Epigenetyka Understand article

Tłumaczenie Joanna Lilpop. Zwykliśmy myśleć o naszej informacji genetycznej jako zapisie w DNA – w naszych genach. Brona McVittie z Epigenome NoE w Wilekiej Brytanii pisze, dlaczego jest to tylko częścią prawdy.

Chromatyna
Rysunek autorstwa Nicolasa
Bouviera; dzięki uprzejmości
Genevieve Almouzni, Curie
Institut, Paryż, Francja

Jak epigenetyka kształtuje życie

“… kuszące jest wyobrażanie sobie, że skręcony sznur koralików z zasad purynowych i pirymidynowych jest w istocie Bogiem.”
James Watson

Minęło ponad 50 lat od czasu, kiedy James Watson i Francis Crick jako pierwsi opublikowali trójwymiarową strukturę podwójnej helisy DNA. Wraz z darwinowską teorią ewolucji obecnie tak rozpowszechnioną, odkrycie, że DNA koduje cechy dziedziczne stało się dostępne dla każdego. Gdy w 2004 roku zmarł Crick, popularne media w swych relacjach podkreślały jak wysoce koncepcje te są akceptowane przez środowisko naukowe. Jednakże zaczynamy zdawać sobie sprawę, że geno-centryczne teorie ewolucyjne mają ograniczony zasięg. Zapis genetyczny, zupełnie jak partytura, pozostaje martwy bez orkiestry komórek (muzycy) i epigenotypów (instrumety), które by go zagrały.

Nauka odkrywa właśnie wykonawców naszej genetycznej partytury i okazuje się, że wykonania mogą znacznie różnić się pomiędzy generacjami, bez wprowadzenia zmian w sekwencji DNA. Epigenetyka poszukuje odpowiedzi na pytanie jak mechanizmy regulujące obróbkę genów wpływają na funkcje genomu.

W naszym ciele są tysiące różnych rodzajów komórek. Choć wszystkie pochodzą od jednej i tej samej komórki, to np. neurony bardzo różnią się od komórek wątroby.

Przy współgraniu około 30 000 genów w ludzkim genomie, roli wyciszania nie można przecenić, podobnie jak podczas koncertu orkiestry. Podczas dorastania komórek, ich przeznaczeniem rządzi wybiórcze wyciszanie genów. Proces ten jest polem działania czynników epigenetycznych. Układ metylacji DNA – dodawania grupy metylowej – odgrywa rolę w wielu zjawiskach, w których geny są włączane lub wyłączane, począwszy od purpurowych wzorów na kwiatach petunii, aż po wzrost guzów nowotworowych u ludzi.

Błąd w wyciszaniu genów może spowodować niebezpieczną kakofonię. Nieprawidłowy układ metylacji może zaburzyć przestrzenne ułożenie chromatyny. To z kolei ma wpływ na wybór wyciszanych po podziale komórkowym genów. Hipermetylacja może zniweczyć pracę, jaką wykonują ochronne geny – supresory nowotworów oraz geny naprawy DNA. Takie mutacje, można by rzec „epi-mutacje”, obserwowano w różnorodnych odmianach nowotworów. Rozumienie tych epigenetycznych zjawisk daje możliwość poznawania nowych dróg terapii.

Epigenetyka dostarcza także sposobów, za pomocą których materiał genetyczny może reagować na zmiany warunków środowiska. Chociaż rośliny nie posiadają układu nerwowego ani mózgu, ich komórki mają zdolność zapamiętywania zmian sezonowych. U niektórych dwuletnich gatunków zdolność ta ma związek z regulacją kwitnienia na wiosnę, kiedy odczuwalne są wyższe temperatury powietrza. Badania wykazały, że wystawienie na niskie temperatury podczas zimy wywołuje strukturalne zamiany w budowie chromatyny powodując wyciszenie genów kwitnienia u rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana). Geny te są powtórnie aktywowane na wiosnę, gdy dłuższe dni i wyższe temperatury dają warunki odpowiedniejsze do reprodukcji.

Środowisko może promować epigenetyczne zmiany dające efekt także w następnych pokoleniach. Najnowsze badania laboratoryjne prowadzone na chowie wsobnym myszy pokazały jak zmiany diety wpływają na potomstwo myszy. Ich futerko może mieć maść brązową, żółtą lub nakrapianą, w zależności od sposobu metylacji genu agouti podczas rozwoju embrionalnego osobnika. Gdy ciężarne samice karmione były pokarmami bogatymi w grupy metylowe, np. zawierającymi kwas foliowy i witaminę B12, większość ich młodych miało futro brązowe. Podczas gdy w grupie kontrolnej (z normalną dietą) większość młodych rodziła się z futrem żółtym.

Zupełnie jak dyrygent kontrolujący dynamikę koncertu symfonicznego, tak samo czynniki epigenetyczne zarządzają interpretacją DNA w każdej żywej komórce. Zrozumienie działania tych czynników zrewolucjonizuje biologię ewolucyjną oraz biologię rozwoju i wpłynie na praktyczne rozwiązania w medycynie czy rolnictwie. Odpowiadając Watsonowi: „Alfabet genetyczny jest bardziej podobny do słowa Bożego, a tłumaczenie go do Jego ręki.”

Sylwetki bliźniąt/bliźniaków

Bliźniacy w wieku 29 lat:
Jason (po lewej) i Gavin na
plaży

„Były okresy, w których zdecydowanie walczyli o to, żeby postrzegać ich jako jedność, a innym znów razem raczej woleli, żeby ludzie doceniali ich odmienność i respektowali jako indywidualne jednostki” mówi Jim, przyjaciel Gavina i Jasona. Gavin i Jason są identycznymi bliźniakami. Jeden jest dosłownie klonem drugiego.

Ich podobieństwo nie ulega wątpliwości, lecz kiedy ich spotkałem po raz pierwszy, spostrzegłem ich jako całkiem różnych ludzi. Gdybym ich spotkał kilka lat wcześniej, wątpię, czy byłbym w stanie ich odróżnić od siebie.

Jednojajowe bliźnięta zdarzają się raz na 250 urodzeń na świecie. Z nieznanych dotąd powodów zapłodniona komórka jajowa kopiuje się i powstają dwa oddzielne embriony. Każdy z nich zaczyna i kończy życie z tym samym genetycznym bagażem, ale podczas wzrostu i dorastania zaczynają doświadczać różnic w środowisku, z których część może wpływać na wygląd i zachowanie bliźniaków.

Gavin i Jason mają identyczne DNA. Gdyby jeden z nich popełnił zbrodnię i niechcący zostawił ślady nadające się do analizy sądowej, stwierdzenie, który z nich jest sprawcą, nie było by możliwe na podstawie genetycznych odcisków palców. Jednak dokładniejsze śledztwo biorące pod uwagę ich molekuły, mogłoby ujawnić znaczące różnice. Chociaż obaj dzielą te same geny, najnowsze badanie wskazują, że niektóre geny mogą być aktywne tylko u jednego z bliźniaków. Mogą oni być identyczni genetycznie, ale nie epigenetycznie.

Bliźniacy w wieku 7 lat:
Jason (po lewej) i Gavin w
mamą i babcią

Takie różnice wykrywane są na poziomie molekularnym, w sposobie organizacji chromosomów na terenie jądra każdej komórki. Ten sam fragment DNA nawinięty na małą białkową kuleczkę (histon) może mieć dla komórki inne znaczenie. Kulki białkowe wraz z nićmi DNA tworzą skomplikowane trójwymiarowe struktury, zależne od biochemicznych przypraw. Mnóstwo różnych małych cząsteczek ma wpływ na infrastrukturę jądra, poprzez np. przyleganie do DNA lub łączenie się z histonami. Na skład owych przypraw wpływ może mieć środowisko, szczególnie nasza dieta.

Dopiero ostateczne dostrajanie biochemiczne genomu określa, które geny są włączone, a zatem bliźniętom niekoniecznie pisane jest to samo przeznaczenie. Ostatnie badania (Fraga i wsp., 2005) prowadzone na 80 parach bliźniąt jednojajowych ujawniły, że małe cząsteczki zwane resztami metylowymi, znaczą ich DNA w inny sposób. Ponadto owe różnice są znacznie bardziej wyrażane w późniejszym wieku niż we wczesnej młodości bliźniąt.

Jest to nowa pożywka dla odwiecznej debaty co bardziej wpływa na nasze przeznaczenie – środowisko czy geny. Choć oczywiście podobieństwa między bliźniętami są bardziej uderzające niż różnice, te nierówości pomiędzy nimi mogą wyznaczaćnowe drogi dla badań nad chorobami. Na przykład zarówno Gavin jak i Jason są zagrożeni wystąpieniem cukrzycy typu II, jednak ostatnio to Jason trafił do szpitala z infekcją trzustki i musiał sobie podawać przez jakiś czas insulinę. Lekarze nie byli w stanie podać dokładniejszej diagnozy. Czy gdyby byli wyposażeni w lepsze narzędzia diagnostyczne, jak te oferowane przez najnowsze osiągnięcia z dziedziny badań epigenetycznych, byliby w stanie określić profile bliźniaków i ustalić precyzyjnie do dolegało Jasonowi?

Download

Download this article as a PDF

References

  • Fraga MF et al. (2005) Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102: 10604-10609. doi: 10.1073/pnas.0500398102

Web References

  • Więcej informacji na temat epigenetyki dostępnych jest na wilojęzycznej stronie Epigenome NoE.

Review

Bliźnięta jednojajowe tradycyjnie uważa się za identyczne we wszystkich aspektach – od ich wyglądu po sposób funkcjonowania DNA. Debata na temat natura kontra wychowanie nie ustawała przez wiele lat, posiłkując się wieloma badaniami poszukującymi różnic wśród bliźniąt rozdzielonych po porodzie i wychowujących się w różnych środowiskach. Wreszcie wydaje się, że zdobyliśmy dowody, że wychowanie lub środowisko wpływają na metylację i wyciszanie DNA w genomie, prowadząc do nieznacznych zmian w ekspresji genów. Na takie zmiany epigenetyczne, dające efekt w innym ułożeniu DNA wokół histonów i innym wzorze znakowania biochemicznego DNA, mają wpływ czynniki tak proste jak dieta u zwierząt, czy zmiany sezonowe u roślin. Odkrycie tego zjawiska oznacza, że bliźnięta jednojajowe mogą na przykład inaczej zareagować na ten sam lek. Wpływ wyciszania genów na funkcjonowanie genomu jest więc wschodzącym i bardzo istotnym zagadnieniem dla nowych badań.

Choć kontrola ekspresji genów w kontekście operonu laktozowego jest włączona do niektórych programów nauczania, to metylacja DNA jako element kontroli genów nie jest brana pod uwagę na poziomie A nauczania biologii w Wielkiej Brytanii. W niektórych podręcznikach wspomina się o metylacji bakteryjnego DNA w celu ochrony własnego materiału genetycznego przed enzymami restrykcyjnymi tnącymi obce DNA. Zagadnienie wyciszania genów poprzez metylację mogłoby być wprowadzone na lekcje genetyki na przykład pt.: ‘na ile identyczni są bliźniacy jednojajowi?’ Większość uczniów powinna zdawać sobie sprawę z wpływu, jaki mają natura i wychowanie podczas dorastania bliźniąt, ale teraz świadomość roli tych czynników może być pogłębiona. Być może warto też wprowadzić zagadnienie roli metylacji DNA w inaktywowaniu jednego z chromosomów X u kobiet.


Shelley Goodman, Wielka Brytania




License

CC-BY-NC-ND