Epigenetyka, czyli dlaczego warto pielęgnować dobre nawyki

Gabriela Orłowska-Matuszewska

Uniwersytet Wrocławski; Instytut Genetyki i Mikrobiologii, Zakład Genetyki;  Przybyszewskiego 63; 51-148 Wrocław

Wstęp

Panujący przez lata determinizm genetyczny przyzwyczaił do myślenia, że program na życie zapisany w sekwencji nukleotydów budujących DNA jest niezmienny. Zgodnie z tym założeniem geny, które przypadły nam w udziale po przodkach, decydują o wyglądzie, upodobaniach, chorobach, ale też dokonywanych wyborach, osiąganych sukcesach i jakości życia. Nam samym pozostaje jedynie podporządkowanie się biologii i ewentualnie niwelowanie niekorzystnych układów genów. Odziedziczenie alleli osłabiających żywotność wiąże się z nieodwracalną nieuchronnością zdarzeń.

Każdy rodzaj determinizmu (genetyczny, okoliczności, psychiczny, czy środowiskowy) jest niezwykle wygodną wymówką zwalniającą z aktywności i samorozwoju, czyli brania odpowiedzialności za własne życie. Teoria determinizmu genetycznego z jednej strony zwalnia z takiej odpowiedzialności, z drugiej zaś upoważnia do prawnej ingerencji zewnętrznej (poprzez zmuszanie do leczenia, sterylizacji, czy wprowadzania różnych form ograniczania wolności jak np. zakazu zawierania małżeństw, czy podejmowania określonych zawodów).

Dzisiaj wiemy, że kształtowani jesteśmy przez geny, które reagują na bodźce środowiskowe. Dziedziczone są geny, ale sposób ich wykorzystania, użycia w znacznej mierze zależy już od ich właścicieli.

Dopiero nałożone na siebie: spuścizna po przodkach oraz własne doświadczenia i wybory decydują o fenotypie, czyli o tym jacy jesteśmy. Epigenetyka tłumaczy mechanizmy, dzięki którym genetycznie identyczne komórki wykazują różnice fenotypowe, wyodrębniają się w różne typy w obrębie organizmu i zmieniają swoją aktywność w odpowiedzi na bodźce środowiskowe. Wyjaśnia dlaczego bliźnięta monozygotyczne mino identycznej sekwencji DNA różnią się między sobą. Epigenetyka jest dziedziną genetyki, która zajmuje się wybiórczą aktywnością genów związaną z utrzymaniem życia komórki.

I. Determinacja genetyczna

              Posiadamy wiele genów, których aktywności nie możemy dowolnie zmieniać i nie mamy na nie wpływu. Na przykład grupy krwi układu ABO determinowane są jednym genem zlokalizowanym na chromosomie 9. W populacji ten gen ma trzy allele, których kombinacja wyznacza grupę krwi. Znane są choroby genetyczne takie jak achondroplazja, czy pląsawica Huntingtona, dziedziczone jednogenowo, które już przy odziedziczeniu jednego allelu powodują wystąpienie objawów (dominujące) i inne które ujawniają się dopiero po odziedziczeniu dwóch alleli (recesywne) – takie jak fenyloketonuria, czy albinizm. Po odziedziczeniu konkretnych alleli nie mamy żadnego wpływu ani możliwości przemodelowania ich. Wprawdzie nie zawsze oznacza to konieczność bezradnego poddawania się wyrokom losu, bowiem stosując daleko idącą profilaktykę (profilaktyczne przyjmowanie czynnika krzepliwości krwi przy hemofilii), a czasem odpowiednią dietą można zapobiec pojawieniu się objawów choroby (np. dieta bardzo uboga w fenyloalaninę pozwala na prawidłowy rozwój układu nerwowego dzieci z fenyloketonurią). Niemniej nie da się całkowicie zniwelować obecności alleli determinujących chorobę i zostają one przekazywane potomstwu.

Z drugiej strony znane są geny, które powodują że ich nosiciele mają jedynie wrodzone predyspozycje do określonych chorób lub zachowań. Do nich należą między innymi te, które decydują o temperamencie i mają udział w kształtowaniu osobowości. Określają to, kim jesteśmy wyznaczając ramy, w obrębie których już środowisko modyfikuje sposób zachowania i rodzaje reakcji. Są osoby stale odprężone, nieprzejmujące się nawet trudnymi doświadczeniami i inne, dla których najprostsze zadanie jest wyzwaniem, po którym długo wracają do równowagi. Odziedziczamy predyspozycje do takich zachowań, ale sami możemy decydować na ile poddamy się presji genów. Osobiste doświadczenia, które zbieramy przez całe życie ostatecznie modelują charakter, a umiejętność radzenia sobie z emocjami jest jednym z wyznaczników dojrzałości.

Skrajnym przykładem odniesienia się do teorii determinizmu genetycznego w sferze zachowań była linia obrony Stephena Mobleya, który w 1991r. z zimną krwią strzelił do odwróconego tyłem sprzedawcy pizzy. Adwokat oparł się na zeznaniach krewnych, którzy opisywali niepokojące antyspołeczne zachowania pojawiające się od kilku pokoleń w tej rodzinie i wyciągnął wniosek, że należy winić geny, a nie człowieka. W latach 90. świat obiegła wiadomość o znalezieniu „genu agresji” w holenderskiej rodzinie, której agresywni członkowie byli nosicielami mutacji w genie MAO-A, kodującym monoaminooksydazę, białko związane z tlenową dezaminacją amin endogennych (takich jak dopamina, norepinefryna, serotonina, czy adrenalina). (Independent, 1995)

II. Mechanizmy zmian epigenetycznych

Podczas normalnego procesu rozwoju i różnicowania komórek specyficznych dla danego typu, generowany jest charakterystyczny dla nich wzór epigenetyczny.

U podstaw zmian epigenetycznych leżą biochemiczne modyfikacje nukleotydów budujących DNA. Modyfikacje już wbudowanych nukleotydów, a nie zmiany samych nukleotydów. Są to więc zmiany aktywności genów bez zmiany genotypu, sekwencja nukleotydów pozostaje niezmieniona. Do zjawisk epigenetycznych zalicza się modyfikacje białek histonowych budujących razem z DNA chromatynę, jak i modyfikacje samego DNA. Także interferencje RNA (RNAi) można uznać za regulacje epigenetyczne decydujące o ilości syntezowanego w komórce białka, będące reakcją na bodźce środowiskowe. Podczas normalnego procesu rozwoju i różnicowania komórek, komórek specyficznych dla danego typu, generowany jest charakterystyczny dla nich wzór epigenetyczny. Genom jest identyczny we wszystkich typach komórek danego organizmu, natomiast epigenom jest zmienny, zróżnicowany nie tylko w różnych typach komórek, ale może też zmieniać się w czasie. W organizmie człowieka jest ponad dwieście typów komórek (np. mięśniowe gładkie i prążkowane, nerwowe układu centralnego i obwodowe, różne typy komórek krwi, komórki różnych typów nabłonka, cebulki włosa itp. itd.) Właśnie epigenetyka tłumaczy zależną od środowiska zmienną ekspresję genów, która leży u podstaw różnicowania organizmu od zygoty do dojrzałego osobnika. Od niedawna dostarcza też dowodów, że wszystkie bodźce zewnętrzne takie jak wychowanie, miłość, pożywienie, głód, stres, poziom hormonów, terapie psychologiczne, używki, trauma, klimat, sport mogą zmieniać epigenom wpływając na zróżnicowaną aktywność genów. W tabeli 1 przedstawiono główne mechanizmy zmian epigenetycznych. W każdym przypadku są to modyfikacje odwracalne, prowadzące do zamiany dostępności do genów („włączanie” lub „wyłączanie”) na poziomie chromatyny lub samego DNA, albo uniemożliwiające wykorzystanie gotowych już matryc RNA (jak w przypadku interferencji RNA). Redagowanie RNA umożliwia powstawanie różnych izoform białka kodowanych przez ten sam gen. (Mehler, 2008)

Tab. 1 Główne mechanizmy zmian epigenetycznych

C – cytozyna; U – uracyl; A – adenina; I – inulina

Często metylacje cytozyny w DNA poprzedzone są modyfikacjami histonów, co razem prowadzi do stabilizacji podwójnej helisy. Utworzenie m5C powstrzymuje wiązanie specyficznych białek jądrowych związanych z różnymi genetycznymi procesami przebiegającymi w komórce takimi jak transkrypcja, replikacja czy naprawy DNA (Vanyushin 2005).

U ssaków, zależność między sygnałami epigenetycznymi a środowiskiem jest jeszcze słabo zdefiniowana, ale zarówno hipo- jak i hipermetylacja były związane są z procesami starzenia się. Stopniowa utrata całkowitej metylacji jest widoczne w trakcie hodowli fibroblastów in vitro, jak i u starzejących się organizmów. (Jaenisch, 2003)

III. Konsekwencje zmian epigenetycznych

Szczególnie atrakcyjne jest zrozumienie jak zmiany epigenetyczne wpływają na rozwój mózgu, utrzymanie homeostazy, procesy starzenia czy poznanie związku z etiologią różnych chorób w tym ...