Informatie

Zijn epigenetische veranderingen betrokken bij evolutie?


Evolutie leidt tot fenotypische veranderingen door veranderingen in DNA zoals mutaties. Mutaties worden doorgegeven aan het nageslacht. Cumulatieve mutatieveranderingen over vele generaties kunnen evolutie en soortvorming veroorzaken.

Voor zover ik weet, epigenetische veranderingen zorgt ervoor dat een persoon verandert in hoe het eruit ziet (fenotypische veranderingen). Op hun beurt kunnen epigenetische veranderingen worden doorgegeven aan het nageslacht, net zoals DNA-mutaties dat kunnen zijn.

Is epigenetica een factor in evolutie??


Om te beginnen zal ik een deel van een antwoord dat ik eerder heb gepost, opnieuw plaatsen, waarin wordt uitgelegd wat evolutie is:

Evolutie is gewoon een proces van verandering. Het is een verandering in eigenschapswaarden van populaties in de tijd. Het is het resultaat van vier mechanismen: mutatie, migratie, drift en selectie.

"Evolutie betekent verandering, verandering in de vorm en het gedrag van organismen tussen generaties... Wanneer leden van een populatie zich voortplanten en de volgende generatie produceren, kunnen we ons een afstamming van populaties voorstellen, bestaande uit een reeks populaties door de tijd heen. Elke populatie is voorouders van de afstammeling van de populatie in de volgende generatie: een afstamming is een voorouderlijke afstammingsreeks van populaties. Evolutie is dan verandering tussen generaties binnen een populatie-afstamming. " - Ridley, Evolutie

Uw antwoord:

Evolutie hangt af van de overerving van informatie van de voorouderlijke populatie naar de afstammeling. Veel van de tijd hebben we het over informatie in de vorm van genetische variatie, de informatie die in het DNA zit. We realiseren ons echter steeds meer dat er ook andere vormen van informatieoverdracht kunnen optreden, waaronder epigenetische effecten, en dat deze kunnen bijdragen aan de evolutie.

"Epigenetische modificaties zijn een beetje zoals ornamenten op een kerstboom; de boom (de DNA-sequentie) is nog steeds hetzelfde, maar de versieringen (epigenetische modificaties) veranderen hoe het wordt waargenomen."...

"In de afgelopen jaren hebben verschillende onderzoeken de epigenetische modificaties van ons genoom vergeleken met die van andere mensapen, wat heeft geleid tot een opkomend beeld van het belang van epigenetica in onze recente evolutionaire geschiedenis."...

"De rol van epigenetica in de evolutie (met name de evolutie van primaten) is een actief en opwindend onderzoeksgebied... " - Natuur Scitable


De bewerkte vraag is ook breed van opzet, maar je kunt hem verkleinen door over specifieke voorwaarden te praten. De rol van epigenetische markers die helpen bij het overleven onder stressomstandigheden, vooral bij A. thaliana, wordt bijvoorbeeld zeer gewaardeerd.

Epigenetica zou mogelijk ook een belangrijk mechanisme kunnen zijn dat ontwikkelingsplasticiteitsvorming van twee of meer fenotypen van hetzelfde genotype mogelijk maakt, een proces dat organismen helpt zich aan te passen aan veranderende omgevingen (Developmental Plasticity and Evolution-Mary Jane West Eberhard, Oxford Univ. Press 2003) .

In beide hierboven beschreven scenario's kunnen epigenetische veranderingen een differentieel succes in overleving (bijvoorbeeld onder stress) en/of reproductie (bijvoorbeeld bloei) van individuen in een populatie in vergelijking met dieren zonder deze markers bevorderen, wat leidt tot evolutie in de volgende generatie.


Epigenetica

De heersende opvatting in de wetenschap is dat genetische mutaties kanker veroorzaken. Deze veranderingen in de sequentie van een gen (die veroorzaakt kunnen worden door pech, overerving of blootstelling aan een kankerverwekkende stof, zoals sigaretten) kunnen de functie en het gedrag van een gen veranderen, waardoor een cel kanker wordt. Epigenetische veranderingen in genen kunnen echter ook het gedrag veranderen. Een verhaal over futurisme bespreekt hoe veranderingen in histonen de ziekte kunnen veroorzaken bij patiënten met een zeldzame hersentumor, ependymomen genaamd. De kennis kan leiden tot nieuwe behandelingen.

Schizofrenie heeft een ziektepercentage van 50 procent bij monozygote (identieke) tweelingen, wat betekent dat de ziekte een sterke genetische component heeft. Maar het suggereert ook dat genen niet het hele verhaal vertellen. Augusta University psychiater Brian Miller heeft een uitstekende discussie in de Psychiatrische Tijden van de mogelijke epigenetische oorzaken van schizofrenie. Een bewijsstuk waarnaar Miller verwijst, is een groot genoom-breed DNA-methyleringsonderzoek waaruit bleek dat er bij mensen met de ziekte significante abnormale methylatieniveaus zijn op verschillende genen waarvan wordt aangenomen dat ze betrokken zijn bij het begin van de ziekte.

In november organiseerde de Royal Society een bijeenkomst met de titel 'Nieuwe trends in evolutionaire biologie'. Het doel was om veranderingen in de evolutietheorie te bespreken. Voordat creationisten te enthousiast worden, moet worden opgemerkt dat het niet de bedoeling was om Darwins baanbrekende evolutietheorie door natuurlijke selectie te verwerpen, maar om te overwegen deze te updaten met nieuwe inzichten, gegevens en technologieën. Het is niet de eerste keer dat wetenschappers dit doen. In het midden van de twintigste eeuw kwamen wetenschappers bijeen om nieuwe inzichten toe te voegen vanuit het (destijds) opkomende gebied van genetica. Ze vertrokken met wat de moderne synthese wordt genoemd.

Denis Noble ziet nu behoefte aan een uitgebreide evolutionaire synthese. Credit: Tom Parker voor Quanta Magazine

Kevin Laland, mede-organisator van de Royal Society-bijeenkomst, en zijn collega's zijn van mening dat Modern Synthesis moet worden uitgebreid met transgenerationele epigenetische overerving. Ze noemen hun nieuwe evolutietheorie de Extended Evolutionary Synthesis. Carl Zimmer deed verslag van de bijeenkomst voor Quanta en beschreef een deel van het gepresenteerde bewijsmateriaal:

Het bewijs voor dit effect is het sterkst in planten. In één onderzoek waren onderzoekers in staat om gedurende 31 generaties veranderde methylatiepatronen op te sporen in een plant genaamd Arabidopsis. En dit soort overerving kan een belangrijk verschil maken in hoe een organisme werkt. In een ander onderzoek ontdekten onderzoekers dat erfelijke methylatiepatronen de bloeitijd van Arabidopsis, evenals de grootte van zijn wortels. De variatie die deze patronen creëerden was zelfs groter dan wat gewone mutaties veroorzaakten.

"Deze strategie is om snelle evolutionaire genoomveranderingen teweeg te brengen als reactie op de ongunstige omgeving", legt Oxford-onderzoeker Dennis Noble uit aan het publiek. "Het is een zichzelf in stand houdend systeem waardoor een bepaalde eigenschap onafhankelijk van het DNA kan optreden."

Niet iedereen was echter overtuigd. David Shuker van de Universiteit van St. Andrews stond op en daagde Noble uit om een ​​biologisch mechanisme uit te leggen. Het was iets, zei Zimmer, waar Noble moeite mee had.

Douglas Futuyma van de Stony Brook University in New York presenteerde de tegenovergestelde visie, waarvan hij grapte dat het "de Jura-visie op evolutie" was. Futuyma betoogde dat de kernprincipes van de moderne synthese sterk zijn. Hij liet de deur open voor een dialoog, maar deed een krachtig beroep op data in plaats van retoriek en zei: 'Ik denk dat wat we emotioneel of esthetisch aantrekkelijker vinden niet de basis is voor de wetenschap'. Er zijn genoeg essays en position papers geweest.'

Laland is het ermee eens: "Het doet het onderzoek, dat is wat onze critici ons zeggen te doen. Ga het bewijs zoeken.”


Epigenetica

5. Conclusies

Epigenetische controlemechanismen zijn gegroepeerd in drie brede klassen, zoals posttranslationele histonmodificaties en chromatine-remodellering, DNA-methylatie en ncRNA-interacties. Het samenspel van deze mechanismen in intra- en internucleosomale interacties over korte en lange afstanden genereert een verscheidenheid aan chromatinetoestanden. De som van deze mechanismen is fundamenteel voor de regulatie van diverse cellulaire processen door middel van differentiële transcriptionele uitlezing van hetzelfde genetische materiaal. Het belang van epigenetica wordt onderstreept door vele ziekten die kunnen ontstaan ​​als gevolg van mutaties in epigenetische regulerende eiwitten, verkeerde regulering van de epigenetische machinerie en afwijkende plaatsing of verwijdering van epigenetische tekens. De omkeerbare aard van epigenetische veranderingen is een aantrekkelijk doelwit voor therapieën die kunnen helpen het epigenoom terug te brengen naar de normale toestand. Het feit dat sommige van deze epigenetische geneesmiddelen effectief zijn geweest bij de behandeling van kankers, zoals hematologische maligniteiten, versterkt het belang van epigenetica. De recente ontwikkelingen in high-throughput sequencing-technieken hebben epigenoomprofilering van verschillende celtypen in hun normale of pathologische toestand mogelijk gemaakt. Deze epigenoomsignaturen kunnen waardevol zijn voor ziektediagnose, prognose en behandelingsmogelijkheden. Lopend en toekomstig onderzoek in het veld hoopt licht te werpen op epigenetische veranderingen van een groot aantal inputs, zoals veroudering, metabole, nutritionele, fysiologische toestanden, omgevingscondities, vroege en late blootstellingen, chemische en immunologische uitdagingen.


Epigenetica: een nieuwe discipline

Een nieuwe discipline was geboren, de studie van epigenetica (boven of boven genetica). Een van degenen die onderzoek doet naar dit intrigerende mechanisme, dr. Bas Heijmans, zegt: "Epigenetica zou een mechanisme kunnen zijn dat een individu in staat stelt zich snel aan veranderde omstandigheden aan te passen" Het zou kunnen dat het metabolisme van kinderen van de Hongerwinter op een meer economisch niveau, gedreven door epigenetische veranderingen.&rdquo 4 Neurobioloog Oded Rechavi van de Universiteit van Tel Aviv verklaarde dat &ldquo de kinderen van Nederlandse hongersnoodslachtoffers verschillende effecten van hun erfelijkheid vertoonden die een soort compensatie leken te zijn voor de honger van hun ouders.&rdquo 5

Onderzoek dat wijst op veranderingen in de toegang tot genetische informatie in het DNA (genotype) gedreven door externe of omgevingsstimuli, en resulterend in een verandering in het organisme (fenotype), neemt toe. Er zijn experimenten gedaan met wormen: "Voorheen had nog niemand aangetoond dat het voldoende is om de omgevingsomstandigheden van de wormen te veranderen om erfelijkheid te veroorzaken die afhankelijk is van DNA & hellip Omdat het beperken van de calorie-inname het leven blijkbaar verlengt, leefden de achterkleinkinderen van onze uitgehongerde wormen 1,5 keer langer dan gewone wormen&mdashondanks het feit dat ze niet minder aten dan elke andere worm.&rdquo 6

In een ander voorbeeld bleef een RNA-demper, geïnduceerd in wormen als reactie op een geïntroduceerd virus, zich meer dan 100 generaties lang uiten. 7

Studies naar bizonbotten gevonden in permafrost in een Canadese goudmijn gaven aan dat epigenetische veranderingen in de bizonpopulatie hen in staat stelden zich snel aan te passen aan veranderingen in het klimaat. Dit zijn veranderingen die veel te snel gaan om te verklaren door traditionele darwinistische modellen van natuurlijke selectie. &ldquoDe botten spelen een sleutelrol in een wereldwijd eerste onderzoek, geleid door onderzoekers van de Universiteit van Adelaide, waarin speciale genetische modificaties worden geanalyseerd die genen aan- en uitzetten, zonder de DNA-sequentie zelf te veranderen. Deze &lsquoepigenetische&rsquo veranderingen kunnen snel plaatsvinden tussen generaties&mdash zonder dat er tijd nodig is voor standaard evolutionaire processen.&rdquo 8

Wetenschappers die experimenten uitvoerden met agouti-muizen ontdekten dat ze door het manipuleren van voeding een bepaald gen konden uitschakelen. Wanneer het gen actief is ('lsquoon') zijn de muizen normaal zwaarlijvig en geelachtig van kleur door het gen uit te schakelen, zien de muizen er normaal, slank en bruin uit. Door vóór de paring een combinatie van voedingsstoffen, waaronder vitamine B12, aan de moeder te geven, kon het gen bij de baby's worden uitgeschakeld. 9

Evolutionisten die vasthouden aan het paradigma van de moderne synthese (neo-darwinisme dat mutaties en natuurlijke selectie de diversiteit van het leven op aarde verklaren) hebben de neiging zich sterk te verzetten tegen de conclusies die voortkomen uit epigenetisch onderzoek. Volgens hen is evolutie een langzaam proces van willekeurige mutaties in het genoom, wat soms resulteert in een klein voordeel in het fenotype. Dit wordt bevorderd door natuurlijke selectie en door Mendeliaanse overerving doorgegeven aan toekomstige generaties. Het gen wordt gezien als de meester die de uiterlijke expressie in de cel en het grotere organisme regelt, een idee dat populair werd in het boek van Dawkins, Het egoïstische gen. Het idee dat de interactie van de uiterlijke vorm van een organisme met de omgeving informatie teruggeeft aan het genoom, of zelfs maar van invloed is op hoe het genoom werkt, is voor hen een gruwel.

Erger nog voor evolutionisten, epigenetica suggereert dat latente genetische informatie in het DNA zit te wachten tot een bepaalde omgeving wordt in- of uitgeschakeld. Het is als informatie in een boek met bepaalde pagina's aan elkaar geniet, alleen om te worden geopend en de informatie wordt verwerkt in bepaalde omgevingsomstandigheden. Als evolutie plaatsvindt door natuurlijke selectie, via de omgeving die het effect van willekeurige mutaties opruimt of in stand houdt, hoe kan er dan een 'suite' van genetische informatie zijn die daar wacht om te worden ingeschakeld door een omgeving waaraan het organisme nog moet worden blootgesteld? Het stelt een ander 'kip of ei'-raadsel voor de talloze die evolutionisten al uitdagen.


De rol van epigenetica in evolutie: de uitgebreide synthese

In 1942 schreef Julian Huxley een invloedrijk boek Evolutie: de moderne synthese die generaties genetici tot op de dag van vandaag heeft beïnvloed. De basis van de 'moderne synthese', ook wel de 'nieuwe synthese' genoemd, is dat het de vraag behandelt of Mendeliaanse genetica kan worden verzoend met geleidelijke evolutie door middel van natuurlijke selectie van bestaande genetische variatie. De moderne synthese stelt dat "genetische assimilatie" van bestaande variatie de aanpassing aan een stressvolle omgeving en de evolutie van nieuwe soorten kan verklaren. We stellen een "ultramoderne synthese" voor die een reeks reacties omvat die een organisme maakt op veranderingen of onzekerheid in het milieu, de tijdschalen van deze processen, het potentieel voor omkeerbaarheid en de wisselwerking tussen individuele en populatieprocessen. Epigenetica is geen alternatief voor genetisch gebaseerde aanpassing. Het is eerder een mechanisme waarmee een individu zijn biologie aanpast als reactie op een stimulus en die verandering mogelijk van generatie op generatie doorgeeft.

We nodigen auteurs uit om originele onderzoeksartikelen in te dienen, evenals recensieartikelen in de volgende onderwerpen voor de evolutie van zowel mens als modelorganisme. Mogelijke onderwerpen omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

  • Transgeneratie epigenetica
  • Hoe epigenetische effecten bijdragen aan fenotypische variatie en ecologische breedte in inheemse en invasieve planten
  • Experimentele evolutie van epigenetische effecten in Arabidopsis
  • Fenotypische plasticiteit in natuurlijke en landbouwsystemen in veranderende omgevingen
  • Bioinformatica-bewijs voor epigenetische veranderingen die leiden tot genetische veranderingen
  • Bio-informatica bewijs dat prionen betrokken zijn bij epigenetische overerving
  • Epigenetische bijdragen aan herhaalde uitbreidingen en contracties in het genoom
  • Hsp90 als epigenetische condensator voor morfologische evolutie
  • Kwantitatieve epigenetica en de epigenetische assimilatie van metastabiele epiallelen
  • Hybride onverenigbaarheden, evolutie en epigenetica
  • Heterochromatine evolutie
  • Neocentromere evolutie
  • De rol van inprenting in evolutie
  • De rol van X-chromosoominactivatie in evolutie

Artikelen die in dit speciale nummer worden gepubliceerd, zijn niet onderworpen aan de artikelverwerkingskosten van het tijdschrift.


Dankzij epigenetische mechanismen kunnen inheemse Peruanen op grote hoogte gedijen

Mensen bewonen een ongelooflijk scala aan omgevingen over de hele wereld, van dorre woestijnen tot bevroren toendra, tropische regenwouden en enkele van de hoogste toppen op aarde. Inheemse bevolkingsgroepen die duizenden jaren in deze extreme omgevingen hebben geleefd, hebben zich aangepast om de unieke uitdagingen die ze met zich meebrengen het hoofd te bieden. Ongeveer 2% van de mensen wereldwijd woont permanent op grote hoogten van meer dan 2500 meter (1,5 mijl), waar zuurstof schaars is, de UV-straling hoog is en de temperaturen laag. Inheemse Andes, Tibetanen, Mongolen en Ethiopiërs vertonen aanpassingen die hun vermogen om dergelijke omstandigheden te overleven verbeteren. Andes vertonen bijvoorbeeld een grotere borstomtrek, verhoogde zuurstofverzadiging en een lage hypoxische ademhalingsrespons, waardoor ze op uitzonderlijk grote hoogte kunnen gedijen. Hoewel het duidelijk is dat deze aanpassingen een genetische component hebben, is het ook bekend dat blootstelling aan grote hoogte tijdens de vroege ontwikkeling een rol speelt, hoewel het onderliggende mechanisme hiervoor slecht wordt begrepen. In een nieuwe studie in Genoombiologie en evolutie getiteld "Genome-Wide Epigenetic Signatures of Adaptive Developmental Plasticity in the Andes", Ainash Childebayeva, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Michigan ten tijde van de studie, en haar collega's probeerden deze vraag te beantwoorden door leden van de Peruaanse Quechua te bestuderen, die op grote hoogte in de Andes leven. Hun werk onthult dat mechanismen zoals DNA-methylatie betrokken kunnen zijn bij aanpassing aan grote hoogten, en hun bevindingen hebben mogelijke implicaties voor de gezondheid op lange termijn van degenen die op dergelijke hoogten leven.

Aanpassingen worden doorgaans gezien als genetische veranderingen die leiden tot de manifestatie van een bepaalde fysiologische eigenschap of fenotype. In een fenomeen dat bekend staat als ontwikkelingsadaptatie of adaptieve plasticiteit, dient een bepaalde genetische achtergrond echter slechts als voorwaarde, en blootstelling aan een bepaalde omgevingsstimulus - in het algemeen tijdens de vroege ontwikkeling - is verder vereist om de eigenschap tot uitdrukking te brengen. Volgens Childebayeva en co-auteurs: "Er zijn verschillende voorbeelden van adaptieve fenotypes op grote hoogte in de Andes waarbij ontwikkelingsadaptatie een sleutelrol speelt bij de manifestatie van het volwassen fenotype." Andes die hun leven lang op grote hoogte wonen, vertonen bijvoorbeeld grotere longvolumes dan die van de voorouders van de Andes die op zeeniveau zijn geboren en getogen.

Om de biologische mechanismen te onthullen die dit samenspel tussen omgeving, ontwikkeling en genetica mogelijk maken, richtten Childebayeva en haar medewerkers zich op epigenetica, de studie van modificaties die het DNA-molecuul veranderen zonder de volgorde van nucleotiden te veranderen. Methylering is een type epigenetische markering waarbij een methylgroep wordt toegevoegd aan de cytosine-nucleotiden in DNA. Methylering onderdrukt de transcriptie van geassocieerde genen, waardoor de biologie van een organisme wordt beïnvloed door de eiwitexpressie te reguleren. Belangrijk is dat DNA-methylatiepatronen prenataal en in de vroege postnatale periode worden vastgesteld, waarna ze relatief stabiel blijven, wat een vroeg ontwikkelingsvenster biedt waarin blootstelling aan de omgeving kan helpen het fenotype van een individu vorm te geven.

De Quechua, een inheemse groep afkomstig uit Peru, leeft al 11.000 jaar op de Andes Altiplano op een gemiddelde hoogte van 12.000 voet (meer dan 3.600 m). Om de potentiële rol van epigenetica bij ontwikkelingsadaptatie aan grote hoogten te onderzoeken, evalueerden de auteurs van het onderzoek DNA-methylatiepatronen over het genoom in drie groepen Peruaanse Quechua met verschillende hoogteblootstellingen: Quechua op grote hoogte, die levenslang was blootgesteld aan migranten op grote hoogte Quechua, die op grote hoogte werd geboren maar vervolgens naar lage hoogten en laaggelegen Quechua verhuisde, die levenslange bewoners van lage hoogte waren, ondanks het feit dat hun ouders en beide grootouders van hoogland Quechua-afkomst waren. Door te vergelijken welke DNA-posities gemethyleerd waren op grote hoogte en migranten Quechua, die in de vroege kinderjaren blootgesteld waren aan grote hoogten, met die gemethyleerd in Quechua op lage hoogte, die voorouders deelden maar niet werden blootgesteld in de kindertijd, waren de auteurs in staat om de effecten van ontwikkelingsblootstelling aan hoogte en genetica.

De studie identificeerde specifieke posities en regio's van DNA waarin methylering werd geassocieerd met levenslange of vroege blootstelling op hoogte. Sommige van deze regio's waren geassocieerd met genen die eerder waren gekoppeld aan aanpassing op grote hoogte, zoals die welke betrokken zijn bij de productie van rode bloedcellen, het glucosemetabolisme en de ontwikkeling van skeletspieren. In het bijzonder zijn sommige van deze genen eerder betrokken geweest bij scans van genetische aanpassingen in andere populaties op grote hoogte, zoals Tibetanen en Mongolen, wat aangeeft dat zowel genetische als epigenetische mechanismen op vergelijkbare routes kunnen werken in meerdere groepen op grote hoogte. Deze bevindingen ondersteunen het idee dat epigenetica betrokken is bij ontwikkelingsadaptatie en dat vroege ontwikkelingsblootstellingen aanhoudende effecten kunnen hebben op DNA-methylatiepatronen.

De bevindingen van de studie hebben ook gevolgen voor de gezondheid van populaties op grote hoogte. Twee van de gemethyleerde regio's die geassocieerd zijn met grote hoogte overlappende genen die verband houden met idiopathische longfibrose, een aandoening die wordt gekenmerkt door onomkeerbare fibrose van de long waarvan bekend is dat deze geassocieerd is met hypoxie (gebrek aan zuurstof). Dit suggereert dat populaties op grote hoogte verschillende vatbaarheid voor deze aandoening of verschillende pathologische kenmerken kunnen hebben in vergelijking met populaties op lage hoogte. Bovendien schatten de auteurs de "epigenetische leeftijd" van de drie groepen van Quechua, een fenomeen dat de toestand van het epigenetische onderhoudssysteem weerspiegelt en kan dienen als een marker van vroegtijdige biologische veroudering. Ze ontdekten dat degenen met levenslange blootstelling aan grote hoogte versnelde epigenetische veroudering vertoonden in vergelijking met degenen die levenslang op lage hoogte woonden, waarschijnlijk als gevolg van de spanning die hypoxie op de cellulaire machinerie legt.

Volgens Childebayeva waren de middelen en medewerkers van het Cerro de Pasco High-Altitude-laboratorium, verbonden aan de Cayetano Heredia University in Lima, Peru, de sleutel tot de voltooiing van dit project. Onderzoekers bestuderen al bijna honderd jaar aanpassing op grote hoogte in Cerro de Pasco, met een van de eerste studies die plaatsvond in 1921-1922. Nu in de afdeling Archeogenetica van het Max Planck Instituut voor de Studie van de Menselijke Geschiedenis, hoopt Childebayeva dit werk op een dag uit te breiden door ontwikkelingsadaptatie in de hooggelegen populaties van Centraal-Azië te bestuderen, waardoor meer licht wordt geworpen op de epigenetische mechanismen die mensen in staat stellen om de bovengrenzen van bewoning op grote hoogte te verleggen.

Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.


Epigenetica van autismespectrumstoornis

Autismespectrumstoornis (ASS), een van de meest voorkomende neurologische ontwikkelingsstoornissen (NDD's) bij kinderen, wordt gediagnosticeerd bij 1 op de 68 kinderen. ASS is zowel klinisch als etiologisch ongelooflijk heterogeen. Het is bekend dat de etiopathogenese van ASS complex is, inclusief genetische, omgevings- en epigenetische factoren. Normale epigenetische markeringen die door zowel genetische als omgevingsblootstelling kunnen worden gewijzigd, kunnen leiden tot epigenetische veranderingen die de regulatie van genexpressie verstoren, wat een negatieve invloed heeft op biologische routes die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van de hersenen. In dit hoofdstuk willen we enkele van de belangrijke literatuur samenvatten die een rol voor epigenetica in het onderliggende moleculaire mechanisme van ASS ondersteunt. We leveren bewijs van werk in de genetica, van blootstelling aan het milieu en ten slotte van meer recente onderzoeken die gericht zijn op het direct bepalen van ASS-specifieke epigenetische patronen, voornamelijk gericht op DNA-methylatie (DNAm). Ten slotte bespreken we kort enkele implicaties van het huidige onderzoek naar mogelijke epigenetische doelen voor therapieën en nieuwe wegen voor toekomstig werk.

trefwoorden: Etiologie Autismespectrumstoornis DNA-methylatie Epigenetica Genetica Heterogeniteit Moleculaire mechanismen.


ASJC Scopus-onderwerpen

  • APA
  • Standaard
  • Harvard
  • Vancouver
  • Auteur
  • BIBTEX
  • RIS

Onderzoeksoutput : Bijdrage aan tijdschrift › Artikel › peer-review

T1 - Evolutie van ontogenie

T2 - Koppeling van epigenetische hermodellering en genetische aanpassing in skeletstructuren

N1 - Financieringsinformatie: De auteurs zijn H. Heatwole en drie anonieme recensenten dankbaar voor uitgebreid commentaar op eerdere versies van dit artikel en constructieve suggesties. De auteurs bedanken ook D. Acevedo Seaman, R. Duckworth, E. Landeen, K. Oh, J. Rutkowska en E. Snell-Rood voor de discussies, en SE Vincent, SP Lailvaux, A. Herrel en E. Taylor voor de uitnodiging om bij te dragen aan dit symposium. Deze studie werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation-beurs (DEB-0608356) aan R.L.Y. en door de David en Lucille Packard Fellowship aan A.V.B.

N2 - Evolutionaire diversificaties worden gewoonlijk toegeschreven aan de voortdurende modificaties van een geconserveerde genetische toolkit van ontwikkelingspaden, zodanig dat complexiteit en convergentie in organismale vormen wordt verondersteld te wijten te zijn aan gelijkenis in genetische mechanismen of omgevingscondities. Deze benadering verwart echter de oorzaken van de ontwikkeling van organismen met de oorzaken van verschillen in organismen en heeft als zodanig slechts een beperkt nut om de oorzaak van evolutionaire verandering aan te pakken. Moleculaire mechanismen die nauw betrokken zijn bij zowel de ontwikkelingsreactie op omgevingssignalen als belangrijke evolutionaire innovaties en diversificaties, zijn bij uitstek geschikt om deze kloof te overbruggen door de oorzaken van variatie binnen de generatie expliciet te verbinden met de oorzaken van divergentie van taxa. Ontwikkelingsroutes van botvorming en een gemeenschappelijke rol voor botmorfogenetische eiwitten (BMP's) bij zowel epigenetische botremodellering als de evolutie van belangrijke adaptieve diversificaties bieden een dergelijke mogelijkheid. We laten zien dat variatie in timing van ossificatie kan resulteren in vergelijkbare fenotypische patronen door epigenetisch geïnduceerde veranderingen in genexpressie en stellen voor dat zowel genetische accommodatie van door de omgeving geïnduceerde ontwikkelingspaden als flexibiliteit in ontwikkeling in verschillende omgevingen evolueren door heterochrone verschuivingen in botrijping ten opzichte van blootstelling aan onvoorspelbare omgevingen. We suggereren dat dergelijke heterochrone verschuivingen in ossificatie niet alleen de ontwikkeling onder fluctuerende omgevingen kunnen bufferen, terwijl de epigenetische gevoeligheid van cruciaal belang blijft voor normale skeletvorming, maar ook epigenetisch geïnduceerde genexpressie mogelijk maken om gespecialiseerde morfologische aanpassingen te genereren. We bespreken studies naar omgevingsgevoeligheid van BMP-routes en hun regulatie van vorming, hermodellering en herstel van kraakbeen en bot om de hypothese te onderzoeken dat BMP-gemedieerde skeletaanpassingen worden vergemakkelijkt door geëvolueerde reactiviteit van BMP's op externe signalen. Verrassend genoeg heeft geen enkele empirische studie tot nu toe het moleculaire mechanisme achter ontwikkelingsplasticiteit in skeletkenmerken geïdentificeerd. We schetsen een conceptueel kader voor toekomstige studies die zich richten op bemiddeling van fenotypische plasticiteit in skeletontwikkeling door de patronen van BMP-expressie.

AB - Evolutionaire diversificaties worden gewoonlijk toegeschreven aan de voortdurende modificaties van een geconserveerde genetische toolkit van ontwikkelingspaden, zodanig dat complexiteit en convergentie in organismale vormen wordt verondersteld te wijten te zijn aan gelijkenis in genetische mechanismen of omgevingscondities. Deze benadering verwart echter de oorzaken van de ontwikkeling van organismen met de oorzaken van verschillen in organismen en heeft als zodanig slechts een beperkt nut om de oorzaak van evolutionaire verandering aan te pakken. Moleculaire mechanismen die nauw betrokken zijn bij zowel de ontwikkelingsreactie op omgevingssignalen als belangrijke evolutionaire innovaties en diversificaties, zijn bij uitstek geschikt om deze kloof te overbruggen door de oorzaken van variatie binnen de generatie expliciet te verbinden met de oorzaken van divergentie van taxa. Ontwikkelingsroutes van botvorming en een gemeenschappelijke rol voor botmorfogenetische eiwitten (BMP's) bij zowel epigenetische botremodellering als de evolutie van belangrijke adaptieve diversificaties bieden een dergelijke mogelijkheid. We laten zien dat variatie in timing van ossificatie kan resulteren in vergelijkbare fenotypische patronen door epigenetisch geïnduceerde veranderingen in genexpressie en stellen voor dat zowel genetische accommodatie van door de omgeving geïnduceerde ontwikkelingspaden als flexibiliteit in ontwikkeling in verschillende omgevingen evolueren door heterochrone verschuivingen in botrijping ten opzichte van blootstelling aan onvoorspelbare omgevingen. We suggereren dat dergelijke heterochrone verschuivingen in ossificatie niet alleen de ontwikkeling onder fluctuerende omgevingen kunnen bufferen, terwijl de epigenetische gevoeligheid van cruciaal belang blijft voor normale skeletvorming, maar ook epigenetisch geïnduceerde genexpressie mogelijk maken om gespecialiseerde morfologische aanpassingen te genereren. We bespreken studies naar omgevingsgevoeligheid van BMP-routes en hun regulatie van vorming, hermodellering en herstel van kraakbeen en bot om de hypothese te onderzoeken dat BMP-gemedieerde skeletaanpassingen worden vergemakkelijkt door geëvolueerde reactiviteit van BMP's op externe signalen. Verrassend genoeg heeft geen enkele empirische studie tot nu toe het moleculaire mechanisme achter ontwikkelingsplasticiteit in skeletkenmerken geïdentificeerd. We schetsen een conceptueel kader voor toekomstige studies die zich richten op bemiddeling van fenotypische plasticiteit in skeletontwikkeling door de patronen van BMP-expressie.


Beëindig de hype over epigenetica en Lamarckiaanse evolutie

Misschien herinnert u zich van de middelbare school biologie een wetenschapper met de naam Jean-Baptiste Lamarck. Hij stelde een evolutiemechanisme voor waarbij organismen eigenschappen die ze tijdens hun leven hebben verworven, doorgeven aan hun nakomelingen. Het schoolvoorbeeld is een voorgesteld mechanisme van de evolutie van giraffen: als een giraffe zijn nek strekt om hogere bladeren aan een boom te bereiken, zou de giraffe een iets langere nek doorgeven aan zijn nakomelingen.

Het voorgestelde evolutiemechanisme van Lamarck werd getest door August Weismann. Hij sneed de staarten van muizen af ​​en kweekte ze. Als Lamarck gelijk had, zou de volgende generatie muizen zonder staart geboren moeten worden. Helaas, de nakomelingen hadden staarten. De theorie van Lamarck stierf daarom en bleef meer dan 100 jaar grotendeels vergeten.

Sommige wetenschappers zijn echter van mening dat nieuwe gegevens het Lamarckiaanse denken op zijn minst gedeeltelijk kunnen doen herleven. Deze recente heropleving is te wijten aan een nieuw veld genaamd epigenetica. In tegenstelling tot reguliere genetica, die veranderingen bestudeert in de volgorde van de DNA-letters (A, T, C en G) waaruit onze genen bestaan, onderzoekt epigenetica kleine chemische tags die op die letters zijn geplaatst. Omgevingsfactoren spelen een enorme rol bij het bepalen waar en wanneer de tags worden geplaatst. Dit is een groot probleem omdat deze chemische tags helpen bepalen of een gen al dan niet 'aan'34 of 'uit' staat.' Met andere woorden, de omgeving kan de aanwezigheid van epigenetische tags beïnvloeden, die op hun beurt de genexpressie kunnen beïnvloeden.

Die bevinding is zeker intrigerend, maar niet revolutionair. We weten al lang dat de omgeving genexpressie beïnvloedt.

Maar wat potentieel revolutionair is, is de ontdekking dat deze epigenetische tags, in sommige organismen, kunnen worden doorgegeven aan de volgende generatie. Dat betekent dat omgevingsfactoren niet alleen de genexpressie bij ouders kunnen beïnvloeden, maar ook bij hun nog geboren kinderen (en mogelijk kleinkinderen).

Jakkes. Betekent dit dat Lamarck gelijk had? Die vraag werd beantwoord door Edith Heard en Robert Martienssen in een gedetailleerde recensie in het tijdschrift Cel.

Van bijzonder belang is het idee dat de gezondheid van zoogdieren kan worden beïnvloed door epigenetische tags die worden ontvangen van ouders of grootouders. Een groep meldde bijvoorbeeld dat pre-diabetische muizen verschillende epigenetische tagpatronen in hun sperma hebben en dat hun nakomelingen een grotere kans hebben om diabetes op te lopen. (Virginia Hughes has written an excellent article summarizing this and other related epigenetic studies.) A flurry of other biomedical and epidemiological research has strongly hinted that a susceptibility to obesity, diabetes, and heart disease can be passed on through epigenetic tags.

However, Heard & Martienssen are not convinced. In their Cel review, they admit that epigenetic inheritance has been demonstrated in plants and worms. But, mammals are completely different beasts, so to speak. Mammals go through two rounds of epigenetic "reprogramming" -- once after fertilization and again during the formation of gametes (sex cells) -- in which most of the chemical tags are wiped clean.

They insist that characteristics many researchers assume to be the result of epigenetic inheritance are actually caused by something else. The authors list four possibilities: Undetected mutations in the letters of the DNA sequence, behavioral changes (which themselves can trigger epigenetic tags), alterations in the microbiome, or transmission of metabolites from one generation to the next. The authors claim that most epigenetic research, particularly when it involves human health, fails to eliminate these possibilities.

It is true that environmental factors can influence epigenetic tags in children and developing fetuses in utero. What is far less clear, however, is whether or not these modifications truly are passed on to multiple generations. Even if we assume that epigenetic tags can be transmitted to children or even grandchildren, it is very unlikely that they are passed on to great-grandchildren and subsequent generations. The mammalian epigenetic "reprogramming" mechanisms are simply too robust.

Therefore, be very skeptical of studies which claim to have detected health effects due to epigenetic inheritance. The hype may soon fade, and the concept of Lamarckian evolution may once again return to the grave.


Bekijk de video: Evolutie - de Hardy-Weinberg vergelijking (December 2021).