, как из генетически идентичных клеток в процессе развития организма формируются совершенно разные типы клеток со специализированными функциями.
Эпигенетические факторы действуют как дирижеры оркестра, выбирая, какие гены должны быть активированы в данный момент времени и в данном типе клеток, - отмечает британский генетик Р. Холлидей.
Роль эпигенеза в онтогенезе
Эпигенетические механизмы играют ключевую роль в ходе индивидуального развития организма (онтогенеза). Особенно важна их регуляторная функция на ранних стадиях.
Во время дробления зиготы происходит масштабная перестройка эпигенома. Это запускает разные программы активности генов в клетках будущих зародышевых листков.
Затем на этапе гаструляции клетки уже обладают выраженной тканевой специфичностью благодаря эпигенетическим модификациям.
Дифференцировка тканей и органов
По мере деления зародышевых клеток в них накапливаются различные эпимутации. Это приводит к запуску транскрипции одних генов и подавлению других.
Так эпигенетическая регуляция обеспечивает постепенную дифференцировку тканей из первоначально идентичных стволовых клеток.
Пластичность в постнатальный период
Даже после рождения эпигеном продолжает изменяться под влиянием факторов внешней и внутренней среды.
Это обеспечивает высокую пластичность развития организма, его способность адаптироваться к меняющимся условиям.
Трансгенерационная эпигенетическая память
Удивительной особенностью эпигенетических модификаций является возможность их наследования. Информация о состоянии эпигенома может передаваться по наследству в ряду поколений.
Так, эпигенез в психологии - это механизм, объясняющий влияние травматического опыта предков на последующие поколения их потомков.
Каким образом эпигенетические изменения могут передаваться последующим поколениям? Рассмотрим основные молекулярные механизмы.
Метилирование ДНК
Устойчивые метильные метки могут сохраняться в гаметах и имплантироваться в геном зиготы при оплодотворении.
Ремоделирование хроматина
Особые белки и РНК также способны переносить информацию об эпигенетическом статусе из соматических клеток в половые.
Цитоплазматическая наследственность
Некоторые эпигенетические факторы могут попадать в яйцеклетку и определять паттерн экспрессии генов в раннем эмбриогенезе.
Практическое значение эпигенетики
Понимание молекулярных механизмов эпигенеза открывает новые возможности влияния на ход развития и функционирования организма с помощью лекарственных препаратов.
Применение в медицине
Эпигенетическая терапия уже активно разрабатывается против многих тяжелых заболеваний, включая онкологию и неврологические расстройства.
Перспективы в сельском хозяйстве
Технологии направленной модификации эпигенома могут использоваться для ускоренной селекции новых сортов растений.