Епігенóміка — це розділ епігенетики та біоінформатики, що зосереджується на глобальному аналізі епігеному — сукупності епігенетичних модифікацій всього геному. Епігеноміка прагне дати повну картину молекулярних подій, які змінюють функціонування клітинної лінії, певної тканини або цілого організму поза генетичним рівнем — на рівні епігеному.
Епігеном впливає на експресію генів і клітинну функцію, «вмикаючи» чи «вимикаючи» певні гени, що впливає на більшість біологічних процесів, таких як розвиток, старіння й омолодження, формування пам’яті, навчання, розвиток хвороб й одужання від них тощо.
У той час як геноміка відноситься до вивчення структури, функціонування, картографування та редагування геномів, епігеноміка зосереджується на розумінні загальних епігенетичних модифікацій, які відбуваються в геномі. Геномні послідовності залишаються незмінними протягом життя організму, тоді як епігеном може змінюватися в результаті факторів навколишнього середовища та способу життя.
Дослідження епігеноміки має глибокі наслідки в багатьох галузях біології, включаючи біологію розвитку, фізіологію, нейронауку та патологію захворювань, зокрема онкопатологій, автоімунних, неврологічних та серцево-судинних захворювань. Епігеноміка допомагає пояснити механізми, що стоять за різноманітними захворюваннями людини, і дає нове розуміння стратегій лікування за межами традиційних генетичних підходів.
Вивчаючи епігеноміку, дослідники можуть краще зрозуміти, як фактори навколишнього середовища та спосіб життя впливають на експресію генів, і потенційно розробити втручання для зміни цих епігенетичних модифікацій. Оскільки розуміння цих процесів зростає, стає все більш очевидним, що галузь епігеноміки відіграватиме вирішальну роль у майбутніх терапевтичних стратегіях та персоналізованій медицині, особливо з розвитком технологій епігенетичного перепрограмування та .
Історія
Історія епігеноміки сягає корінням у відкриття метилювання ДНК і модифікацій гістонів.
Дослідження метилювання ДНК Про метилювання ДНК вперше було повідомлено в 1940-х і 50-х роках при дослідженні ДНК Escherichia coli.
Піонерські дослідження та П’ю (1975) заклали основу для розуміння моделей метилювання ДНК та їх ролі в регуляції активності генів. Дослідження Берда (2002) і та Берда (2003), що з’ясовували вплив метилювання ДНК на мовчання генів, продемонстрували його значення в контролі транскрипції.
Відкриття модифікації гістонів Ацетилювання гістонів було відкрито в 1960-х роках Вінсентом Алфрі та його колегами як форму модифікації гістонів, яка може регулювати транскрипцію.
Фундаментальне дослідження та ін. у 2007 році окреслило вплив модифікацій гістонів на структуру хроматину та регуляцію генів, підкресливши динамічну взаємодію між модифікаціями гістонів і транскрипційною активністю.
Дослідження некодуючих РНК Дослідження Лі та ін. (1993) і Фаєра та ін. (1998) розкрили ключову роль некодуючих РНК в епігенетичній регуляції, розширюючи розуміння їхньої участі в модуляції експресії генів.
Проєкт епігеному людини (HEP) Започаткований у 2003 році (Human Epigenome Project) мав на меті скласти карту та зрозуміти епігенетичний ландшафт геному людини, за аналогією Проєкту геному людини. Ініціативи HEP, у тому числі проект «Дорожня карта епігеноміки», створили комплексні епігенетичні карти для різних типів клітин і тканин.
Розвиток епігеномних технологій Розвиток високопродуктивних методів секвенування в кінці 2000-х, зробив революцію в епігеномних дослідженнях. Ці технології уможливили повногеномний аналіз метилювання ДНК і модифікацій гістонів, значно просунувши сферу епігеноміки.
Молекулярні основи Тіло людини містить, за деякими оцінками, 400 основних — але всі ці типи мають однакову послідовність ДНК — їх відрізняють зміни в епігеномі.
Метилювання ДНК
Метилювання ДНК — це біохімічний процес, який включає додавання метильної групи до молекули ДНК, як правило, до цитозину або аденіну. Метилювання ДНК може змінити активність сегмента ДНК без зміни його послідовності. Коли метилювання ДНК відбувається в промоторі гена, це, зазвичай, пригнічує транскрипцію гена, фактично «вимикаючи» ген.
Модифікація гістонів Гістони — це білки, навколо яких накручується ДНК, що дозволяє їй поміститися в ядрі клітини. Гістони можуть бути хімічно модифіковані додаванням або видаленням різних типів функціональних груп, включаючи ацетильні, метильні та фосфатні групи. Ці модифікації можуть впливати на експресію генів, роблячи ДНК більш або менш доступною для механізму транскрипції.
Ремоделювання хроматину Ремоделювання хроматину — це процес, який передбачає динамічну модифікацію архітектури хроматину, щоб забезпечити доступ конденсованої геномної ДНК до білків регуляторної транскрипції, і таким чином контролювати експресію генів. На зміни в структурі хроматину впливає хімічна модифікація білків гістонів і метилювання ДНК.
Некодуючі РНК та їх роль Некодуючі РНК (нкРНК) — це функціональні молекули РНК, які транскрибуються з ДНК, але не транслюються в білки. Найвідомішими прикладами нкРНК є транспортні РНК (тРНК) і рибосомні РНК (рРНК), але останнім часом було виявлено, що інші нкРНК, такі як мікроРНК, довгі некодуючі РНК і кільцеві РНК, які також відіграють важливу роль у регуляції генів, включаючи епігенетичну регуляцію. Вони залучені до різноманітних біологічних процесів, включаючи імпринтинг, дозову компенсацію та модуляцію структури хроматину.
Методи та інструменти
Секвенування імунопреципітацією хроматину (ChIP) Секвенування ChIP (ChIP-seq) — це метод, який використовується для аналізу взаємодії білка з ДНК. Він поєднує в собі імунопреципітацію хроматину (ChIP) із масивним паралельним секвенуванням ДНК для ідентифікації сайтів зв’язування ДНК-асоційованих білків. Його можливо використовувати для точного відображення глобальних сайтів зв’язування для будь-якого цікавлячого білка. Цей метод широко використовується в епігеноміці для ідентифікації місць модифікацій гістонів.
Бісульфітне секвенування Бісульфітне секвенування — це техніка, яка використовується для визначення патерну метилювання ДНК. Бісульфіт натрію (Натрій гідросульфіт) перетворює неметильовані цитозини в урацил, тоді як метильовані цитозини протистоять перетворенню. Подальша ПЛР і секвенування дозволяють ідентифікувати неперетворені (метильовані) залишки і таким чином надати детальну карту метилювання ДНК.
Бісульфітне повногеномне секвенування (Whole-genome bisulfite sequencing, WGBS) — це метод бісульфітного секвенування, який може створити повну та неупереджену картину статусу метилювання в усьому геному. Це дозволяє дослідникам вивчати метилювання ДНК з роздільною здатністю однієї основи та вважається золотим стандартом для вивчення метилювання ДНК у всьому геному.
Бісульфітне секвенування зі зниженим представленням (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS) — це техніка, яка дозволяє ефективно секвенувати сайти метилювання в геномі. Він використовує рестриктази для розрізання ДНК у певних місцях, збагачуючи ділянки з високим вмістом CpG. Обробка бісульфітом і секвенування дозволяють виявити метилювання ДНК.
Імунопреципітаційне секвенування метильованої ДНК (MeDIP-Seq) MeDIP-Seq — це метод, який використовується для збагачення метильованих послідовностей ДНК. Методика використовує антитіло проти 5-метилцитозину для імунопреципітації метильованої ДНК. Потім осаджену ДНК секвенують, забезпечуючи повногеномний профіль метилювання ДНК.
Аналіз хроматину, доступного для транспозази (ATAC-seq) — це техніка, яка використовується для вивчення доступності хроматину. Він використовує гіперактивну транспозазу Tn5 для вставки адаптерів секвенування в доступні ділянки хроматину. Області вставки потім можна секвенувати, забезпечуючи карту доступності хроматину, яку можна використовувати для визначення розташування потенційних регуляторних областей.
Високопродуктивні методи, біоінформатика та мультиоміка Високопродуктивні методи, такі як секвенування наступного покоління (, піросеквенування та іонне напівпровідникове секвенування) та мікроматриці, разом із передовими інструментами біоінформатики значно просунули сферу епігеноміки, дозволивши проводити епігенетичні дослідження в масштабах геному та інтегрувати епігеномні дані з іншими типами -омічних даних, щоб отримати більше повне розуміння геномної функції (див. Мультиоміка).
Епігеноміка та здоров'я людини
Епігеноміка та захворювання Епігеномні зміни пов’язані з різними захворюваннями, особливо онкопатології. Інші захворювання, такі як неврологічні розлади, аутоімунні захворювання та серцево-судинні захворювання, також мають значні епігенетичні компоненти. Нещодавні досягнення в розумінні епігеному дають нові знання про механізми, що лежать в основі цих захворювань, і можуть призвести до розробки нових терапевтичних стратегій.
Онкопатології Було показано, що зміни в епігеномі відіграють ключову роль у виникненні та прогресуванні різних типів раку. Ці зміни можуть включати шаблони метилювання ДНК, модифікації гістонів і зміни в некодуючих РНК, усі вони можуть істотно змінити шаблони експресії генів у ракових клітинах.
Неврологічні розлади Епігенетичні зміни також пов’язані з низкою неврологічних і психіатричних розладів, включаючи хворобу Альцгеймера, шизофренію та аутизм. Ці зміни можуть впливати на експресію генів у мозку, потенційно сприяючи патології захворювання.
Аутоімунні захворювання Аутоімунні захворювання, такі як вовчак, ревматоїдний артрит і розсіяний склероз, також були пов’язані зі змінами в епігеномі. Ці зміни можуть вплинути на імунну функцію та сприяти неадекватній імунній відповіді, яка спостерігається при цих захворюваннях.
Серцево-судинні захворювання Епігенетичні зміни все частіше визнаються ключовими факторами розвитку та прогресування багатьох серцево-судинних захворювань, включаючи артеріальну гіпертензію, атеросклероз, серцеву недостатність та інші. Епігенетичні зміни можуть змінювати експресію генів, які беруть участь у регуляції артеріального тиску, метаболізмі холестерину та запальній реакції, серед іншого. Це зростаюче розуміння відкриває нові можливості для профілактики, діагностики та лікування цих захворювань.
Метаболічні захворювання Епігеномні зміни пов’язують із метаболічними захворюваннями, такими як ожиріння та діабет 2 типу. Епігенетичні маркери можуть впливати на чутливість до інсуліну й інсулінорезистентність, адипогенез та енергетичний гомеостаз, і потенційно можуть бути цільовими для стратегій лікування.
Офтальмологічні захворювання Епігенетичні зміни пов’язані з багатьма офтальмологічними захворюваннями, включаючи вікову макулярну дегенерацію, глаукому, діабетичну ретинопатію та катаракту. Ці зміни в першу чергу включають метилювання ДНК і модифікацію гістонів, забезпечуючи потенційні мішені для терапевтичних втручань. Таким чином, розуміння цих епігенетичних змін може революціонізувати лікування захворювань і стратегії лікування, даючи нову надію на запобігання втраті зору.
Вікові захворювання Старіння пов’язане з рядом епігенетичних змін (див. Механізми старіння). Таким чином, епігеномні втручання можуть відігравати важливу роль як у лікуванні захворювань, пов’язаних із віком, включаючи певні форми деменції та остеоартрозу, так і в омолоджені per se.
Епігеномна терапія
Епігенетичні ліки Поле епігеноміки забезпечило новий набір цілей для терапевтичного втручання. Це призвело до розробки низки «епігенетичних ліків», спрямованих на скасування патологічних епігенетичних змін. До них належать препарати, які інгібують ДНК-метилтрансферази або гістондеацетилази, які є ферментами, які додають метильні або ацетильні групи до ДНК або гістонів відповідно.
Нутрігеноміка