В работе "Математическая теория коммуникации" 1948 года Клод Шеннон, основатель теории информации, описал информацию как набор сообщений, посылаемых по шумному каналу, которые могут быть измерены в "битах". Шум перебивает эффект других сигналов и может запутать ясность сигнала, который передается.
"Мы поняли, - сказал Дженкинсон, - что когда речь заходит о метилировании, есть только два варианта: метилированный или не метилированный". В частности, метилированные группы часто связываются с определенной частью ДНК, которая называется "динуклеотидом CpG", цитозином (С) в паре с гуанином (G) на фосфатной основе двойной спирали. Эти динуклеотиды часто встречаются в кластерах, называемых "островами CpG", которые часто окаймляются менее плотными областями, называемыми "берегами CpG". Таким образом, метилирование ДНК - это бинарная информация, которая либо сохранена, либо не сохранена через некоторые промежутки времени и деление клеток.
"В CpG у вас есть двоичный сигнал (метилированный или нет), который является наследственным (передается от родительской клетки к ее потомку)", - сказал Дженкинсон. "Эта передача несовершенна (бит может быть перевернут), и математически может быть описана как двоичный асимметричный канал", что означает, что динуклеотид CpG склонен гравитировать до состояния метилирования ДНК. Команда Хопкинса определяет эту гравитацию как "энергетический потенциал", тенденцию к сохранению или изменению метилирования. Генетическая область, анализируемая на сотнях оснований, может быть либо не метилированной, либо полностью метилированной, либо любой другой закономерности. Низкий потенциал - это состояние метилирования, которое легко изменить, в то время как высокий потенциал - это состояние, которое трудно преодолеть. Это состояние метилирования определяется плотностью CpG нуклеотидов в окрестностях, активностью добавляющихся ферментов или полосчатых метильных групп. Для взрослых клеток эта информация жестко регламентирована.
Клеточный механизм, который регулирует этот эпигенетический код, является быстро развивающейся областью исследований для ученых, которые хотят научиться модифицировать код как возможный терапевтический механизм. Например, давно известно, что ферменты добавляют метилирование в ДНК, но также долгое время считалось, что метильные группы в конечном итоге выпадают из ДНК, как черепица, разбивающаяся о крышу. Только в последние пару лет было обнаружено, что существуют белки, которые активно отделяют метильные группы от генетических регионов.
Метилирование ДНК - это бинарная информация, которая либо консервируется, либо не консервируется во времени и при делении клеток.
То, насколько ген чувствителен к механизму, регулирующему метилирование его ДНК - так называемая "энтропийная чувствительность" - имеет решающее значение для функционирования клетки. Стволовые клетки могут быть высокочувствительными к этому механизму и, следовательно, очень "пластичными", в то время как потеря чувствительности к этому механизму, а, следовательно, и повышенная жесткость гена, кажется, является признаком старения и рака. Взрослые клетки, такие как клетки кишечника, или клетки печени, должны поддерживать свою чувствительность к этому механизму и поддерживать свою эпигенетическую память о том, какие гены должны включаться. Это задача, которая зависит от их способности слушать и реагировать на механизмы, которые их поддерживают.
Но стареющие клетки менее чувствительны к механизмам, которые регулируют их статус метилирования, и более жесткие. Они часто имеют длинные блоки метилированных или неметиллированных генетических областей. Эти длинные участки генома могут иметь значительную энтропию, то есть могут изменяться в любое время, совершенно независимо от механизма, который обычно регулирует их метилирование. В результате, гены могут быть гораздо менее адаптивными для включения или выключения по мере необходимости в ответ на различные раздражители окружающей среды, но эти длинные участки плохо регулируемых генов также могут быть более восприимчивы к двуниточным разрывам и другим формам катастрофического повреждения, которое может привести к раковым заболеваниям.