În biologie și, în mod specific, în genetică, epigenetica este studiul schimbărilor care pot fi moștenite în activitatea genelor, schimbări care nu sunt cauzate de schimbări în secvența ADN; termenul poate fi folosit pentru a descrie studiul alterărilor stabile, pe termen lung, în potențialul transcripțional al unei celule, alterări care nu sunt necesar moștenibile. Spre deosebire de genetica simplă bazată pe schimbările în secvența ADN (genotip), schimbările în expresia genelor sau ale fenotipului celular din epigenetică au alte cauze, de aici folosirea termenului epi (din grecescul epi, în jurul)-genetică.
Termenul se referă de asemenea la schimbările însele: schimbări funcționale relevante ale genomului care nu implică o schimbare în secvența nucleotidelor. Exemple de mecanisme care produc asemenea schimbări sunt metilarea ADN-ului și modificarea histonelor, care alterează modul de expresie a genelor fără alterarea secvenței ADN de bază. Expresia genelor poate fi controlată prin acțiunea proteinelor represoare care se atașează unor regiuni din ADN. Aceste schimbări epigenetice pot dura prin diviziunile celulare pe toată durata vieții celulei și, de asemenea, pot dura timp de mai multe generații chiar dacă nu implică schimbări în ADN-ul de bază al organismului; în schimb, factori non-genetici fac ca genele organismului să se comporte (sau ”să se exprime”) diferit. (Sunt obiecții în ceea ce privește folosirea termenului epigenetic pentru a descrie modificarea chimică a histonei, de vreme ce nu este clar dacă modificările histonei sunt sau nu moștenibile).
Un exemplu de schimbare epigenetică în biologia eucariotică este procesul diferențierii celulare. În timpul morfogenezei, celulele stem totipotente devin variate linii de celule pluripotente ale embrionului, care, la rândul lor, devin celule complet diferențiate. Cu alte cuvinte, celula ou singulară fertilizată, zigotul, continuând să se dividă, celulele soră rezultate se schimbă în toate tipurile de celule dintr-un organism, incluzând neuronii, celulele musculare, epiteliul, endoteliul vaselor de sânge etc., prin activarea unor gene, în vreme ce expresia altor gene este inhibată.
Schimbările epigenetice pot modifica activarea anumitor gene, dar nu secvența ADN-ului. În plus, proteinele cromatinei asociate cu ADN-ul pot fi activate sau inactivate. De aceea celulele diferențiate dintr-un organism multicelular exprimă numai genele care sunt necesare pentru propria lor activitate.
Schimbările epigenetice sunt păstrate atunci când celulele se divid. Majoritatea schimbărilor epigenetice au loc numai pe parcursul vieții unui organism, dar, dacă inactivarea genelor are loc la nivelul spermei sau al celulei ou rezultate prin fertilizare, atunci unele schimbări epigenetice pot fi transferate generației următoare. Aceasta ridică problema dacă schimbările epigenetice dintr-un organism pot altera sau nu structura de bază a ADN-ului, o formă de Lamarckism.
Procesele epigenetice specifice includ paramutație, marcare, imprimare, inactivarea genei, inactivarea cromozomului X, efectul de poziție, reprogramarea, transvecția, efectele materne, progresul carcinogenezei, efectele teratogenilor, reglarea modificărilor histonei și a heterocromatinei și limitările tehnice care afectează parthenogeneza și clonarea.
Deteriorarea ADN-ului poate provoca, de asemenea, schimbări epigenetice. deteriorările ADN-ului sunt foarte frecvente, având loc de aporximativ 10000 de ori pe zi în cazul unei celule din corpul uman. Aceste deteriorări sunt reparate în mare măsură, dar în locul unei reparații a ADN-ului pot rămâne schimbări epigenetice. În particular, o rupere a lanțului dublu ADN pot iniția inactivarea epigenetică neprogramată a genelor, atât prin provocarea metilării ADN-ului, precum și prin promovarea modificărilor histonei (remodelând cromatina) de tipul inactivării. În plus, enzima Parpl (poly(ADP)-riboză polimerază) și produsul ei poly(ADP)-riboză (PAR) se acumulează în locurile cu ADN deteriorat, ca parte a procesului de reparație. La rândul ei, această acumulare comandă restabilirea și activarea proteinei de remodelare a cromatinei ALC1 care poate cauza remodelarea nucleozomului. Remodelarea nucleozomului s-a descoperit că provoacă, de exemplu, inactivarea genei MLH1 pentru reparația ADN-ului. Substanțele chimice care deteriorează ADN-ul, precum benzenul, hidrochinona, stirenul, tetraclorura de carbon și tricloroetilenul, provoacă o hipometilare considerabilă a ADN-ului, prin activarea căilor de stres oxidativ.
Se știe că alimentele alterează epigenetica la șobolani hrăniți cu diferite diete. Unele substanțe din alimente cresc nivelurile de enzime pentru repararea ADN-ului, cum ar fi MGMT și MLH1 și p53. Alte substanțe pot reduce deteriorarea ADN-ului, cum ar fi izoflavonele din soia și antocianii din afine.
