оханн Вольфганг фон Гете, художник и рационалист восемнадцатого века, считал, что жизнь была создана с помощью оригиналов или моделей, которые определяли ее поворот событий. Однако его интересовало, как жизнь может одновременно быть такой формуемой. В какой-то момент, размышляя над листом, у художника возникло то, что вы можете назвать идеей прото-развития: растения редко создавались "и впоследствии закреплялись в данной структуре", но, как он позже написал, им была придана "подходящая переносимость и гибкость, которая позволяет им развиваться и приспосабливаться к различным условиям в широком диапазоне мест." Повторное открытие стандартов наследственного наследия в середине двадцатого века показало, что существа не могут учиться или получать наследуемые качества, ассоциируясь с их текущими обстоятельствами, однако они еще не выяснили, как жизнь может проходить через такие трюки с изменением формы—универсальность, которая интересовала Гете.
Эрудированный и передовой британский ученый предложил такой компонент для того, как формы жизни могут приспособиться к своим нынешним обстоятельствам, перевернув раннюю область преобразующей науки. За это Конрад Хэл Уоддингтон был воспринят как последний ученый эпохи Возрождения. Это в значительной степени было связано с фактически созданной для него "эпигенетической сценой"— представлением, которое он создал в 1940 году, чтобы показать гипотезу о том, как живые существа могут управлять тем, какие из их качеств передаются из-за экологических подсказок или давящих факторов, толкая их по различным формирующим путям. Оказалось, что он на что—то наткнулся: всего за пару лет до появления этого термина было обнаружено, что метильные скопления—маленькая частица, состоящая из углерода и водорода, - могут соединяться с ДНК или с белками, которые ее содержат, и изменять качество артикуляции. Изменение того, как передается качество, может иметь исключительные результаты: каждая клетка в нашем теле имеет сходные качества, однако внешность и способности контрастируют просто из-за эпигенетики, которая контролирует, когда и как включаются качества. В 2002 году один ученый-исследователь размышлял о том, являются ли провокационные "мысли Уоддингтона важными инструментами для понимания естественных проблем сегодняшнего дня."
Действительно, так оно и есть. Пятнадцать лет спустя группа специалистов из университета Джона Хопкинса, движимая "эпигенетической сценой" Уоддингтона, в последнее время придумала удивительно лучший подход к пониманию эпигенетики. Эндрю Файнберг, сотрудник исследовательской группы и руководитель Центра эпигенетики в Медицинской школе Джона Хопкинса, сказал, что результаты группы "могут иметь значительные последствия для того, как мы лечим злокачественный рост и другие связанные с созреванием инфекции." Их методология, подробно описанная в исследовании природы, включала гипотезу данных, исследование емкости и соответствия данных. Установив склонность метилирования ДНК изменяться в разных местах генома человека, они могли бы, на самом деле, понять сцену метилирования клеток как структуру соответствия.
Природа более непредсказуема, чем мы недавно подозревали.
Метилирование ДНК изменяется на протяжении всей продолжительности жизни клетки. Учтите, что основополагающие микроорганизмы пластичны, исключительно универсальны для изменения своих примеров маркировки (какие качества передаются), однако вскоре превращаются в отдельные взрослые клетки, которые имеют специальные примеры маркировки и достоверно передают данные. Действительно, даже взрослые клетки имеют некоторый уровень стохастического разнообразия или произвольных изменений. В любом случае, эта разновидность—не просто шум, но клетка, показывающая, что она еще молода и универсальна-она позволяет безопасным клеткам быстро изменяться, чтобы реагировать на экологические нарушения, синапсам формировать новые ассоциации или клеткам убивать качества с целью их исправления. Созревающие клетки начинают колебаться в условиях уязвимости, в которых они в настоящее время не могут надежно распределять данные о метилировании ДНК. Поскольку "оценка уязвимости определяет причину гипотезы данных, мы полагали, что применение гипотезы данных к эпигенетической информации было чем-то характерным", - сказал Файнберг, который вместе с коллегой Хопкинса Джоном Гуциасом был старшим автором статьи.
Они исследовали метилирование ДНК по всему геному 35 видов клеток. Это позволило лучше понять, как происходят изменения в метилировании ДНК в геномах типов клеток по мере того, как эти клетки формируются из недифференцированных организмов в более характерные генеалогии. Аналитики не были удивлены, увидев, что примеры метилирования болезнетворных клеток были вычислительно далеки от здоровых взрослых клеток. Они были поражены, увидев, что злокачественные клетки роста были намного дальше в вычислительном отношении от недифференцированных организмов, и это открытие бросает вызов общепринятому мнению о том, что больные клетки возвращаются к субатомному экспрессу, который подобен основным микроорганизмам.
"На самом деле это было ошеломляющее открытие для нас", - сказал Гаррет Дженкинсон, ведущий автор статьи, а сегодня преподаватель биомедицинской информатики в клинике Майо. Злокачественные клетки менее похожи на недифференцированные организмы, чем мы предполагали, и "это просто не соответствует нынешнему состоянию понимания. Это показывает, что природа более запутанна, чем мы недавно подозревали."
в статье 1948 года "Математическая теория коммуникации" Клод Шеннон, организатор гипотезы данных, изобразил данные как кучу сообщений, отправленных по шумному каналу, которые можно оценить в "битах", прогрессии от 1 до 0. Знак может быть отточен, как крик вниз по линии, или очищен с шумом, воздействием различных знаков, которые могут запутать ясность передаваемого знака.
"То, что мы поняли, - сказал Дженкинсон, - это то, что метилирование ДНК" можно представить как несколько, 1 или 0, поскольку в отношении метилирования есть только два варианта: неметилированное или метилированное. В частности, метильные пучки регулярно связываются с определенным участком ДНК—так называемым" CpG-динуклеотидом", цитозином (C), соответствующим гуанину (G) на фосфатном позвоночнике двойной спирали. Эти динуклеотиды регулярно встречаются в группах, называемых "островами CpG", которые как можно чаще окружены менее густыми участками, называемыми "берегами CpG"." Таким образом, метилирование ДНК-это парные данные, которые либо нормируются, либо не сохраняются во времени и делении клеток.
"На одиночном участке CpG у вас есть двойной знак (метилированный или нет), который передается по наследству (передается от родительской клетки ее потомкам)", - сказал Дженкинсон. "Эта передача ошибочна (фрагмент может быть перевернут), и численно может быть изображен как двукратный однобокий канал", что означает, что динуклеотид CpG в целом будет склоняться к состоянию метилирования ДНК. Группа Хопкинса характеризует это притяжение как "энергетический потенциал", склонность к тому, чтобы пример метилирования оставался или изменялся. Наследственный локаль, изученный больше, чем многие основания, может быть либо неметилированным, либо полностью метилированным, либо любым примером в середине. Низкий потенциал-это экспресс метилирования, который нетрудно изменить, в то время как высокий потенциал-это экспресс, который трудно пережить. Этот статус метилирования диктуется толщиной нуклеотидов CpG вокруг них и движением катализаторов, которые добавляют или удаляют метильные скопления—для взрослых клеток эти данные четко направлены.
Клеточный аппарат, который контролирует этот эпигенетический код, является быстро создающимся пространством исследований для исследователей, которым необходимо выяснить, как изменить код в качестве потенциального полезного инструмента. Например, в течение некоторого времени было установлено, что химические вещества добавляют метилирование к ДНК, однако с давних пор было принято, что метильные сгустки в конечном итоге отваливаются от ДНК, подобно черепице, разрывающей крышу. Только за последние несколько лет было обнаружено, что существуют белки, которые эффективно удаляют метильные сгустки из наследственных локализаций.
Метилирование ДНК-это двоякие данные, которые либо нормируются, либо не модерируются во времени и делении клеток.
То, насколько восприимчиво и чувствительно качество к аппаратному обеспечению, контролирующему его метилирование ДНК,—предполагаемая "энтропийная аффективность"— является основой для способности клетки. Недифференцированные организмы могут быть исключительно восприимчивы к этому аппаратному обеспечению и, следовательно, чрезвычайно "пластичны", в то время как недостаток восприимчивости к этому аппарату и, следовательно, расширяющаяся несгибаемая природа качества, по-видимому, являются признаками созревания и злокачественности. Взрослые клетки, такие как клетки кишечника или клетки печени, должны поддерживать свою восприимчивость к этому оборудованию и поддерживать свою эпигенетическую память о том, какие качества следует включить, - задание, которое зависит от его способности настраиваться и реагировать на аппарат, который заботится о нем. Тем не менее, созревающие клетки менее восприимчивы к аппаратному обеспечению, которое контролирует их статус метилирования, и более несгибаемы, часто имея длинные квадраты метилированных или неметилированных наследственных участков. Эти значительные участки генома могут иметь тонну энтропии, что означает, что они могут изменяться в любое время, автономно от аппарата, который обычно контролирует их метилирование. Таким образом, качества, несомненно, могут быть менее универсальными для включения или выключения в каждом конкретном случае из-за различных экологических улучшений (как ожидается, это произойдет, когда безопасные клетки начнут двигаться дальше, переработают или когда клетки исправят и исправят себя), однако эти расширенные длины неэффективно направленных качеств также могут быть более бессильны к двукратным разрывам нитей и различным типам катастрофического вреда, которые могут вызвать болезнь.
В качестве движущей модели создатели обратили внимание на метилирование в течение короткого периода времени в качестве WNT1, который собирает белковый ключ к выбору судьбы клетки, что означает ответственность, которую клетка берет на себя, чтобы превратиться в определенную отделенную структуру, такую как клетка кишечника. Колоректальные злокачественные новообразования возникают в пищеварительном тракте и входят в число трех основных опухолей у двух человек. В твердой толстой кишке это качество имеет небольшое метилирование и показывает высокий энергетический потенциал, что означает, что оно в целом будет склоняться к неметилированному состоянию—оно глубоко направлено. Это означает, что "критическая энергия необходима, чтобы выйти из полностью неметилированного состояния", - сказал Дженкинсон. "Любое отклонение от этого состояния, что означает расширение скоплений метила, будет быстро" перенаправлено "обратно", что приводит к поддержанию состояния низкого метилирования этого текущего качества в здоровой толстой кишке. Несмотря на это, в злокачественной толстой кишке состояния метилирования WNT1 демонстрируют низкий потенциал, что означает, что отклонения от неметилированного состояния в WNT1 будут "регулярными и длительными, вызывая уязвимость в состоянии метилирования." Это более энтропийно, и данные, передаваемые этим качеством, на данный момент не являются направленными—это данные, потерянные.
В статье журнала клинической онкологии было замечено, что одной из первых заметных модификаций за довольно долгое время является далеко идущая потеря метилирования ДНК, которая идентифицируется с возрастом клетки и может привести к самому ужасному типу вреда—разрыву двухцепочечной ДНК. Изменения метилирования ДНК настолько рудиментарны для болезнетворных клеток, что в настоящее время их ищут в качестве биомаркеров; в конце концов, субатомные метки предсказывают злокачественный рост. Однако до сих пор неясно, действительно ли специалисты захотят надежно модифицировать эпигенетический код или, что еще более важно, восстановить типичную гибкость клеток, чтобы путешествовать назад во времени по мере созревания.