Cơ chế
Một số loại hệ thống thừa kế di truyền có thể đóng một vai trò trong cái gọi là bộ nhớ di động, tuy nhiên lưu ý rằng không phải tất cả những điều này đều được chấp nhận rộng rãi để trở thành ví dụ về biểu sinh thể.
Sửa đổi Covalent
Sự thay đổi Covalent của một trong hai DNA (ví dụ metyl hóa cytosine và hydroxymethylation) hoặc các protein histone (ví dụ như acetyl hóa lysine, methyl hóa arginine lysine và arginine, phosphoryl serine và threonine, và ubiquitination lysine và sumoylation) đóng vai trò trung tâm trong nhiều kiểu di truyền biểu sinh. Do đó, từ “epigenetics” đôi khi được sử dụng như một từ đồng nghĩa cho các quá trình này. Tuy nhiên, điều này có thể gây hiểu nhầm. Chromatin không phải lúc nào cũng được thừa kế, và không phải tất cả sự thừa hưởng biểu sinh đều liên quan đến việc tái tạo sắc tố.
DNA liên kết với các protein histone tạo thành chromatin.
Bởi vì các kiểu hình của một tế bào hoặc cá thể bị ảnh hưởng bởi các gen của nó được sao chép, các trạng thái phiên mã di truyền có thể dẫn đến các hiệu ứng biểu sinh. Có một vài lớp quy định về biểu hiện gen. Một cách mà các gen được điều chỉnh là thông qua việc tái tạo chất nhiễm sắc. Chromatin là phức hợp của DNA và các protein histone mà nó liên kết. Nếu cách mà DNA được bọc xung quanh histones thay đổi, biểu hiện gen cũng có thể thay đổi. Cải tạo Chromatin được thực hiện thông qua hai cơ chế chính:
Cách thứ nhất là sửa đổi các axit amin tạo thành các protein histone. Protein histone được tạo thành từ các chuỗi amino axit dài. Nếu các axit amin trong chuỗi được thay đổi, hình dạng của histone có thể được sửa đổi. ADN không hoàn toàn rút ra trong suốt quá trình nhân bản. Do đó, có thể đưa histone đã sửa đổi vào mỗi bản sao DNA mới. Một khi đã có, những histone này có thể hoạt động như các mẫu, bắt đầu các histone xung quanh được hình thành theo cách mới. Bằng cách thay đổi hình dạng của các histone xung quanh chúng, các histone đã sửa đổi này sẽ đảm bảo rằng một chương trình phiên mã đặc hiệu cho dòng dõi được duy trì sau khi phân chia tế bào.
Cách thứ hai là bổ sung các nhóm methyl vào DNA, chủ yếu ở các vị trí CpG, để chuyển cytosine thành 5-methylcytosine. 5-Methylcytosine thực hiện giống như một cytosine thông thường, kết hợp với guanine trong DNA kép. Tuy nhiên, một số vùng của bộ gen được methyl hóa nhiều hơn các khu vực khác, và các khu vực có methyl hóa cao có khuynh hướng hoạt động ít phiên mã hơn, thông qua một cơ chế chưa được hiểu đầy đủ. Methylation cytosines cũng có thể tồn tại từ dòng vi trùng của một trong các bậc cha mẹ vào tử hợp, đánh dấu nhiễm sắc thể như là di truyền từ cha mẹ hoặc người kia (in dấu di truyền).
Các cơ chế di truyền của trạng thái histone không được hiểu rõ; tuy nhiên, nhiều điều được biết về cơ chế di truyền của tình trạng methyl hóa DNA trong quá trình phân chia và phân biệt tế bào. Tính di truyền của trạng thái methyl hóa phụ thuộc vào các enzym nhất định (như DNMT1) có ái lực cao hơn 5-methylcytosine so với cytosine. Nếu enzym này đạt đến một phần “hemimethylated” của DNA (ở đó 5-methylcytosine chỉ là một trong hai sợi ADN), enzym sẽ methyl hóa nửa còn lại.
Mặc dù các sửa đổi histone xảy ra trong suốt toàn bộ trình tự, N-không có cấu trúc của histones (gọi là đuôi histone) đặc biệt được đánh giá cao. Những sửa đổi bao gồm acetyl hóa, methyl hóa, ubiquitylation, phosphoryl hóa, sumoylation, ribosylation và citrullination. Acetyl hóa là nghiên cứu cao nhất của những sửa đổi này. Ví dụ, acetyl hóa các lysines K14 và K9 của đuôi histone H3 bởi các enzyme histone acetyltransferase (HATs) thường liên quan đến khả năng phiên mã.
Một cách suy nghĩ là xu hướng acetyl hóa này có liên quan đến phiên mã “hoạt hóa” có tính chất sinh lý. Bởi vì nó thường có nitơ tích điện dương vào cuối của nó, lysine có thể liên kết các photphat tích điện âm của xương sống DNA. Sự kiện acetyl hóa chuyển đổi nhóm amine tích điện dương trên chuỗi bên trong thành một liên kết amit trung tính. Điều này loại bỏ các phí tích cực, do đó nới lỏng DNA từ histone. Khi điều này xảy ra, các phức hợp như SWI / SNF và các yếu tố phiên mã khác có thể liên kết với DNA và cho phép sao chép xảy ra. Đây là mô hình “cis” của chức năng biểu sinh. Nói cách khác, những thay đổi của đuôi histone có ảnh hưởng trực tiếp đến DNA.
Một mô hình chức năng biểu sinh là mô hình “trans”. Trong mô hình này, những thay đổi ở đuôi histone tác động gián tiếp lên DNA. Ví dụ, acetyl hóa lysine có thể tạo ra một vị trí liên kết cho enzyme điều chỉnh chromatin (hoặc máy móc phiên mã cũng). Chất làm thay đổi độ sắc màu này có thể gây ra sự thay đổi trạng thái của chất nhiễm sắc. Quả thật, một bromodomain – một protein domain liên kết đặc biệt với acetyl-lysine – được tìm thấy trong nhiều enzyme giúp kích hoạt phiên mã, bao gồm phức hợp SWI / SNF. Có thể là acetylation hoạt động theo cách này và cách trước đây để hỗ trợ kích hoạt phiên mã.
Ý tưởng rằng sự sửa đổi đóng vai trò như các mô-đun cập nhật cho các yếu tố liên quan cũng được chứng minh bởi methyl hóa histone. Methylation của lysine 9 của histone H3 từ lâu đã được kết hợp với chromatin constitutively transcriptally im lặng (constitutive heterochromatin). Nó đã được xác định rằng một chromodomain (một domain liên kết cụ thể với methyl-lysine) trong protein ức chế transcriptally HP1 tuyển dụng các vùng methyl hóa HP1 đến K9. Một ví dụ dường như bác bỏ mô hình sinh lý học cho methyl hóa này là tri-metyl hóa histone H3 ở lysine 4 liên quan chặt chẽ với sự kích hoạt phiên mã phiên bản (và bắt buộc). Tri-methyl hóa trong trường hợp này sẽ đưa ra một điện tích dương cố định trên đuôi.
Nó đã được chỉ ra rằng histone lysine methyltransferase (KMT) chịu trách nhiệm cho hoạt động methyl hóa này trong mô hình của histones H3 & H4. Enzyme này sử dụng một địa điểm hoạt động xúc tác được gọi là tên miền SET (Suppressor của variegation, Enhancer of zeste, Trithorax). Miền SET là một chuỗi 130 amino acid tham gia điều biến các hoạt động của gen. Miền này đã được chứng minh để ràng buộc với đuôi histone và gây ra methyl hóa của histone.
Sự thay đổi khác nhau của histone có thể hoạt động theo những cách khác nhau; acetyl hóa tại một vị trí có thể hoạt động khác với acetyl hóa ở vị trí khác. Ngoài ra, nhiều sửa đổi có thể xảy ra cùng một lúc, và những sửa đổi này có thể làm việc cùng nhau để thay đổi hành vi của nucleosome. Ý tưởng rằng nhiều sửa đổi động quy định sao chép gen một cách có hệ thống và có thể tái tạo được gọi là mã histone, mặc dù ý tưởng rằng trạng thái histone có thể được đọc tuyến tính như một tàu sân bay thông tin số đã được phần lớn debunked. Một trong những hệ thống được hiểu rõ nhất điều khiển sự im lặng trên cơ sở nhiễm sắc thể là sự im lặng của protein SIR của loại nấm men ẩn ẩn HML và HMR.
DNA methyl hóa thường xảy ra ở các trình tự lặp đi lặp lại, và giúp ngăn chặn biểu hiện và vận động của các yếu tố chuyển tiếp Bởi vì 5-methylcytosine có thể được deaminated tự nhiên (thay thế nitơ bằng oxy) đến thymidine, các vị trí CpG thường bị đột biến và trở nên hiếm trong bộ gen, ngoại trừ các hòn đảo CpG nơi chúng vẫn chưa được methyl hóa. Các thay đổi biểu sinh của loại này do đó có khả năng trực tiếp tăng tần số đột biến gen di truyền. Các mẫu methyl hóa DNA được biết là được thiết lập và thay đổi để phản ứng với các yếu tố môi trường bằng một sự tương tác phức tạp của ít nhất ba chuỗi DNAtransferase độc lập, DNMT1, DNMT3A và DNMT3B, sự mất mát của bất kỳ trong số đó là gây tử vong ở chuột . DNMT1 là chất chuyển hóa methyltransferase phổ biến nhất trong tế bào soma, có khả năng nhân bản foci,có độ ưu tiên 10-40 lần đối với DNA hemimethyl hóa và tương tác với các tế bào hạt nhân sinh sôi nảy nở (PCNA)
Bằng cách thay đổi ưu tiên DNA hemimethyl hóa, DNMT1 chuyển các mô hình methyl hóa thành một sợi mới được tổng hợp sau khi sao chép DNA và do đó thường được gọi là methyltransferase ‘duy trì’ DNMT1 rất cần thiết cho sự phát triển phôi thai phù hợp, in ấn và khử hoạt tính X. Để nhấn mạnh sự khác biệt của cơ chế di truyền phân tử này từ cơ chế kết hợp cơ bản của Watson-Crick trong việc truyền tải thông tin di truyền, thuật ngữ ‘Hình mẫu Bản địa’ đã được giới thiệu. Hơn nữa, ngoài việc duy trì và truyền các trạng thái DNA methyl hoá, cùng một nguyên tắc có thể làm việc trong việc duy trì và truyền các sửa đổi histone và ngay cả các trạng thái di truyền của tế bào chất (cấu trúc).
Các histon H3 và H4 cũng có thể được điều khiển qua demethylation bằng cách sử dụng demethylase histamine lysine (KDM). Enzyme được xác định gần đây này có một địa điểm hoạt động xúc tác gọi là miền Jumonji (JmjC). Sự demethylation xảy ra khi JmjC sử dụng nhiều đồng dẫn để hydroxylat nhóm metyl, do đó loại bỏ nó. JmjC có khả năng phân ly các chất nền mono-, di-, và tri-methyl hóa.
Các vùng nhiễm sắc thể có thể chấp nhận các trạng thái thay thế ổn định và di truyền dẫn đến biểu hiện gen bistable mà không thay đổi chuỗi DNA. Kiểm soát biểu sinh thường liên quan đến những thay đổi cộng hóa trị của histones. Tính ổn định và tính di truyền của các trạng thái nhiễm sắc thể lớn hơn được gợi ý có liên quan đến phản hồi tích cực khi các nucleosome biến đổi tuyển các enzyme tương tự như vậy làm thay đổi các nucleosome gần đó. Một mô hình ngẫu nhiên đơn giản cho loại epigenetics này được tìm thấy ở đây.
Người ta đã gợi ý rằng điều chế phiên mã dựa trên chất chromatin có thể được trung gian bởi ảnh hưởng của các RNA nhỏ. RNA can thiệp nhỏ có thể điều chỉnh biểu hiện gen phiên mã thông qua điều chế biểu sinh của các promoter đích.