Molekularna pieczątka – czyli jak naznaczyli nas nasi rodzice

avatar
Kacper Smoliński 29 kw., 5 minut czytania

Na świat przychodzimy już molekularnie naznaczeni przez naszych rodziców. Od pierwszych dni życia nasze geny zawierają tzw. piętno genomowe. Czym ono jest i jakie niesie za sobą konsekwencje? Odpowiedzi na te i inne pytania uzyskamy zanurzając się w głąb naszych genomów.

Z jakim piętnem mamy do czynienia?

Imprinting genomowy stanowi jedną z najbardziej tajemniczych zagadek ostatnich lat w dziedzinie genetyki. Powodem, dla którego stanowi tak duże wyzwanie, jest fakt, iż nie jest to mechanizm dziedziczenia związany ze zmianą sekwencji DNA. Na początku uważano, że dziedziczenie genów i ich potencjalnych mutacji związane jest tylko i wyłącznie ze zmianą sekwencji nukleotydów, jednak – jak dowiecie się w dzisiejszym artykule – okazało się to być nieprawdą.

Wciąż nie do końca rozumiemy, dlaczego w części genów dochodzi do tego zjawiska, a w innej nie. Wiadomo natomiast, że naznaczone geny mają tendencję do tworzenia skupisk w tych samych regionach chromosomów. Naukowcom udało się zidentyfikować takie regiony, jeden z nich znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 11 (11p15), a drugi na długim ramieniu chromosomu 15 (15q11 do 15q13) [1].

Mamy już za sobą krótkie wprowadzenie do tematu, ale o czym tak właściwie będziemy rozmawiać? Przejdźmy zatem do szczegółów tego niesamowitego zjawiska!

Aktywny czy wyłączony?

Większość genów, które posiadamy są zbudowane w następujący sposób: jedną kopię genu dziedziczymy od matki, zaś drugą od ojca, tyle albo aż tyle. Jednak i od tej reguły są pewne wyjątki, jak na przykład omawiane dziś zjawisko imprintingu genomowego. Dochodzi do niego wtedy, kiedy posiadamy tylko jedną kopię ,,działającego’’, czyli aktywnego genu, którą dostaliśmy od matki albo od ojca. Mówimy tu o sytuacji, w której dziedziczymy zdolność do chemicznej modyfikacji DNA, do jego kondensacji i braku aktywności transkrypcyjnej lub do zupełnie odwrotnej sytuacji, czyli jego ,,rozłożenia’’ i pełnej aktywności transkrypcyjnej. W zależności od genu, jedna kopia pochodząca od matki lub od ojca może być epigenetycznie (patrz przypis 1) wyciszona.

Zaraz po spotkaniu się komórki jajowej z plemnikiem dochodzi do zresetowania znaczników epigenetycznych (np. metylacji DNA), a DNA zostaje ,,oczyszczone’’. Geny, które u ssaków ulegają imprintingowi genomowemu zatrzymują swoje znaczniki epigenetyczne, pozostając tym samym ,,naznaczonymi’’. Badanie tego zjawiska może pomóc naukowcom zrozumieć, dlaczego część genów unika przeprogramowaniu epigenetycznemu, a część nie. Zjawisko imprintingu genomowego jest jedyne w swoim rodzaju. U ssaków tylko 1% genów bierze w nim udział [2].

Do wyciszenia genu dochodzi na drodze modyfikacji epigenetycznych, polegających między innymi na dodaniu grup metylowych do reszt ogonów histonowych. Takie modyfikacje prowadzą do ściślejszego upakowania struktury chromatyny, wtedy nazywana jest ona heterochromatyną i do inaktywacji ekspresji genu.

Molekularne znaczniki zazwyczaj są stałe i pozostają na swoim miejscu przez całe życie. Istnieje pewna charakterystyczna cecha imprintingu genomowego, która mówi, że określona część genów zawsze będzie wyciszona w komórce jajowej, natomiast pozostała część pozostanie nieaktywna w plemniku (Ryc.1).

Ryc.1 Zasada działania imprintingu genomowego. Gen A został przedstawiony w dwóch wariantach, jeden allel ulegający ekspresji, drugi z alleli zmetylowany ,,naznaczony’’ nieulegający ekspresji. Po spotkaniu się komórki jajowej z plemnikiem dochodzi do zresetowania znaczników epigenetycznych, jednak w przypadku naznaczonych genów ten proces nie zachodzi. Następnie dochodzi do ustalenia znaczników epigenetycznych specyficznych dla płci. Konsekwencją tego zjawiska jest powstałe potomstwo różniące się między sobą allem genu A, który ulega ekspresji.

Tylko jeden rodzic

A co się dzieje w przypadku zjawiska jakim jest disomia jednorodzicielska? O disomii jednorodzicielskiej mówimy wtedy, gdy osobnik odziedziczył dwie kopie lub część chromosomu tylko i wyłącznie od jednego z rodziców. Zjawisko to może zachodzić losowo w trakcie powstawania gamet lub może pojawić się we wczesnych stadiach rozwoju embrionalnego.

To, czy dziedziczymy kopie chromosomu od jednego czy dwojga rodziców najczęściej nie ma większego znaczenia, ponieważ na większości genów, które posiadamy, nie zachodzi zjawisko imprintingu genomowego. Ta sytuacja może się jednak diametralnie zmienić, jeśli spojrzymy z bliska na chromosomy 11 i 15 [3]. Wyobraźmy sobie osobnika z disomią jednorodzicielską, któremu może brakować aktywnych kopii genów podlegających imprintingowi genomowemu. Pomimo tego, że są one obecne w genomie, to metylacja tych regionów spowoduje ich inaktywację. Taka sytuacja doprowadzi do opóźnienia rozwoju, zaburzeń intelektualnych oraz do szeregu innych, poważnych powikłań. Najczęściej pojawiającymi się zespołami chorobowymi związanymi z zaburzeniami imprintingu genomowego są: zespół Pradera-Williego objawiający się między innymi otyłością i niepohamowanym łaknieniem. Drugim przykładem jest zespół Angelmana, związany m.in z opóźnieniem intelektualnym oraz ataksją. Oba te zespoły są zależne od nieprawidłowości zachodzących na długim ramieniu chromosomu 15. Dla krótkiego ramienia chromosomu 11 charakterystyczny jest: zespół Beckwitha-Wiedemanna, czyli zespół przerostowy z zwiększonym ryzykiem rozwoju nowotworów złośliwych.

Problem z klonowaniem

Wróćmy pamięcią do artykułu o klonowaniu (patrz przypis 2), gdzie dowiedzieliśmy się, że samo w sobie jest ono bardzo skomplikowaną procedurą, a sklonowanie ssaków wydaje się być procesem znacznie trudniejszym. Problemem związanym z sklonowaniem ssaków może być omawiany w niniejszym artykule ich unikatowy epigenom, a konkretnie zjawisko imprintingu genomowego. Epigenom to nic innego jak pełen pakiet chemicznych modyfikacji nici DNA, który wpływa na aktywność genów.

Jedną z najczęściej wykorzystywanych technik klonowania jest metoda transferu jądra komórki somatycznej. Polega ona na usunięciu jądra z komórki somatycznej dawcy i umieszczeniu go w komórce jajowej, z której wcześniej usunięto pierwotne jądro komórkowe.

Klony charakteryzują się dużymi nieprawidłowościami epigenetycznymi, co znacznie pogarsza proces klonowania. Istnieje pewna hipoteza, która mówi, że nieprawidłowości epigenetyczne wynikają z dwóch powodów.

Pierwsza teoria głosi, że jądro komórkowe dawcy pochodzi z już zróżnicowanej komórki, posiadającej swoje molekularne naznaczenie. Takie naznaczenie będzie dyktowało genom jak mają się zachowywać. Komórka jajowa, do której takie jądro zostało przeniesione, będzie za wszelką cenę starać się ,,odznaczyć’’ przyjęty materiał genetyczny, ale taki proces jest bardzo wadliwy i opóźniony.

Z drugiej strony mówi się o nieprecyzyjnej pracy epigenetycznej maszynerii kopiującej. Naznaczone geny w jądrze komórkowy dawcy zostały już przecież kilka razy skopiowane. Maszyneria kopiująca DNA popełnia 1 błąd na 500 000 mln par zasad, przy czym epigenetyczna maszyneria popełnia go częściej, 1 błąd na 25 par zasad [4]. Taki poziom błędnego kopiowania molekularnych znaczników w jądrze komórkowym dawcy znacząco wpływa na zachowanie się genów i rozwój embrionalny sklonowanego zarodka.

Muł a Osłomuł

Geny, które są epigenetycznie naznaczone, ulegają znacznie większej presji selekcyjnej. Oznacza to, że w danym momencie tylko jedna kopia genu jest aktywna i wszelkie zmiany, które się w niej zadzieją zostaną wyrażone. Warto również zaznaczyć, że naznaczone geny ewoluują szybciej od pozostałych genów.

Do ciekawej sytuacji dochodzi, gdy niespotykające się zazwyczaj ze sobą zwierzęta w naturze, na przykład takie jak osioł i koń, mają wspólnie potomstwo. Wyobraźmy sobie, że skrzyżujemy ze sobą osobnika konia domowego z osłem, tworząc tzw. hybrydowe potomstwo. Powstałe osobniki będą się znacznie różniły między sobą wyglądem w zależności od tego, kim jest ich matka. Ogier konia domowego i klacz osła wydadzą na świat osłomuła, który będzie całkowicie bezpłodny. Jednakże z połączenia klaczy konia domowego z ogierem osła urodzi się muł – silniejszy i bardziej pożądany niż osłomuł. Różnice w wielkości i wyglądzie między tymi osobnikami wynikają częściowo właśnie z odmiennego piętna genomowego ojcowskiego i matczynego.

Imprinting genomowy jest bardzo wrażliwy…

Na sam koniec należy pamiętać o tym, że naznaczone epigenetycznie geny są bardzo podatne na wszelkie sygnały środowiskowe. Ze względu na to, że mają one tylko jedną, aktywną kopię genu i brak jakiejkolwiek opcji zapasowej to wszystkie ewentualne zmiany, mutacje w ich obrębie, będą wywierały silniejszy efekt na ekspresję genów, a co za tym idzie – na cały rozwój potomstwa.

Przypisy:

1. Epigenetyka to dziedzina nauki zajmująca się zmianami zachodzącymi na poziomie ekspresji genów, niezwiązanymi ze zmianą sekwencji nukleotydów w DNA, a jego chemiczną modyfikacją.

2. https://genetyka.bio/kopiuj-wklej-czyli-solidna-dawka-wiedzy-o-klonowaniu/

Bibliografia:

[1] https://medlineplus.gov/about/using/citation/

[2] https://www.genome.gov/genetics-glossary/Genetic-Imprinting

[3] https://www.genomicseducation.hee.nhs.uk/blog/what-is-genomic-imprinting/

[4] Genetic Science Learning Center. (2013, July 15) Genomic Imprinting. Retrieved April 02, 2023, from https://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/imprinting

Grafiki zostały wykonane na stronie Biorender.com

 

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


Podziel się: