Partytura wykonawcza zapisu genetycznego

Ewa Biernacka

Jaka nauka ustala, że poddanie muchy szokom termicznym skutkuje deformacjami u jej potomstwa, że modyfikacje histonowe odpowiedzialne za seksualność, które powinny zniknąć z komórek rozrodczych, w nich pozostają, generując homoseksualność? Skąd wiadomo, że bliźnięta jednojajowe – o identycznych genotypach – często różnią się podatnością na choroby?

To między innymi epigenetyka. Wyjaśnia ona, jak mechanizmy niewpływające na sekwencję DNA oddziałują na zmiany w ekspresji genów i w konsekwencji – fenotypu komórek. Zakłada, że regulacja aktywności genów w dużej części jest pochodną interakcji ze środowiskiem. Twarde dane dotyczące organizmu, jego funkcjonowania i wyglądu, są zapisane w DNA; ten unikatowy zapis stanowi o naszej wyjątkowości, ale to redakcja zapisanej w DNA sekwencji daje ostateczną instrukcję działania danego genu.

Geny stanowią jedynie ok. 1,5 proc. ludzkiego genomu. Resztę, zwaną niegdyś śmieciowym DNA, długo uważano za pozbawioną funkcji. Od dobrych kilku lat już wiemy, że odgrywa ona zasadniczą rolę – poprzez mechanizmy epigenetyczne bierze udział w regulacji ekspresji genów. „To wielki postęp w rozumieniu, jak 3 miliardy liter w księdze DNA każdego osobnika mogą pobudzać do różnych aktywności molekularnych” – sądzi Francis Collins, genetyk znany z przełomowych odkryć w dziedzinie chorób genetycznych, kierownik „Projektu poznania ludzkiego genomu“, szef amerykańskiego Narodowego Instytutu Zdrowia. William Cockson, profesor w Imperial College w Londynie sądzi zaś, że „to, jak geny są odczytywane, jest istotniejsze niż kod genetyczny”.

Genom ludzki zawiera ok. 22–25 tys. genów, przy czym w każdej komórce tylko część z nich ulega ekspresji. Za ustalanie specyficznych wzorców tej ekspresji współodpowiedzialne są modyfikacje epigenetyczne. Istnieją trzy główne typy tych modyfikacji – tłumaczy prof. Monika Kuźnicka-Puzianowska, kierująca Zespołem Kliniczno-Badawczym Epigenetyki Człowieka w Instytucie Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN. Najlepiej, co nie znaczy kompletnie, przebadana jest metylacja genomowego DNA; reszta metylowa dodawana jest do cytozyny, występującej przed guaniną. W uproszczeniu, jeżeli promotor genu jest zmetylowany, wówczas gen staje się mniej aktywny aż do momentu jego całkowitego „wyłączenia”; jeżeli zaś promotor jest niezmetylowany – gen jest aktywny transkrypcyjnie. Drugi rodzaj modyfikacji epigenetycznych to modyfikacje białek histonowych, które razem z DNA tworzą chromatynę w jądrach komórkowych, czyli ich metylacja, acetylacja, fosforylacja, ubikwitynacja itd.; ich suma tworzy razem tzw. kod histonowy. Metylacja DNA współgra z kodem histonowym, razem prowadząc do zahamowania lub zwiększenia aktywności genu. Trzeci rodzaj modyfikacji występuje w cytoplazmie komórki i dotyczy działania mikroRNA, czyli krótkich niekodujących fragmentów RNA o długości 21–23 zasad, które wiążą się na zasadzie odwrotnej komplementarności z informacyjnym RNA (mRNA) niosącym informację o sekwencji białka; powstaje dwuniciowa hybryda, a połączone z mikroRNA białka powodują sekwestrację i zwykle – degradację mRNA, co uniemożliwia syntezę białka.

Termin „epigenetyka”, definiowany jako „część biologii, która bada relacje przyczyny i skutku pomiędzy genami i ich produktami konstytuującymi fenotyp“ – przypisuje się Conradowi Waddingtonowi. Jako pierwszy dostrzegł związek przyczynowo-skutkowy między genotypem i fenotypem. Przybliżył genetykę – naukę o dziedziczeniu – do teorii epigenezy.
To Jean-Baptiste Lamarck sądził, że cechy nabyte mogą być dziedziczone. Jego poglądy odrzucono, ale dziś epigenetyka szuka dowodów na istnienie dziedziczenia pozagenowego – w wielu eksperymentach na modelach zwierzęcych, w analizach populacyjnych i epidemiologicznych oraz w badaniach molekularnych. Przypomina to mozolną rekonstrukcję mozaiki – i w takiej – fragmentarycznej formie poszczególne dowody z badań istnieją w literaturze.

Szwed Lars Olov Bygren badał wpływ diety rodziców i dziadków dzieci z rejonu Norrbotten na zdrowie tychże dzieci. Wykazał, że złe odżywianie się kobiety w czasie ciąży może zwiększyć ryzyko chorób układu krążenia u jej dziecka, oraz że styl życia rodziców, nawet sprzed momentu poczęcia, może wpływać na zdrowie potomstwa. Te obserwacje były przełomowe, ponieważ według ówczesnej wiedzy biologicznej żadne zachowania w trakcie życia nie mogą wpłynąć na DNA, a środowisko na zmiany w genach – w tak krótkim czasie. Sugerowana przez Bygrena zmiana następująca z pokolenia na pokolenie nie była zgodna z teorią ewolucji Darwina.

Randy Jirtle, onkolog z Duke University w Durham, wraz z Robertem Waterlandem oraz inni naukowcy w eksperymentach na myszach agouti udowodnili wpływ diety ciężarnej matki na metylację genomu potomstwa i wynikające z tego skutki fenotypowe. Między innymi, ciężarne samice karmili pokarmem zawierającym czynnik demetylujący występujący w plastikach – bisfenol A, zaś inne bisfenolem A wraz z pokarmem zwiększającym metylację DNA (zawierającym kwas foliowy, witaminę B12, cholinę, betainę). Agouti na diecie promującej metylację urodziły brązowe, szczupłe myszy (czyli odpowiednia dieta zapobiegła negatywnym skutkom działania bisfenolu), te zaś karmione karmą zawierającą bisfenol A miały potomstwo o żółtym zabarwieniu, podatne na typowe dla szczepu agouti choroby: otyłość, zaburzenia gospodarki węglowodanowej i nowotworzenie.

Wnioski z eksperymentów na modelach zwierzęcych wspierają wyniki badań u ludzi. Na przykład, w grupie 60 Holendrów urodzonych w latach 1944–1945 w okresie ,,wielkiego głodu” wykazano, że dieta ciężarnej matki uboga w składniki odżywcze skutkuje zaburzeniami w metylacji konkretnych genów (w porównaniu z grupą kontrolną) oraz zaburzeniami metabolicznymi u potomstwa w dorosłym życiu.

W badaniu zrealizowanym w Centre National de la Recherche Scientifique i w Instytucie Pasteura, pod kierunkiem Lluisa Quintana-Murci, mierzono wpływ środowiska na epigenom. Skonfrontowano w tym celu dwie populacje zamieszkujące Afrykę Środkową: Pigmejów, lud myśliwych-zbieraczy żyjących w lesie, i lud Bantu, rolników osiadłych w środowisku zurbanizowanym, wiejskim i leśnym. Stwierdzono występowanie różnic w epigenomie, które przekładały się na różnice w fenotypie, m.in. w mineralizacji kości. Wykazano, że niektóre różnice epigenetyczne były stałe i dziedziczone. Sugeruje to, że predyspozycja do zachorowania na różne schorzenia zależy nie tylko od sekwencji genów, ale i najprawdopodobniej od dziedziczonych konkretnych modyfikacji epigenetycznych. Lluis Quintana-Murci podkreśla, że urbanizacja silnie oddziałuje na profil epigenetyczny układu odpornościowego, co tłumaczy podatność zwłaszcza na choroby autoimmunologiczne, alergie itd.

Poznanie mechanizmów epigenetycznych stworzyło nowe możliwości badania onkogenezy. W transformacji nowotworowej zaobserwowano obniżenie globalnej metylacji DNA i podwyższenie metylacji promotorów (a w efekcie – wyłączenie) genów supresorowych. Dodatkowo, w nowotworach obserwuje się acetylację i metylację histonów, prowadzące do nadekspresji genów zaangażowanych w rozwój kancerogenezy. Potencjalna odwracalność tych zmian zainspirowała liczne grupy badawcze do prowadzenia prób klinicznych z użyciem leków epigenetycznych. Na podstawie wyników badań III fazy powstały leki hipometylujące do leczenia chorych z zespołami mielodysplastycznymi: azacytydyna i decytabina. Lek acetylujący worinostat zaakceptowano do leczenia chorych z chłoniakiem T-komórkowym. W różnych fazach badań klinicznych są liczne kolejne leki epigenetyczne.

Badanie zespołu z Salk Institute for Biological Studies w Kalifornii we współpracy z Uniwersytetem Barcelońskim, pod kierunkiem Josepha R. Eckera, pokazało zasadniczą rolę aktywacji lub dezaktywacji pewnych genów za pośrednictwem zmian metylacji DNA w budowie i wzbogacaniu sieci połączeń synaptycznych w mózgu. Otworzyło to nowe drogi rozumienia patofizjologii schorzeń psychiatrycznych zależących od predyspozycji genetycznych i czynników środowiskowych. „Unikatowa charakterystyka metylacji DNA, która uwalnia się w krytycznych dla rozwoju mózgu fazach, sugeruje obecność silnych mechanizmów epigenetycznych warunkujących nie tylko dobre funkcjonowanie mózgu, ale też odpowiada za wiele patologii psychiatrycznych” – mówi Ryan Lister.

Na podstawie tych i innych danych sugeruje się istnienie pozagenowego dziedziczenia predyspozycji do chorób psychicznych i zaburzeń funkcji poznawczych. Postawiono też hipotezę wpływu specyficznych czynników środowiska na zmiany ekspresji genów predysponujących. W schizofrenii i chorobie dwubiegunowej zidentyfikowano niemal 100 pozycji ze zmienioną metylacją. Sądzi się, że wiele chorób psychicznych, np. schizofrenia czy depresja, może mieć wspólne podłoże molekularne.

Epigenetyka być może zrewolucjonizuje także leczenie chorób neuropsychiatrycznych. Już dziś w psychiatrii wykorzystuje się leki wpływające na modyfikacje epigenetyczne. „Skuteczność małocząsteczkowych modulatorów procesów epigenetycznych, takich jak inhibitory deacetylaz histonowych, wykazana w schorzeniach neurologicznych (choroby Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona), potwierdza związek ich etiopatogenezy z potranslacyjnymi zmianami w histonach. Znajomość procesów modulujących ekspresję genów i, co za tym idzie pośrednio wpływających na kształtowanie odpowiedzi białkowej, zrodziła możliwość opracowywania celowanych strategii terapeutycznych ingerujących w procesy patologiczne u samego ich źródła” – analizuje B. Gruber z Zakładu Biochemii i Biofarmaceutyków w Narodowym Instytucie Leków w Warszawie epigenetyczne podłoże chorób neurodegeneracyjnych.

W związku z istotnością modyfikacji chromatyny jako zmian epigenetycznych determinujących fenotypy chorobowe, powstają bazy danych dotyczących wzajemnych zależności genów, struktury chromatyny i występowania określonych chorób: m.in. baza DAnCER Disease-Annotated Chromatin Epigenetics Resource. Epigenetyka ma wpływ nie tylko na ryzyko wystąpienia i przebieg różnych chorób, ale i na ludzką fizjologię.

– W toku naturalnego starzenia obserwuje się występowanie tzw. dryftu epigenetycznego – tłumaczy prof. Kuźnicka-
-Puzianowska. Zmniejsza się całkowita metylacja genomu: odmetylowują się m.in. fragmenty, które powinny być wyciszone, np. sekwencje repetytywne, stając się aktywne. I odwrotnie, nadmiernej metylacji (i w efekcie – wyciszeniu) ulegają promotory różnych genów, np. supresorów nowotworzenia. Zachodzą też zmiany w modyfikacjach białek histonowych, zmienia się ilość mikroRNA. Dochodzi do zmian w aktywności różnych genów, a to z kolei zwiększa ryzyko wystąpienia chorób związanych z wiekiem. Dryft epigenetyczny, poprzez zmianę aktywności genów regulujących tempo starzenia, może też determinować długość życia. – Tak więc, biorąc pod uwagę plastyczność epigenomu, mamy istotny wpływ na przebieg własnego starzenia poprzez spowalnianie niekorzystnego dryftu epigenetycznego, stosując odpowiednią (pod względem prawidłowego składu i ograniczenia kalorycznego) dietę, aktywność fizyczną, unikanie narażenia na toksyny itp.

Epigenom podlega wpływom środowiska – to pewne. W jakiejś mierze od nas zależy, czy jest to dobra czy zła wiadomość. Ambiwalencję, a nawet lęk budzić może fakt istnienia partytury wykonawczej do zapisu genetycznego w dialogu ze środowiskiem, coraz bardziej zdegradowanym, na co wpływ mamy niewielki.