Epigenetics Overview

Ngoại di truyền học là một thuật ngữ được đặt ra để mô tả những thay đổi không dựa trên đột biến nhưng vẫn có thể được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Các gen được kích hoạt hoặc bị ức chế mà không có bất kỳ sự thay đổi nào trong trình tự DNA được kiểm soát ngoại di truyền. Các biến đổi biểu sinh là ổn định, nhưng có khả năng đảo ngược các thay đổi trong biểu hiện gen xảy ra mà không có sự thay đổi vĩnh viễn trong trình tự DNA.

Nhiều loại quá trình biểu sinh đã được xác định -- chúng bao gồm methyl hóa, acetyl hóa, phosphoryl hóa, ubiquityl hóa, và tổng hợp histone cũng như methyl hóa DNA. Những thay đổi này thay đổi theo điều kiện môi trường. Các nhà nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng những thay đổi này làm thay đổi biểu hiện gen và kiểu hình ^(1-3). Quá trình biểu sinh nổi tiếng nhất, một phần vì nó dễ dàng nhất để nghiên cứu với công nghệ hiện có, là methyl hóa DNA. Đây là sự bổ sung hoặc loại bỏ một nhóm methyl (CH3), chủ yếu là nơi các bazơ cytosine xảy ra liên tiếp. Mô hình điều hòa biểu sinh hiện tại bắt đầu với DNA quấn quanh một tập hợp các histone acetyl hóa hoàn toàn; điều này đại diện cho một gen được phiên mã hoàn toàn, hoạt hóa. Sự ức chế phiên mã có thể được bắt đầu gần promoter bằng cách khử acetyl hóa dư lượng lysine của các protein histone gần đó. Sau đó, lysine có thể được methyl hóa lên đến ba lần mỗi lysine, mỗi lần khóa gen trong khi tắt. Cuối cùng, cytosine trong gen có thể được methyl hóa tại carbon 5 của chúng. Mỗi sửa đổi trong chuỗi này từ acetyl hóa đến methyl hóa DNA có liên quan đến sự nén chặt của gen thành nhiễm sắc thể dày đặc, không thể phiên mã được.

Ung thư, thường được mô tả như là một bệnh điều hòa, được biết là có DNA hypo-methyl hóa (dưới methyl hóa) ⁽⁵⁾. Các chất ức chế histone deacetylace (HDAC) và DNA methylase hiện đang được sử dụng trong điều trị ung thư ⁽⁶⁾. Các mục tiêu biểu sinh khác đã được xác định cho các rối loạn tâm thần ⁽⁷⁾ và nghiện ma túy ⁽⁸). Một nghiên cứu gần đây và fascinatin gstudy ⁽⁴⁾ cho thấy mối tương quan giữa methyl hóa DNA và tuổi (và sự khác biệt môi trường) ở cặp song sinh. Thêm vào đây là một dòng ổn định các giấy tờ biểu sinh mô tả các enzyme sửa đổi histone mới và tác dụng của chúng ^(9, 10). Ngoại di truyền học là một chủ đề rất tích cực trong nghiên cứu hiện tại.

Có một số cách phổ biến để xác định liệu một gen có chứa DNA methyl hóa hay không. Bởi vì tất cả quá trình methyl hóa xảy ra tại cytosine, các nhà nghiên cứu tận dụng thực tế rằng cytosine methyl hóa (MEC) ổn định để điều trị bisulfit nhưng cytosine không methyl hóa được chuyển thành uracil trong cùng điều kiện. Điều trị bisulfit, biểu hiện khi MOD5 0kit đột biến gen không methyl hóa để chứa uracil. Những gen được điều trị này sau đó có thể được giải trình tự để xác định trạng thái methyl hóa của mẫu gốc; quá trình này được gọi là trình tự bisulfit. Bộ dụng cụ cũng có thể được sử dụng để thực hiện PCR cụ thể methyl hóa, khai thác thay đổi C đến U và sử dụng mồi sẽ cho anneal khác nhau. MOD5 0was Bộ dụng cụ nhanh nhất và nhạy cảm nhất khi được đưa ra thị trường vào tháng 3 năm 2007.

Mức độ methyl hóa tổng thể của một bộ gen có thể là một thước đo hữu ích của những thay đổi quy định toàn cầu. Phép đo tham số này thường được thực hiện sau khi tiêu hóa hoàn toàn đến cơ sở duy nhất và sau đó sử dụng thiết bị đo thông số kỹ thuật khối hoặc HPLC.  MDQ 1kit , được phát hành vào tháng 10 năm 2008, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi quá trình methyl hóa DNA bằng một định dạng tương tự như ELISA sandwich. Đây là định dạng thân thiện hơn với các nhà nghiên cứu sinh học và là loại đầu tiên trên thị trường mở định lượng MEC toàn cầu cho các nhà khoa học nghiên cứu sinh học.

Một quá trình biểu sinh đáng kể khác là sửa đổi chất nhiễm sắc. Chất nhiễm sắc là phức hợp của protein (histone) và DNA được bó chặt để phù hợp với nhân. Các biến đổi histone thay đổi cấu trúc chất nhiễm sắc, và là một chỉ số ban đầu của điều hòa biểu sinh. Một cách để nghiên cứu hiện tượng này là thông qua công thức miễn dịch nhiễm sắc thể (chip). Kỹ thuật này bắt đầu với các tế bào và sử dụng tác nhân liên kết chéo với liên kết hóa học DNA và protein tương tác của nó. Kết quả DNA được phân lập, cắt xén, kết tủa từ số lượng lớn bằng cách sử dụng một kháng thể đặc hiệu protein (ví dụ histone acetyl hóa). Các liên kết chéo bị đảo ngược hoặc bị phá vỡ, và DNA kết tủa, bây giờ được làm giàu cho các chuỗi tương tác với protein quan tâm, được kiểm tra để xác định trình tự nào có mặt. Việc phát hiện có thể thông qua PCR khi tìm kiếm một vài gen, hoặc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng microarray (chip-chip) hoặc trình tự song song (sâu) (chip-seq).  CHP 1kit được nhắm mục tiêu hướng tới các sửa đổi histone, và là bộ duy nhất trên thị trường sử dụng định dạng tấm. Bộ dụng cụ kết quả tạo ra một hệ thống thông lượng cao, lý tưởng cho các nhà nghiên cứu háo hức sàng lọc nhiều mẫu để sửa đổi histone.

Chip-chip đòi hỏi khuếch đại mẫu DNA được làm giàu, vì công thức miễn dịch không cung cấp đến 1ug DNA cần thiết để phân tích microarray. Bộ khuếch đại GenomePlex Toàn bộ Genome (WGA2, WGA4) đã được áp dụng rất thành công cho khuếch đại DNA chip, và là phương pháp được lựa chọn để tạo ra nhiều hơn từ một mẫu DNA bị phân mảnh.

Mặc dù những bộ dụng cụ này rất quan trọng để nghiên cứu biểu sinh, kháng thể là một khía cạnh quan trọng không kém đối với lĩnh vực nghiên cứu này. Chip không thể được thực hiện nếu không có kháng thể cụ thể cho các sửa đổi histone. Hơn nữa, không phải tất cả các kháng thể hoạt động trong chip, vì epitope kháng nguyên có thể bị chặn hoặc thay đổi một khi liên kết chéo. Chúng tôi có một bộ sưu tập đang phát triển với  cát kháng thể nóng chảy đang hoạt động để cải thiện danh sách này.

Tài liệu tham khảo

1. Lyko F, Ramsahoye BH, Kashevsky H, Tudor M, Mastrangelo M, Orr-Weaver TL, Jaenisch R. 1999. Mammalian (cytosine-5) methyltransferases cause genomic DNA methylation and lethality in Drosophila. Nat Genet. 23(3):363-366. https://doi.org/10.1038/15551

2. Lee J, Hart SR, Skalnik DG. 2004. Histone deacetylase activity is required for embryonic stem cell differentiation. genesis. 38(1):32-38. https://doi.org/10.1002/gene.10250

3. Mutskov V, Felsenfeld G. 2004. Silencing of transgene transcription precedes methylation of promoter DNA and histone H3 lysine 9. EMBO J. 23(1):138-149. https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600013

4. Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, Ropero S, Setien F, Ballestar ML, Heine-Suner D, Cigudosa JC, Urioste M, Benitez J, et al. 2005. From The Cover: Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proceedings of the National Academy of Sciences. 102(30):10604-10609. https://doi.org/10.1073/pnas.0500398102

5. Feinberg AP, Vogelstein B. 1983. Hypomethylation distinguishes genes of some human cancers from their normal counterparts. Nature. 301(5895):89-92. https://doi.org/10.1038/301089a0

6. Witt O, Deubzer HE, Milde T, Oehme I. 2009. HDAC family: What are the cancer relevant targets?. Cancer Letters. 277(1):8-21. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2008.08.016

7. ABEL T, ZUKIN R. 2008. Epigenetic targets of HDAC inhibition in neurodegenerative and psychiatric disorders. Current Opinion in Pharmacology. 8(1):57-64. https://doi.org/10.1016/j.coph.2007.12.002

8. Romieu P, Host L, Gobaille S, Sandner G, Aunis D, Zwiller J. 2008. Histone Deacetylase Inhibitors Decrease Cocaine But Not Sucrose Self-Administration in Rats. Journal of Neuroscience. 28(38):9342-9348. https://doi.org/10.1523/jneurosci.0379-08.2008

9. Bártová E, Krej?í J, Harni?arová A, Galiová G, Kozubek S. 2008. Histone Modifications and Nuclear Architecture: A Review. J Histochem Cytochem.. 56(8):711-721. https://doi.org/10.1369/jhc.2008.951251

10. Sims RJ, Millhouse S, Chen C, Lewis BA, Erdjument-Bromage H, Tempst P, Manley JL, Reinberg D. 2007. Recognition of Trimethylated Histone H3 Lysine 4 Facilitates the Recruitment of Transcription Postinitiation Factors and Pre-mRNA Splicing. Molecular Cell. 28(4):665-676. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2007.11.010