3.02. Epigenetyka

W procesie replikacji RNA wszystkie geny są aktywne. Odcinki intronów pełnią funkcję nadzorcy w rybosomowych fabrykach, przekazując informacje o warunkach konstrukcji budowanych białek, a z eksonów pobierana jest lista składników białka. W zbudowanych już komórkach rola genów zostaje ograniczona. Fizycznie odbywa się to poprzez nawinięcie wokół nici DNA histonowego rdzenia i utworzenie nukleosomu. Jest to równocześnie sposób, w ograniczonej przestrzeni komórki, upakowania nici DNA, która po rozwinięciu miałaby dwa metry długości. Niektóre fragmenty nici, nie biorące czynnego udziału w funkcjonowaniu komórki, są upakowane w bardziej zwarty sposób; a te – sporadycznie wykorzystywane – w mniejszym stopniu, pozostając przez cały czas w gotowości do podjęcia pracy. Sygnał genetycznych induktorów może z tego magazynu wypakować odpowiednie geny, pobudzając je do działania.

Rośliny nie posiadają centralnego ośrodka przetwarzania informacji – mózgu, ani nawet układu nerwowego, zdolnego do reakcji na bodźce ze środowiska, a mimo to reagują na zmiany sezonowe. Wybrane geny są aktywowane w ciepłe i dłuższe dni wiosenne, wywołując ich kwitnienie. Natomiast spadek temperatury i krótszy czas wystawienia na światło słoneczne blokuje podobny proces. To prawda znana od dawna, choć wciąż wywołująca w nas zdumienie i podziw, gdy jesienią, a nawet zimą, w okresach podwyższonej temperatury niektóre z nich zaczynają kwitnąć – uznając, że szybciej przyszła wiosna. Jak to jednak możliwe, by rośliny potrafiły zmusić organizm do podobnych działań? Badania wykazały, że temperatura wywołuje zmiany strukturalne w budowie chromatyny – miejscu upakowania nici DNA – wyciszając geny odpowiedzialne za kwitnienie w niższych temperaturach i pobudzając je w korzystnych dla rozrodu temperaturach.

Podobne możliwości modyfikacji struktury chromatyny oraz znaczników metylacyjnych, nie wywołujące zmian w kodzie DNA, a wpływające na ekspresję genów – które mogą być przenoszone na następne pokolenie, bez zmiany kodu genetycznego – zebrano w pojęciu epigenetyka. Efekt epigenetyczny może odnosić się do specjalizacji komórek w organizmach wielokomórkowych, jak i ekspresji genów . Wiele z tych zmian jest wywoływanych już na etapie procesów powstawania komórek rozrodczych (gametogenezy) lub dalszego rozwoju zarodka (embriogenezy), inne na dalszych etapach rozwoju organizmu.

Można wyróżnić dwa sposoby wprowadzenia zmian epigenetycznych:

  • poprzez modyfikację DNA
  • poprzez modyfikację histonów

 

Bliźnięta rodzą się z tym samym kodem genetycznym, są podobni fizycznie i w dużym stopniu psychicznie, podatni do zachorowań na te same choroby – a mimo to rozwój ich organizmów, zwłaszcza z upływem lat, może być zasadniczo odmienny. A udział w tych zmianach ma nie tylko środowisko, lecz nawet dieta. Badania przeprowadzone przez M.F. Fragę na 80 parach bliźniaków wykazały, że różnice w odczytywaniu ich kodu genetycznego zachodzą poprzez cząsteczki grup metylowych. Można powiedzieć, że bliźniacy są identyczni genetycznie – lecz nie epigenetycznie.

Grupa badaczy z McGill University, kierowana przez Moshe Szyfa, po przebadaniu 13 mózgów molestowanych w dzieciństwie mężczyzn, którzy popełnili samobójstwo, wykryła w ich mózgach różnice od mózgów uważanych za normalne. Dotyczyły one zmian niezależnych od kodu genetycznego, a modyfikacji epigenetycznych w strukturze i aktywności genów. Nim zespół Moshe Szyfa zajął się badaniem mózgów ludzkich, badał mózgi szczurów. Dowiódł, że zachowanie matek już po wydaniu potomstwa, wpływa na zachowania jej dzieci. Zmiany w reagowaniu młodych szczurów na stres, proces uczenia się i zapamiętywania, wywoływały również leki, zmieniające wzór metylacji DNA.

Zespół neurobiologa Erica J. Nestler’a z Fridman Brain Institute badał znaczniki epigenetyczne w mózgach, poddawanych środkom uzależniającym lub wywołując stany depresyjne. Badania przeprowadzano na myszach, ale wiele dowodów pośrednich, jak badanie mózgów osób cierpiących na depresję przed śmiercią, wykazało, że w naszych mózgach występują podobne mechanizmy.

Środki uzależniające – uzależniają zawsze. To dla wielu, w tym i dla mnie, smutna prawda. Ale stopień podatności na uzależnienie jest odmienny i zależy zarówno od dawki i czasu podawania go, jak i samych genów. Badania genomu myszy wykazały, że jednorazowe podanie kokainy uaktywnia produkcję RNA w około 100 genach, odpowiedzialnych za działanie ośrodka nagrody w mózgach. Jednak długotrwałe podawanie narkotyku zmienia ten schemat. Część genów przestaje reagować na kolejne dawki, natomiast inne – już po odstawieniu narkotyku – wciąż utrzymywały wysoką aktywności. I to właśnie one są przyczyną uzależnienia. Podobnie jest w każdym innym przypadku uzależnienia – jedzenia, seksu, a nawet …relacji w społeczeństwie. W tym ostatnim przypadku odnotowano zmiany epigenetyczne w odniesieniu do aż 2 tysięcy genów!

To jeden skutek naszych zachowań, nie związanych z losowaniem genów podczas urodzenia, a z doświadczeniem osobniczym. Ja sam zacząłem palić dosyć późno, mając około 18 lat. I od razu stałem się nałogowym palaczem. Moi koledzy ze szkoły popalali w ukryciu o wiele wcześniej, w wieku 14-16 lat, a dzisiaj w większości są palaczami okazjonalnymi. Moje doświadczenie może być indywidualne – zależne od genów. Bowiem dalsze badania Erica Nestlera wykazały, że nie wszystkie zwierzęta reagują w ten sam sposób. W przypadku depresji – jedna trzecia z nich pozostała odporna. A teraz najgorsze – ułożenie czynników epigenetycznych może być dziedziczone. Wykazały to badania zespołu Isabelle Mansuy z Uniwersytetu w Zurichu. Mimo, że oddzieliła ona urodzone samce od stresowanych matek, to w już dorosłym życiu samce wciąż wykazywały zachowania depresyjne. I przekazały je swoim dzieciom, mimo skrzyżowaniu z niestresowanymi samicami i już hodowanymi w normalnych warunkach. Za zachowania depresyjne odpowiedzialnych było kilka genów w plemnikach oraz mózgach – w których odnaleziono zmieniony poziom metylacji DNA.