Epigenetyka — jak reguluje działanie genów?
Epigenetyka to dynamicznie rozwijająca się dziedzina, której celem jest znalezienie czynników poza genetycznych, wpływających na ekspresję genów. Uważa się, że modyfikacje epigenetyczne to jedno z najważniejszych odkryć w biologii molekularnej, ponieważ pozwoliły zrozumieć związek pomiędzy podłożem genetycznym a czynnikami środowiskowymi. Czym jest epigenetyka? Wyjaśniamy poniżej.
Spis treści:
1. Epigenetyka — co to jest?
2. Co to jest epigenetyka?
3. Epigenetyka — rodzaje modyfikacji epigenetycznych
4. Dziedziczenie epigenetyczne — czym jest?
5. Epigenetyka — przykłady
Epigenetyka — co to jest?
Zanim przybliżymy, co to jest epigenetyka, wyjaśnijmy, że termin ten pojawił się w historii nauki dawno temu i kilkukrotnie zmieniał swoje znaczenie. Słowo „epigeneza” użyto po raz pierwszy w XVII wieku w dziełach angielskiego lekarza Williama Harveya i dotyczyło jednej z koncepcji rozwoju zarodkowego. Natomiast termin epigenetyka pojawił się w biologii w 1942 roku za sprawą embriologa Conrada Waddingtona. Oznaczał procesy rozwojowe, które zachodzą między genotypem a fenotypem. Nieco później, gdyż pod koniec XX wieku, epigenetyka stała się opartym na zdefiniowanych mechanizmach, działem biologii molekularnej.
Co to jest epigenetyka?
Procesy epigenetyczne to grupa mechanizmów regulacji działania genów. Funkcjonowanie genów ma charakter dynamiczny. Oznacza to, że większość z nich jest aktywowana lub hamowana w zależności od potrzeb. Już w latach 60. ubiegłego wieku wykazano, że w komórkach bakterii geny, które kodowały enzymy odpowiadające za rozkładanie laktozy, są aktywowane tylko w przypadku, gdy w pożywce znajduje się cukier.
Dzięki regulacji działania genów możliwe jest powstawanie różnorodnych tkanek i narządów, które złożone są z wyspecjalizowanych komórek. Procesy regulacyjne sprawiają, że w różnych komórkach aktywowane są różne zestawy genów. Ponadto regulacja działania genów może odbywać się na wielu etapach ich ekspresji.
Jednak nie każdy mechanizm regulacji działania genów można uznać za epigenetyczny. Charakter wielu procesów jest dynamiczny i przejściowy. We wcześniej omawianym operonie laktozowym, geny aktywne są tylko do momentu, kiedy obecna jest laktoza. Gdy jej zabraknie, ekspresja jest od razu wyciszana. Czy zatem to przykład epigenetyki? Aktywności, które nie są trwałe, nie są przekazywane potomnym komórkom po podziale. Natomiast za regulacje epigenetyczne uznaje się zmiany ekspresji genów, które są na tyle trwałe, że dochodzi do ich przekazania komórkom potomnym podczas podziału. Właśnie tym wyróżniają się spośród innych mechanizmów, które kontrolują działanie genów. Na tej podstawie można stwierdzić, że epigenetyka dotyczy regulacji odczytywania informacji genetycznej zapisanej w DNA.
Epigenetyka — rodzaje modyfikacji epigenetycznych
Najważniejsze procesy mają związek ze strukturą chromatyny, czyli występującego w jądrze komórek eukariotycznych kompleksu DNA oraz białek, wśród których, główna rola przypada histonom. Na utworzony przez histony rdzeń, nawinięty jest łańcuch DNA, tworzący podstawową strukturę, którą nazywa się nukleosomem. Włókna chromatynowe mogą być coraz gęściej upakowywane w struktury wyższego rzędu. Jednak, by gen mógł być aktywny, białka, które są odpowiedzialne za proces transkrypcji, czyli syntezy RNA, muszą mieć dostęp do DNA, co jest utrudnione ze względu na upakowanie chromatyny. Dlatego też stopień upakowania chromatyny może regulować aktywność genów w danym obszarze genomu. Takie działanie mają właśnie mechanizmy epigenetyczne. Wyciszanie oznacza kondensację chromatyny, natomiast do aktywacji genów dochodzi poprzez jej rozluźnienie. Jeden z głównych mechanizmów promujących epigenetyczne wyciszenie genów to metylacja DNA. Poza tym znaczną rolę odgrywają modyfikacje histonów, gdyż ich acetylacja prowadzi do rozluźnienia chromatyny, tzn. aktywacji genów. Wpływ innych modyfikacji na histony uzależniony jest od tego, który aminokwas podlega modyfikacji.
Dziedziczenie epigenetyczne — czym jest?
Regulacja epigenetyczna ma kluczowe znaczenie dla zróżnicowania się komórek podczas rozwoju zarodkowego. Jednak nim do tego dojdzie, wzór regulacji epigenetycznej podlega zresetowaniu do stanu domyślnego. Może się okazać, że reset ten nie obejmie pewnych genów. W takim właśnie wypadku zachodzi międzypokoleniowe dziedziczenie epigenetyczne, w którym z rodziców na potomstwo przechodzą zmiany ekspresji genów.
Epigenetyka — przykłady
Skoro już wiemy, epigenetyka co to jest, przyjrzyjmy się doświadczeniu nad międzypokoleniowym dziedziczeniem epigenetycznym. Był to eksperyment na przeprowadzony na myszach, którego wyniki zostały opublikowane w 2014 roku. Na początku u myszy wykształcono odruch warunkowy – były poddawane stresowi, czyli lekkim wstrząsom elektrycznym, przy jednoczesnym rozpylaniu acetofenonu (związku o charakterystycznym zapachu, aktywującym receptor węchowy). Jak zakładano, myszy poddane warunkowaniu zaczęły reagować stresem już na sam zapach acetofenonu, co było wynikiem zwiększonej ekspresji genu. Mechanizm, który zwiększał ekspresję tego receptora węchowego, był znanym już mechanizmem epigenetycznym, tzn. została zmniejszona metylacja DNA w obrębie promotora genu. Najbardziej zaskakujący był fakt, że zwiększona ekspresja genu oraz wrażliwość na zapach acetofenonu, pojawiła się też u potomstwa warunkowanych myszy, mimo że nie było ono poddane działaniu stresu czy acetofenonu. Wykorzystano zapłodnienie in vitro i matki zastępcze, by mieć pewność, że nie zaszło tu przekazanie na drodze uczenia się młodych od rodziców. Odziedziczono epigenetyczną zmianę, która polegała na zwiększeniu produkcji receptora kodowanego przez gen.
Epigenetyka przykłady znajduje również wśród badań z udziałem ludzi. Najsłynniejszy przykład potwierdzający długotrwały efekt epigenetyczny pochodzi z badań nad osobami, których matki podczas ciąży cierpiały na straszliwy głód, który ogarnął Holandię w 1944 roku. Jeszcze po 60 latach później w organizmach tych ludzi rozpoznano obniżony poziom metylacji. Efekt ten wystąpił u tych, którzy zostali poczęci w okresie głodu bądź tuż przed nim. Nie odnotowano go u tych osób, których ciąża była na zaawansowanym etapie. Jednak nie doszło tu do prawdziwej transmisji pokoleniowej – mimo że efekt był długotrwały, dotyczył tylko tych, którzy byli już płodami, w czasie, gdy ich matki narażone były na głód.
