Jedno DNA, a wiele rodzajów komórek – jak to działa?

Martyna Kosno
Martyna Kosno 30 Sie, 6 minut czytania

Wszystkie komórki w ludzkim ciele mają takie samo DNA, a jednak tworzą bardzo różne tkanki. Jak to możliwe? Jeśli ciekawi Was odpowiedź na to pytanie, to jesteście we właściwym miejscu!

Zanim zagłębię się w szczegóły, zacznijmy od tego, gdzie to nasze DNA się w ogóle w komórce znajduje. DNA (ang. Deoxyribo-Nucleic Acid), lub kwas deoksyrybonukleinowy, zawiera wszelkie instrukcje odnośnie tego, jak ma działać komórka, jakie ma w danym momencie wytwarzać białka, a jakiego typu procesy powinny być w niej hamowane. Tych instrukcji jest w przeciętnej ludzkiej komórce całkiem sporo! Taka właśnie przeciętna komórka ma rozmiar 80-100 mikrometrów (czyli jest około dziesięć razy mniejsza niż jedno ziarnko piasku)! Jądro komórkowe, w którym znajduje się nasze DNA, zajmuje natomiast średnio około 10% objętości całej komórki, czyli można przyjąć, że mierzy około 10 mikrometrów. Cała instrukcja komórkowa w postaci DNA musi się zmieścić właśnie w tym maleńkim jądrze. Nasuwa się więc pytanie, jak długie jest DNA. Otóż DNA ma długość około 2 metrów. Trudno jest sobie takiego typu skalę wyobrazić, więc porównajmy to tak: gdyby jądro komórkowe było wielkości piłki nożnej, to musiałoby pomieścić 45 km DNA!

Aby poradzić sobie z trudnym zadaniem upakowania takiego ogromu materiału genetycznego w maleńkim jądrze, komórka ufałdowuje DNA w bardziej zwartą formę za pomocą dodatkowych białek. Białka te są nazywane histonami. Zbierają się one w grupy po osiem na raz (po dwie kopie: histonu 2A, 2B, 3 oraz 4) i wokół takiego oktameru zawija się DNA. Pojedyncza jednostka kompleksu ośmiu białek histonowych i DNA nazywana jest nukleosomem. Dodatkowo warto zapamiętać, że histony mają tzw. „ogony”, na których może dochodzić do chemicznych modyfikacji (symbolicznie pokazane są one jako szare i żółte kulki na obrazku poniżej).

Różne modyfikacje chemiczne na ogonach histonowych mogą wywoływać bardzo różne efekty dla DNA. Niektóre grupy chemiczne (np. często metylacja) spowodują, że DNA stanie się bardziej zwarte i mniej dostępne dla różnych czynników transkrypcyjnych. Prościej rzecz ujmując: w obecności takich zmian, okoliczne DNA i zawarte w nim instrukcje komórkowe będą trudniej dostępne do odczytania lub zupełnie zablokowane. Materiał genetyczny wraz z białkami histonowymi w tej bardziej „zwartej” formie jest nazywany heterochromatyną. Z drugiej strony, inne grupy chemiczne (np. często acetylacja) mogą spowodować odwrotny efekt – DNA przybierze wówczas bardziej „rozluźnioną” formę i stanie się łatwiej dostępne do transkrypcji. Taki bardziej „rozluźniony” i dostępny dla czynników transkrypcyjnych materiał genetyczny wraz z histonami jest nazywany euchromatyną.

Wspomniana przeze mnie transkrypcja jest niczym innym jak właśnie procesem odczytywania instrukcji komórkowych z DNA (dla bardziej szczegółowego opisu transkrypcji: patrz przypis 1). Biorą w tym procesie udział różne makromolekuły, które znajdują się w jądrze komórkowym. W zależności od tego, co to są za makromolekuły, może się jednak zadziać odwrotnie i DNA zamiast być transkrybowane (odczytywane), zostanie wyciszone (czyli transkrypcja będzie celowo zablokowana; patrz przypis 2). Dzięki temu, że cała ta jądrowa maszyneria jest tak doskonale skoordynowana, komórka może stale produkować wszystkie czynniki niezbędne do jej poprawnego funkcjonowania. Modyfikacje chemiczne chromatyny, o których pisałam wyżej, oraz śliśle regulowany dostęp różnych molekuł do chromatyny poprzez jej kondensację i rozluźnianie, biorą wspólnie udział w koordynowaniu tego, które części DNA mają być w danym momencie ekspresjonowane (czyli odczytywane i tłumaczone). Na przykład, zarówno plemnik jak i komórka płuca tej samej osoby mają takie samo DNA, ale plemnik ma na pewno ogrom różnych białek, których komórka płuca wcale nie potrzebuje (i vice versa). Co więcej, niektóre z tych białek mogłyby być bardzo groźne dla zdrowia komórki płuca, gdyba ta zaczęła je nagle wytwarzać. Właśnie dlatego ten niezwykle wysoki poziom kontroli odczytywania i wyciszania informacji z DNA jest po prostu niezbędny.

Wszystkie pojęcia, o których tu dziś czytacie są bardzo ważne w dziedzinie epigenetyki. Skoro tutaj jesteście, to zakładam, że słyszeliście kiedyś o genetyce – dla przypomnienia, jest to nauka o DNA, genach i genomie. Epi-genetyka natomiast jest tym, co kształtuje nasz materiał genetyczny w dodatku do samego DNA. Obejmuje to wszystkie modyfikacje chemiczne, o których pisałam wyżej, a które są niezbędne do tego, aby nasze komórki funkcjonowały poprawnie. Niektóre z tych modyfikacji mogą być dziedziczone, ale nasze komórki mogą się ich również pozbywać lub nabywać w ciągu swojego życia. Istnieją nawet raporty naukowe, które wiążą konkretne modyfikacje epigenetyczne ze zwiększonym prawdopodobieństwem zapadnięcia na niektóre choroby, takie jak nowotwory [cyt.1], a inne badania sugerują, że możemy być w stanie w pewnym stopniu zmieniać nasz epigenom (czyli te właśnie modyfikacje DNA i histonów) np. za pomocą zmian w diecie [cyt.2]! No i w końcu, zmiany epigenetyczne leżą też u podłoża różnicowania komórkowego.

Co to jest różnocowanie komórkowe? Wróćmy pamięcią do czasu, gdy zaraz po fuzji komórki jajowej i plemnika powstaje zygota (patrz przypis 3). Taka zygota zaczyna się dzielić i daje początek ludzkiemu embrionowi. W ciągu kilku pierwszych dni jest w nim bardzo niewiele komórek i ich DNA jest ekspresjonowane w bardzo charakterystyczny sposób: duży nacisk jest kładziony na odczytywanie i tłumaczenie (transkrypcję i translację; patrz przypis 4) informacji z DNA związanych z efektywnym dzieleniem się komórek w doskonale skoordynowany sposób. Po jakimś czasie jednak komórki zaczynają się bardziej specjalizować do wykonywania konkretnych zadań. Dzięki temu wkrótce będą mogły uformować w pełni funkcjonalnego małego człowieka, z mózgiem i sercem, które – jak wszyscy wiemy – prawie nigdy nie będą się ze sobą zgadzać 😉 oraz ze wszystkimi innymi organami, które człowiekowi są potrzebne do życia. To wszystko co się dzieje między poczęciem, a w pełni funkcjonalnym ludzkim ciałem, to właśnie różnicowanie komórkowe.

No, a żeby wszystkie komórki mogły się tak dobrze zróżnicować, potrzebna jest właśnie epigenetyka! Podsumowując:

  • Niezróżnocowane komórki są skupione na transkrypcji i translacji tych części DNA, które pozwalają się im efektywnie dzielić.
  • Inne części DNA – mniej istotne na tym etapie – są wyciszane (czyli ich ekspresja jest zahamowana).
  • Oba te procesy są możliwe dzięki serii różnych zmian chemicznych, które zachodzą na DNA i histonach, a które pomagają chromatynie bardziej się zacieśnić lub rozluźnić.
  • W miarę jak embrion się rozwija i musi zacząć produkować wyspecjalizowane komórki, ekspresja różnych części DNA staje się bardziej ukierunkowana na konkretne zadania, a inne części genomu, które nie są konieczne w danym momencie, zostają wyciszone. Dzięki temu, komórki pierwotnie pochodzące z takiego prostego embrionu mogą zacząć budować bardzo skomplikowane organy (płuca, skórę, kości i wiele innych).

Różnicowanie komórkowe przy wykorzystaniu konkretnego programu zmian epigenetycznych jest też wykorzystywane do celowego wykształcania i badania nowopowstałych komórek danego rodzaju [cyt.3]. Na przykład, w niektórych laboratoriach pracujących nad schorzeniami mózgu, naukowcy nie mają możliwości pobrać próbki tkanki z mózgu, aby ją badać prosto od pacjenta. Co można zrobić zamiast tego, to pobrać próbkę komórek tkanki podskórnej od danego pacjenta. Takie komórki naukowcy zaczynają hodować w warunkach laboratoryjnych i za pomocą spacjalnych metod wycofują program różnicowania aż do momentu, gdy takie komórki stają się na nowo komórkami macierzystymi. Po osiągnięciu takiego całkowicie niezróżnicowanego stanu, naukowcy mogą ponownie wywołać różnicowanie tych komórek w doskonale zaprogramowany sposób, tak, aby tym razem te komórki przekształciły się w komórki układu nerwowego. W ten sposób można badać komórki mózgowe konkretnego pacjenta, bez potrzeby pobierania tychże cennych komórek prosto z mózgu!

Ta fascynująca gałąź nauki stale się rozwija i ja osobiście czekam z niecierpliwością na nowe doniesienia w dziedziniach epigenetyki i różnicowania komórkowego.

 

 

Przypisy:

  1. Transkrypcja – jest to proces syntezy nowej nici RNA (kwas rybonukleinowy) na podstawie DNA zawartego w jądrze komórkowym. Transkrypcja odbywa się za pomocą specjalnych enzymów, nazywanych polimerazami RNA. Taka nowoodczytana informacja, teraz zapisana w postaci RNA, będzie potrzebna następnie do procesu translacji (patrz przypis 4).
  2. Wyciszanie (silencing) – to metoda zahamowania ekspresji genu bez potrzeby usuwania go z organizmu. Ekspresja genu to nic innego jak odczytywanie i tłumaczenie zapisanej w jego obrębie informacji (transprypcja – patrz przypis 1; translacja – patrz przypis 4). Wyciszenie genu polega więc na zahamowaniu albo jego transkrypcji, albo translacji. Jest to proces, który występuje naturalnie w komórkach, ale jest również wyorzystywany przez naukowców w biologii molekularnej. Za pomocą tej metody, próbują oni wyciszać np. geny odpowiedzialne za powstawanie choroby.
  3. Zygota – jest to komórka, która powstała w wyniku zapłodnienia (czyli – u człoweka – połączenia komórki jajowej z plemnikiem). Zygota jest pierwszą komórką diploidalną, czyli taką, która posiada jedną kopię materiału genetycznego od matki i jedną od ojca.
  4. Translacja – proces syntezy nowego łańcucha polipeptydowego (czyli po prostu nowego białka), który odbywa się na podstawie nowopowstałej matrycy RNA, wytworzonej w procesie transkrypcji. Każde białko składa się z serii aminokwasów, a każdy aminokwas jest zakodowany za pomocą trzech nukleotydów RNA. Nasz organizm jest niezwykle sprytny i wymyślił sobie ten „język” do transkrypcji i translacji (DNA – RNA – białko), tak, żeby móc w zwięzły i zaskakująco prosty sposób zapisać instrukcje do tego, jakie dokładnie białko musi być w danym miejscu i czasie wytworzone.

Źródła:

[1] Dawson MA, Kouzarides T. Cancer epigenetics: from mechanism to therapy. Cell. 2012. 150, 12–27

[2] Zhang Y, Kutateladze TG. Diet and the epigenome. Nature Communications. 2018. 9:3375

[3] McKinney CE. Using induced pluripotent stem cells derived neurons to model brain diseases. Neural Regen. Res. 2017. 12(7):1062-1067

 

Wszystkie grafiki były wykonane na stronie Biorender.com

 

Podziel się: