Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Epigenetik är den del av genetiken som behandlar förändringar i genuttryck som är oberoende av förändringar i DNA-sekvensen. Det som styr vilka gener som uttrycks och får effekt på fenotyp har studerats av forskare sedan 70-80-talet. Området beskrivs som en bro mellan arv och miljö, då det har diskuterats i vilken grad externa faktorer kan influera genuttryck samt huruvida förändringarna kan ärvas till avkomma. Den här litteraturstudien ämnar granska litteraturens underlag för epigenetiska mekanismers funktion och vilken betydelse de har för en individs fenotyp. Vidare behandlas i vilken utsträckning epigenetisk information överförs till framtida generationer samt miljöns inflytande på epigenetiken.

De epigenetiska mekanismer som redovisas här är DNA-metylering, histonmodifiering och RNA-molekylers effekter. Vid DNA-metylering sker addition av metylgrupper till kvävebasen cytosins 5’-position i DNA-sekvenser där cytosin direkt angränsar till guanin, så kallade CpGöar. Förändringen är associerad med inhibering av transkription. Histonmodifiering sker genom addition av kemiska grupper till histonernas histonsvansar genom bland annat metylering, acetylering och fosforylering. Det varierar vad förändringen får för effekt på genuttrycket. Effekter medierade av RNA-molekyler sker genom att molekylerna aktiverar nedbrytning av mRNA alternativt inhiberar translationen av mRNA till protein.

Samtliga granskade epigenetiska mekanismer är associerade med effekt på fenotyp. Genom en studie utförd på enäggstvillingar kunde epigenetiska förändringar sammankopplas med fenotypiska skillnader hos isogena individer.

Överföring av epigenetisk information sker vid mitos genom replikation i samband med klassisk DNA-replikation, samt genom till exempel X-inaktivering. Transgenerationell nedärvning av epigenetiska förändringar sker vid meios bland annat genom självbevarande system, genetisk prägling och paramutation.

Miljöfaktorer som diet, stress och exponering för kemikalier har visat sig påverka epigenomet och är i somliga fall associerade med utveckling av sjukdom. Genom en studie på honungsbin upptäcktes att utvecklingen från larvstadie till bidrottning alternativt arbetsbi styrs genom epigenetiska mekanismer förmedlade av diet. Råttmödrars beteende under digivningsfasen visade sig ha effekt på råttungarnas epigenetiska markeringar och påverkade hur de reagerade på stress som vuxna. Fenotyp i form av förändrad reaktion på stress hos möss visade sig ärvas vidare till avkomman genom överföring av epigenetiska markeringar. Patologiska tillstånd som metaboliska störningar, cancer och reproduktionsproblem har associerats med olika miljöfaktorer och har dessutom visat sig påverka efterkommande generationer.

Sammanfattningsvis demonstrerar litteraturunderlaget att miljöfaktorer påverkar fenotyp hos en individ genom epigenetiska mekanismer, vilka dessutom kan leda till effekter på framtida generationer. Kunskap i området kan anses viktigt inom många humanmedicinska såväl som veterinärmedicinska områden, kanske främst för forskning på genetiska sjukdomar. Om inkorporerat i veterinärmedicin och husdjurvetenskap kan vetskap om epigenetikens funktion bidra till god djurvälfärd.

Epigenetics is the study of changes in gene expression that do not involve alterations in the DNA sequence. The phenotype of an animal is not only determined by the DNA, but also by epigenetic regulation. An increasing amount of studies show that epigenetic changes can be transmitted not only during cell divison, but also to future generations. Even environmental factors have been proven to influence the epigenetic marks in the epigenome. This literature study examines the literary basis for epigenetic function and its influence on phenotype. The studies on epigenetic transmission and inheritance together with the influence of environmental factors are also reviewed.

The epigenetic mechanisms presented are DNA methylation, histone modification and effects mediated by RNA. Through DNA methylation, methyl groups are added to the nucleobase cytosine’s 5’ position in DNA-sequences called CpG-islands, where cytosine is directly adjacent to guanin. This modification is associated with inhibition of gene expression. Histone modifications occur through the addition of chemical groups to the histone tails of histones through methylation, acetylation and phosphorylation. The effects on gene expression of this modification varies. Effects mediated by small RNA-molecules, ncRNA, leads to either the activation of mRNA degradation or the inhibition of mRNA translation.

All epigenetic mechanisms mentioned are associated with an effect on phenotype. This is demonstrated through a study on monozygotic twins, where phenotypical differences between monozygotic twins were linked to epigenetic variation.

Transmission of epigenetic information occurs during mitosis together with DNA-replication and through X-inactivation. During meiosis, epigenetic modifications are inherited through self-sustaining loop-systems, genomic imprinting and paramutation.

Environmental factors such as diet, stress and exposure to chemicals affect the epigenome and are in some cases associated with the development of pathological conditions. In a study on honey bees it was discovered that the development from larvae to queen bee versus worker bee is determined by the diet’s influence on epigenetic mechanisms. Maternal behavior in rats proved to affect the epigenome in their offspring and moreover their reaction to stressful situations as adults. Mice who exhibited an abnormal reaction to stress due to having been subjected to chronic stress seemed to pass down this phenotype to their offspring. Additionally, pathological conditions such as metabolic dysfunctions, cancer and reproductive disorders have been associated with environmental factors. Furthermore, these conditions have been shown to affect subsequent generations.

In summary, the literature examined here demonstrates that environmental factors affect the phenotype of an individual through epigenetic changes, and in some cases even affect future generations. Knowledge in the field of epigenetics could prove important to many fields of human as well as veterinary medicine, but foremost in research areas involving genetic diseases. If incorporated into veterinary medicine, awareness of epigenetic functions could prove important to ensure good animal welfare.