Čo je epigenetika a aký je vzťah medzi genetikou a epigenentikou

20. feb. 2018 • Biologické vedy

Čo je epigenetika a aký je vzťah medzi genetikou a epigenentikou

Epigenetika je progresívne sa rozvíjajúci odbor genetiky zameraný na štúdium mechanizmov zodpovedných za reguláciu expresie (prejavu) génov. Epigenetické mechanizmy rozhodujú o tom, kedy a kde sa daný gén prejaví, t. j. či sa bude aktivovať, alebo bude jeho prejav potlačený, t. j. inaktivovaný, a tak menia/korigujú „výkon“ génov. Epigenetika študuje konkrétne procesy/mechanizmy, ktoré naše gény stimulujú alebo vyraďujú z činnosti. O tom, či sa naše gény prejavia, nerozhoduje ich štruktúra (resp. poradie/postupnosť nukleotidov – základných stavebných tehličiek DNA, ktoré tvoria konkrétne gény), ale epigenetické mechanizmy a vonkajšie/externé vplyvy, resp. faktory, ktoré epigenetické procesy spúšťajú/naštartujú.

Epimutácie

Epigenetika se stala synonymom pre štúdium javov, pri ktorých nie sú zmeny znakov a vlastnosti spojené s mutáciou (trvalou genetickou dedičnou zmenou), ale tzv. epimutáciou, t. j. spravidla chemickou modifikáciou makromolekuly DNA, alebo proteínov (histónov) bez toho, aby sa priamo zasahovalo do vlastného génového zápisu. Vyjadrené inými slovami, epigenetika študuje zmeny v génovej expresii, ktoré sa odohrávajú na chemickej úrovni priamo v jednotlivých génoch. Poradie nukleotidov sa nezmení, ale to, čo sa epimutáciou mení, je aktivita alebo funkčnosť génu. Na rozdiel od pravých génových mutácií, ktoré sú do veľkej miery náhodné (nie vždy) a väčšinou nevratné, epimutácie/epigenetické zmeny sú prekvapujúco v mnohých prípadoch vratné a ovplyvniteľné. 

Kniha života a epimutácie

Názorne princípy epigenetiky môžeme vysvetliť na nasledujúcom príklade. Keď prirovnáme DNA ku „knihe života“, potom epigenetické procesy nám zabránia prečítať si z nej určité stránky, napríklad keď sa nám nedopatrením zlepia. Aj keď sa tieto stránky a písmená v knihe nachádzajú a zostanú v nej nedotknuté (tak ako zostáva zachovaný reťazec nukleotidov/sekvencia DNA), nedokážeme si danú informáciu prečítať, pretože čítaniu (génovej expresii) bráni zlepenie stránok (epigenetická zmena). Tento proces je reverzibilný, podobne ako stránky v knihe môžeme s trochou snahy v knihe rozlepiť, majú bunky k dispozícii prostriedky, ktoré môžu epigenetickú zmenu (v tomto prípade inaktiváciu/vypnutie génov) zrušiť a dané gény zasa aktivovať. Epigenetické zmeny v prejave génov (epimutácie) môžu dlhodobo pretrvávať a prenášať sa do ďalších generácií. Epimutácie sú, podobne ako génové mutácie, dedičné. Znamená to, že epigenetické znaky môžu vytvárať jednoduchú „dedičnú pamäť“, čo u mnohých vedcov vyvolalo veľký údiv a polemiky.

Niečo z histórie

Názov epigenetika, ktorý je odvodený od gréckeho slova „επι / mimo, nad“, po prvý raz použil anglický vývojový biológ, embryológ, genetik a filozof Conrad Hal Waddington (1905 – 1975). Znechutený trendmi vtedajšej biológie stále viac unikajúcej do „virtuálneho sveta génov“ a štatistiky, pomenoval C. H. Waddington v štyridsiatych rokoch minulého storočia „odvetvie biológie, zamerané na štúdium interakcií medzi génmi a ich produktmi“ – epigenetika. Epigenetiku chápal v zmysle niečoho, čo je nad genetikou, resp. mimo dosahu jej vtedajšieho bádania a poznávania procesov vedúcich k realizácii tzv. „virtuálnych vlôh“. Termín epigenetika sa spočiatku používal v širokom a neurčitom význame na označenie všetkých dovtedy úplne neobjasnených embryologických procesov, ako aj na objasnenie zložitej regulácie expresie (prejavu) génov zodpovedných za priebeh embryonálneho vývoja organizmov. V minulosti viacerí biológovia verili, že epigenetika je niečo viac než genetika.

Koniec rozporov a polemík

V súčasnosti je každému odborníkovi jasné, že umelé vytváranie rozporov medzi genetikou a epigenetikou (genetika verzus epigenetika), je jednoducho nenáležité. Dnes sa už vo vedeckej obci nikto nezaoberá otázkou nadradenosti epigenetiky nad genetikou a moderní biológovia považujú polemiky na túto „tému“ za zbytočné a nezmyselné. Moderná epigenetika predstavuje dôležitú súčasť genetiky. Obrazne by sme mohli definovať vzťah medzi genetikou a epigenetikou nasledovne: genetika predstavuje hardvér a epigenetika zasa softvér. Gén možno považovať za fixný (je súčasťou hardvéru), ale keď doň vložíme ďalší program (softvér), môžeme spustiť jeho nové funkcie, t. j. iné ako tie, ktoré „bežali“ doposiaľ. Z obrazného vyjadrenia do reálneho, v skutočnosti pre niektorých laikov platí šokujúci záver, že expresiu, resp. prejav všetkých génov možno epigeneticky ovplyvňovať.

Epigenetické mechanizmy

U človeka sú najdôležitejšie štyri druhy epigenetických mechanizmov: metylácia DNA, chemické modifikácie CH(3)histónov (proteínov okolo ktorých je v chromozómoch ovinutá DNA tvoriac štruktúry zvané nukleozómy) a s nimi súvisiace zmeny v  usporiadaní chromatínu (hmoty, z ktorej sú zložené chromozómy) a činnosť malých nekódujúcich molekúl RNA. Pozornosť vedcov bola spočiatku zameraná hlavne na metyláciu (pridávanie „značiek“ –  metylových skupín, CH3) alebo demetyláciu DNA (odoberanie „značiek“). Pri týchto epigenetických procesoch sa metylové skupiny buď naviažu na určité sekvencie DNA, alebo odstránia z určitých miest na molekule DNA, a tak ovplyvňujú jej činnosť (resp. fungovanie génov) bez toho, aby sa menila štruktúra, resp. poradie nukleotidov DNA.

V ľudských bunkách hrá metylácia a demetylácia DNA nezastupiteľnú úlohu pri vypínaní (inaktivácii) alebo zapínaní (aktivácii) špecifických génov potrebných pre bunku v danom čase, pri bunkovej diferenciácii/špecializácii v tkanivách, alebo počas vývoja celého organizmu. Neočakávané bolo zistenie, že rôzne vonkajšie faktory môžu ovplyvniť miesto, kam metylové značky na DNA nasadnú, a teda aj gény, ktorých prejav zablokujú.

Veľký údiv spočiatku vyvolalo poznanie, že metylácia môže viesť k úplnej odlišnosti jedincov s rovnakou (identickou) genetickou výbavou. Ako názorný príklad možno uviesť včeliu matku/kráľovnú a robotnicu, ktorých gény sú úplne identické, avšak líšia sa rozdielnou metyláciou génov. Rozdiely v počte metylovaných génov u včiel spôsobuje ich rozdielna výživa. Potrava je teda jedným z vonkajších faktorov, ktoré môžu naštartovať metyláciu DNA, a tak ovplyvniť vzhľad a „funkčné zaradenie“ hmyzu.

ilustračné foto /včely/; zdroj: Pixabay.com

Zmenou výživy možno gény aj demetylovať, a tak naštartovať aktiváciu dočasne nefunkčných génov. Napríklad pravidelné pitie malého množstva červeného vína umožňuje vďaka prítomnosti resveratrolu aktiváciu génov podieľajúcich sa na antioxidačných procesoch (tzv. Francúzky paradox).

Aká je „epigenetická“ úloha malých nekódujúcich RNA?

Malé nekódujúce RNA najčastejšie zabraňujú expresii génu tým, že ho umlčujú tak, že úplne rozštiepia tzv. primárny transkript, t. j. mRNA, ktorá vznikla v prvej fáze expresie/prejavu génu, t. j. transkripcie. (Pripomeňme si, že expresia génov pozostáva z procesov prepisu/transkripcie a prekladu/translácie génov). Vďaka splnenej úlohe, nemôže prebehnúť druhá fáza expresie – translácia, a tak je gén funkčne vyradený. V iných prípadoch malé RNA v spolupráci so špecifickým proteínom (nazývaným Argonaut), priamo zablokujú transláciu proteínu, ktorú primárny transkript (mRNA) kóduje.

Aj modifikácie histónov regulujú aktivitu génov

Okrem metylácie DNA a regulačneho vplyvu malých RNA, pri ktorých dochádza k zablokovaniu fungovania príslušného génu, majú na aktivitu génov veľký vplyv aj chemické modifikácie histónových proteínov (epimutácie, napr. ich metylácia, acetylácia, fosforylácia, atď.). Rozhodujú o tom, či sa DNA bude okolo histónov ovíjať voľne, alebo tesne, t. j., či bude prístupná alebo neprístupná pre proces transkripcie génov. Ak neprebieha transkripcia génu, znamená to, že príslušný gén v organizme vôbec „nepracuje“, napriek tomu, že je prítomný. Pôvodne nefunkčné gény môže však „oživiť“ acetylácia histónov. Keď sa na históny, okolo ktorých sa v chromozómoch pevne ovíja DNA (vytvárajúc štruktúru zvanú nukleozóm), naviažu epigenetické značky – acetylové skupiny, zovretie sa uvoľní a gén sa aktivuje. Situácia je analogická s osvetlením miestnosti. Aj keď je v miestnosti lampa (gény), neznamená to, že v miestnosti je aj svetlo. Lampa musí byť zapnutá (acetylácia histónov).

„zapnuté/vypnuté“ gény

Akú úlohu hrá epigenetika pri nádorových ochoreniach?

Epigenetické zmeny hrajú kľúčovú úlohu nielen pri ontogenéze organizmov, ale aj pri vzniku niektorých ochorení, napríklad rakoviny. Ukázalo sa, že v nádorových bunkách je metylácia DNA narušená. Pôvodne aktívne gény sú vyradené v dôsledku nadmernej metylácie/hypermetylácie predovšetkým v tzv. regulačných oblastiach génov (promótoroch). Všeobecne platí, že čím viac je regulačná oblasť génu metylovaná, tým je gén menej aktívny. Do skupiny génov vyradených hypermetyláciou patria predovšetkým tie, ktoré bránia vzniku nádoru, t. j. tumor-supresorové gény/antionkogény (t. j. gény, ktoré zastavujú nadmerné bunkové delenie), ako aj gény zodpovedné za opravu DNA. Naopak, mnohé pôvodne zablokované gény sa v nádorových bunkách začnú prepisovať v dôsledku nedostatočnej metylácie ich DNA, resp. hypometylácie. Medzi takto aktivované gény patria onkogénny (t. j. gény, ktoré stimulujú nadmerné bunkové delenie), retrotranspozóny (sekvencie DNA schopné sa presúvať z miesta na miesto) a ďalšie sekvencie, ktoré spôsobujú zvýšenú nestabilitu celej genetickej výbavy a lámavosť chromozómov. Epigenetickými procesmi (hypermetyláciou alebo hypometyláciou DNA) sú v rôznych typoch nádorov vyradené alebo naopak aktivované rôzne gény, čo poukazuje spolu s ich genetickými zmenami (mutáciami) na značné prepojenie molekulárnych mechanizmov podmieňujúcich vznik a vývoj onkologických ochorení. Platí teda, že iniciáciu karcinogenézy (vyvolanie procesu vedúceho k tvorbe nádoru) spôsobujú jednak génové mutácie, a jednak epimutácie vyššie spomenutých génov. Z týchto dôvodov je výskum nádorového ochorenia značne komplikovaný. Na druhej strane, napríklad metylácia génov, ktoré „vďaka“ génovým mutáciám predurčujú človeka na to, aby sa u neho vyvinula rakovina, spôsobuje, že i napriek genetickej predispozícii, tento človek nemusí rakovine nikdy podľahnúť. Odpoveď na otázku: „prečo?“ je jednoduchá. Pravdepodobne pije zelený čaj, zdravo sa stravuje, športuje, atď. Takáto životospráva môže spôsobiť, že sa jeho „rakovinové gény“ epigeneticky vypnú.

Ako vonkajšie faktory ovplyvňujú prejav génov?

Genetické a epigenetické procesy sú vzájomne prepojené. Už ani laik nepochybuje o tom, že za naše znaky a vlastnosti zodpovedajú gény („máme to v génoch“, „za všetko môžu naše gény“), ktorých prejav (epigenetické odblokovanie, zablokovanie) závisí od viacerých vplyvov a faktorov (napr. výživy, životného štýlu, stresu, atď.) prostredia. Zjednodušene si to môžeme predstaviť tak, že tieto faktory spúšťajú epigenetické procesy, a tým nepriamo/sprostredkovane rozhodujú o tom, či sa budú jednotlivé gény aktivovať alebo utlmovať.

ilustračné foto /myš/; zdroj: Pixabay.com

Jasné dôkazy o vplyve výživy na fungovanie epigenetických procesov získali vedci z Duke University (USA) v roku 2003 pokusmi na myšiach. Pri experimentoch použili špeciálny druh myší, ktoré boli náchylné na cukrovku a rakovinu. Boli mohutné a obézne a okrem toho sa od bežných hnedo sfarbených myši líšili aj žltým sfarbením. Výskumníci ich stravu zámerne obohatili o vitamín B12, cholín, genisteín a kyselinu listovú, t. j. látky, ktoré môžu slúžiť ako zdroj metylových skupín (tzv. metylových donorov) pre činnosť epigenetických mechanizmov. Metylácia (zablokovanie) génu zvaného agouti zodpovedného za žlté sfarbenie rodičovskej obéznej myši, bola príčinou toho, že jej mláďatá boli hnedé a naviac boli malé, štíhle a zdravé. Zmenená výživa (ktorú považujeme za faktor prostredia), podobne ako u včiel, spôsobuje epigeneticky podmienenú zmenu aktivity, resp. funkčnosti génov, v tomto prípade génu agouti zodpovedného za všetky pozorované zmeny. Neočakávaná bola aj skutočnosť, že sa tieto zmeny prenášali aj na ďalšie generácie. Očividne teda existujú chemické procesy/mechanizmy, pri ktorých jednoduchá zložka výživy, alebo vystavenie organizmov vplyvom rôznych vonkajších podmienok (napr. stresu), tlmia, alebo zosilňujú účinok génov. Obrazne a trochu prehnane môžeme konštatovať, že funkčnosť niektorých génov možno nepriamo epigeneticky ovplyvňovať buď v pozitívnom alebo negatívnom zmysle. Epigenetický profil sa počas života organizmov mení a prispôsobuje. DNA je schopná nepriamo prijať a akceptovať množstvo nových informácií a stimulov z prostredia a prostredníctvom epigenetických procesov ich využiť na funkčnú zmenu génov.

Dopad pozitívnych a negatívnych zážitkov na prejav génov

Nielen výživa, ale dokonca aj negatívne zážitky, zanedbávanie detí, užívanie drog alebo iné vážne stresové situácie umožňujú prostredníctvom vyvolaných biochemických epigenetických zmien rozkázať génom, či sa majú prejaviť a ako silno sa majú prejaviť. V súlade s novými poznatkami sa epigenetika opiera o traumatické zážitky človeka a jeho predkov, ktoré zanechávali „molekulárne jazvy“, resp. značky na DNA ďalších generácií. Obrazne povedané, zážitky našich predkov si vďaka epigenetike nesieme so sebou. Niekoľko vedeckých štúdií poukázalo na skutočnosť, že nepriaznivé životné podmienky a skúsenosti zanechávajú v človeku dlhotrvajúce epigenetické stopy a prostredníctvom zmien v metylácii DNA a modifikácii histónov môžu dokonca vyvolať depresie. Podarilo sa dokázať, že nielen samotná depresia, ale aj jej liečba antidepresívami súvisia s dynamickými zmenami vyvolanými pôsobením epigenetických mechanizmov, predovšetkým metyláciou DNA.

Materská starostlivosť

Niektoré epigenetické štúdie naopak odhalili, že láskavé zaobchádzanie matky s dieťaťom alebo mláďaťom významne ovplyvňuje jeho epigenetické predispozície v psychickej oblasti. Pri porovnávaní matkou zanedbávaných a nezanedbávaných myší sa objavili veľké epigeneticky podmienené rozdiely v psychickej vyrovnanosti, schopnostiach a inteligencii. Významný odborník v oblasti epigenetiky profesor Moshe Szyf experimentálne dokázal, že materská starostlivosť mení v mozgu myšacieho potomka „nastavenie“ jeho génov, čo sa v dospelosti môže prejaviť napr. ovplyvnením hladiny stresového hormónu (glukokortikoidu) kortizolu v krvi. Profesor M. Szyf zistil, že zvýšenie hladiny stresových hormónov glukokortikoidov v krvi mláďat potkanov, o ktoré sa matka slabo starala, spôsobila nedostatočná metylácia génu pre glukokortikoidový receptor, ktorý riadi hladinu týchto stresových hormónov v krvi. Pre takéto zanedbávané mláďatá je charakteristická zvýšená reakcia na stres.

V súvislosti s metyláciou génu pre glukokortikoidový receptor vedci realizovali aj výskum na ľuďoch. Zistili, že deti, ktorých matky počas tehotenstva z rôznych príčin trpeli, ako aj deti, ktoré boli po narodení týrané, mali oveľa viac metylovaný tento gén, čo neskôr ovplyvňovalo aj ich správanie v dospelosti. Okrem zvýšenej reakcie na stres, zvýšená metylácia génu glukokortikoidový receptor zvyšuje aj riziko obezity, depresií a niektorých autoimunitných ochorení.

Epigenetické procesy a návykové látky

Epigenetickými procesmi si telo môže dokonca vytvárať odolnosť voči drogám a alkoholu. Keď človek pije alkohol, vďaka epigenetickým pochodom sa v pečeňových bunkách zvýši produkcia enzýmu alkohol dehydrogenáza. Čím je vyšší príjem alkoholu, tým viac alkohol dehydrogenázy pečeň vyrába. Platí to aj naopak. Po dlhšej abstinencií sa výroba alkohol dehydrogenázy výrazne zníži a človek „vydrží menej“. Deje sa to preto, že telo spomalilo výrobu alkohol dehydrogenázy, keď ju už nepotrebovalo. Rovnaký mechanizmus sa uplatňuje aj pri iných návykových látkach, liekoch, čí kofeíne.

Kedy a prečo sa jednovaječné dvojčatá prestanú na seba podobať?

Genetická výbava sa dá epigeneticky ovplyvniť i vo vyššom veku. Potvrdili to epigenetické štúdie realizované nailustračné foto /dvojíčky/; zdroj: Pixabay.com dvojčatách. Tie, ktoré žili spolu, alebo sa často stretávali a mali rovnaké obyčaje a stravovacie a ďalšie návyky, mali aj aktivované rovnaké gény a molekuly ich DNA boli takmer totožné. Dvojčatá, ktoré spolu netrávili toľko času, bývali na rôznych miestach, nielenže sa na seba menej podobali, ale mali aj rozdielne zvyky a vlastnosti. Na vine je rozdielna metylácia ich DNA. Za zmienku stojí aj poznatok, že rozdiely v metylácii dvojčiat sa vekom stupňujú.

Gény, ktoré dostávame do vienka pri narodení, nie sú jediným režisérom nášho životného príbehu. Aj keď je ich podiel na napísaní nášho životného scenára kľúčový, nezanedbateľne o našom budúcom živote rozhoduje aj epigenetika. Keďže sa náš epigenetický profil mení počas celého života a epigenetické značky, ktoré vtisnú epigenetické procesy do našej DNA, sa môžu prenášať až do štvrtej generácie, je na nás, aby sme využili nádej, ktorú nám môže epigenetika poskytnúť a snažili sa epigenetické procesy aspoň čiastočne pozitívne ovplyvňovať. Musíme však vo svojom živote zmeniť veľa vecí, vrátane rebríčka našich hodnôt, životného štýlu, stravovacích návykov, pohybovej aktivity, prežívania stresových situácií, emócii, atď.

 

Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

Foto v článku: z archívu prof. RNDr. Evy Miadokovej, DrSc.

Ilustračné foto: Pixabay.com

Redigovala a uverejnila: VČ

 

Viac článkov o genetike od profesorky Evy Miadokovej na portáli VEDA NA DOSAH

Hore
Atmosféra počas TVT 2017
Utorok s psychológiou TVT 2018
Publikácie Veda v CENTRE
QUARK
Aurelium - centrum vedy
CVTI SR 80. výročie
Prechod VK na VND - jeseň
Extrapolácie 2018
Veda v Centre
TVT 2018
kúpa časopisov jún 2016
TVT 2017 články
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Oriešok obyč. ničí znášky dominantnejšiemu vodnárovi potočnému v čase jeho neprítomnosti v hniezde.
Zistite viac