/ /

W przyrodzie
wariant ma znaczenie

avatar
Dr Joanna Stojak 29 Cze, 6 minut czytania

Trudno byłoby policzyć z ilu komórek składa się nasze ciało. Każda komórka posiada identyczną informację genetyczną, charakterystyczną tylko dla nas, tzw. genom. Jednak po bliższym przyjrzeniu się zauważylibyśmy, że pomimo identycznego „przepisu”, komórki różnych tkanek mają inny fenotyp, czyli na przykład inną budowę czy funkcję.

W naturze zauważono więcej takich rozbieżności. Bliźnięta jednojajowe wychowane w innych warunkach środowiskowych mogą wyglądać inaczej. W wyniku stosowania odmiennej diety królowa i robotnice u pszczół genetycznie są takie same, a jednak morfologicznie znacznie odbiegają od siebie. U gadów o płci decydują warunki temperaturowe, które panowały podczas inkubacji złożonych jaj, a nie kod genetyczny.

To wszystko sprawka mechanizmów epigenetycznych, które potrafią wykorzystać sekwencję DNA na tysiące różnych sposobów, stosując zmienne wzorce ekspresji genów.

Drugi kod

Grecki przedrostek „epi” oznacza „poza, w dodatku do”. Epigenetyka opisuje zatem zmiany w ekspresji genów, czyli sposobie odczytu zawartej w genomie informacji genetycznej, bez wprowadzania zmian w sekwencji DNA. Zmiany epigenetyczne mogą podlegać dziedziczeniu, a ich mechanizmy zachodzą bardzo podobnie we wszystkich organizmach żywych.

Najbardziej powszechną zmianą epigenetyczną jest przyłączanie grup metylowych (-CH3) do cytozyn (jedna z zasad pirymidynowych, element nukleozydów) w DNA, czyli metylacja DNA. Pozostałe mechanizmy opierają się na zmianach w strukturze chromatyny (główny składnik chromosomów, zbudowany m.in. z DNA, hitonów i RNA), modyfikacji białek histonowych (zasadowe białka wchodzące w skład chromatyny, które neutralizują i wiążą DNA) czy wyciszanie genów (wyłączenie aktywności genu bez jego usuwania, najczęściej poprzez zablokowanie transkrypcji lub translacji) z udziałem mikro RNA (krótka, jednoniciowa cząsteczka RNA, która bierze udział w regulacji ekspresji genów). Wzory powyższych zmian są tkankowo, gatunkowo i wiekowo specyficzne [1]. Dodatkowo, zmiany w genomie mogą być również wprowadzane poprzez działanie transpozonów (przemieszczające się z jednej pozycji na drugą w obrębie tej samej komórki sekwencje DNA) [2].

Procesy epigenetyczne są bardzo skomplikowanym szlakiem reakcji molekularnych, złożonym z interakcji pomiędzy kilkoma uzupełniającymi się mechanizmami ekspresji genów. Wynikająca z ich aktywności zmienność wpływa na ewolucję organizmów, zwiększając ich przystosowanie do warunków środowiskowych, stanowiąc niewątpliwie narzędzie doboru naturalnego.

Odpowiedź na stres

Rośliny, ze względu na brak możliwości ruchu, muszą radzić sobie z warunkami środowiskowymi i klimatycznymi w miejscu, w którym rosną. Nie mogąc uciec, wykształcają odporność na niekorzystne czynniki i przystosowują się do zmian zachodzących dookoła nich poprzez modyfikację procesu ekspresji genów [3]. Długotrwałe działanie niesprzyjających czynników biotycznych i abiotycznych stymuluje wydzielanie hormonów roślinnych, których poziom reguluje intensywność metylacji DNA [4]. Odpowiedź epigenetyczną zauważono u różnych gatunków roślin m.in. w przypadku suszy [4], przymrozków [5], ataku wirusów i bakterii [4] oraz intensywnego zgryzania przez roślinożerców [6].

Mechanizmy epigenetyczne umożliwiają roślinom nie tylko szybką odpowiedź na nowo pojawiające się warunki, ale również stałe adaptacje. Badania wykazały, że w przypadku ponownego zaistnienia stresu, z którym dana populacja miała już do czynienia w przeszłości, rośliny uaktywniają mechanizmy epigenetyczne zapisane w ich „pamięci”. Oznacza to, że rośliny mogą kontrolować na przykład czas rozpoczęcia kwitnienia i tempo rozwoju w taki sposób, aby wegetacja przebiegła jak najskuteczniej.

Co więcej, zmienność epigenetyczna i adaptacje prowadzące do skutecznego przystosowania rośliny lub jej populacji do określonych warunków jest dziedziczna, jednak niezmieniony „epigenom sukcesu” przekazywany jest tylko przez kilka kolejnych pokoleń [7]. Wiedzę tę z powodzeniem można wykorzystać na przykład w rolnictwie czy ochronie środowiska.

W rolnictwie od zawsze priorytetem jest uzyskanie jak najwyższych plonów bardzo dobrej jakości. Zastosowanie modyfikacji epigenetycznych do wyprodukowania roślin przystosowanych do różnych stresorów (np. suszy, wysokiego zasolenia, patogenów) nie tylko gwarantuje sukces w uprawie, ale również umożliwia jej prowadzenie bez stosowania szkodliwych dla środowiska naturalnego insektycydów czy pestycydów.

Znajomość i zastosowanie mechanizmów epigenetyki może również pomóc w ochronie gatunków rzadkich i zagrożonych. Postępujące zmiany klimatu drastycznie zmniejszają bioróżnorodność, prowadząc do wymierania kolejnych kladów i dewastacji obszarów cennych przyrodniczo. Na przykład w Biebrzańskim Parku Narodowym obserwuje się zanikanie podmokłych terenów, co redukuje populacje storczyków, które zajmują tamtejsze turzycowiska.

Historia udomowienia

W ciągu 11 tysięcy lat człowiek udomowił 474 gatunki zwierząt i 269 gatunków roślin. Domestykacja była procesem żmudnym i czasochłonnym, prowadzącym do przekształcenia się szeregu cech morfologicznych, fizjologicznych czy behawioralnych pod wpływem działań człowieka [8-10]. Początkowo wpływ ten był bardzo chaotyczny, dopiero z czasem ludzie zrozumieli, że można w sposób kontrolowany prowadzić hodowlę zwierząt i uprawę wybranych roślin. Poprzez selektywny wybór i rozmnażanie osobników, które wydawały się naszym przodkom najbardziej użyteczne, w populacji rozpowszechnił się i dominował jeden fenotyp – krowa, która dawała najwięcej mleka czy zboże, które miało największe nasiona [9]. W wyniku udamawiania kolejnych gatunków zmienił się również tryb życia ludzi, którzy zamiast przenosić się z miejsca na miejsce, zaczynali budować osady i prowadzić hodowlę i uprawę na coraz większą skalę. Zmiana diety łowców-zbieraczy na dietę rolników doprowadziły do zmian w budowie i funkcji ich układu pokarmowego [11]. Analiza kości mieszkańców Europy z okresu paleolitu wykazała, że początkowo allele warunkujące produkcję enzymu laktazy były bardzo rzadkie, ale wraz ze zwiększaniem spożycia mleka stały się częstsze [12].

W przypadku udomawiania roślin najważniejsza okazywała się ich morfologia (np. duże, bogate w białko ziarna) i łatwość w hodowli. Gatunki takie jak pszenżyto, ziemniaki czy rzepak uzyskano metodą poliploidyzacji (sztuczne zwiększenie liczby chromosomów poprzez hybrydyzację międzygatunkową), która doprowadza do licznych zmian epigenetycznych. Analizy molekularne ujawniły, że proces udamawiania roślin polegał głównie na zmianach w szlakach regulatorowych transkrypcji, prowadzących do zwiększonej produkcji różnych enzymów [13]. Doskonałym przykładem jest zróżnicowana selekcja kapusty, w wyniku której dzisiaj z jednej rośliny uzyskać można różne odmiany, takie jak na przykład jarmuż, brukselkę, kalafior czy brokuły [8, 11].

W przypadku udomowienia zwierząt podstawą w wyborze intersującego gatunku było jego zachowanie – musiało być chętne do współpracy, spokojne i o łatwych do zaspokojenia preferencjach żywieniowych [10]. Doskonałym przykładem jest proces udomowienia psa. Początkowo przodkowie psów, wilki, podążały za człowiekiem, zjadając pozostawione przez niego resztki. Z czasem oba gatunki zbliżyły się do siebie na tyle, że wilki pomagały ludziom w polowaniach, pilnowaniu domostw, a z czasem także hodowanych zwierząt [14-16]. Doprowadziło to do licznych zmian w ekspresji genów, przekładających się na wygląd i zachowanie prapsów. Psy mają znacznie mniejszą czaszkę i ciało niż wilki, a ich uzębienie znacząco się różni. Pamiątką po udomowieniu są również oklapnięte uszy i zakręcony ogon [17]. Analiza filogenetyczna współczesnych i kopalnych populacji psów i wilków jednoznacznie wykazała, że wszystkie współczesne rasy psów wywodzą się z jednorodnej puli genetycznej. Oznacza to, że fenotypowo bardzo różnorodne rasy psów mają niemalże identyczną sekwencję DNA. W przypadku wilka dodatkowo zauważono, że pomimo zajmowania olbrzymiej niszy ekologicznej i przystosowania do szerokiego spektrum warunków środowiskowych i klimatycznych, na świecie występują tylko dwie haplogrupy tego gatunku (H1 i H2), które rozeszły się nie wcześniej niż 100 tysięcy lat temu [18]. Analizy antycznego DNA tego drapieżnika ujawniły, że dawniej na świecie dominowała haplogrupa H2, która z czasem, w wyniku zmian ekologicznych i składu diety wilka została zdominowana i zastąpiona przez haplogrupę H1. Obecnie linia H2 występuje tylko w Europie, w Ameryce Północnej wymarła [18].

Podsumowanie

Modyfikacje epigenetyczne kontrolują ekspresję genów oraz replikację i naprawę DNA, decydując, które geny będą aktywne, a które zostaną zablokowane. Mają przez to znaczący wpływ na funkcjonowanie całych organizmów, a błędy w odczycie mogą prowadzić do wielu chorób. Okazuje się bowiem, że to modyfikacje epigenetyczne odgrywają znaczącą rolę w powstawaniu m.in. niektórych nowotworów, cukrzycy czy chorób reumatycznych.

Nie należy zapominać, że także środowisko ma znaczący wpływ na ekspresję genów, dużo większy niż sądzono. Badania ujawniły, że codzienny stres, zanieczyszczenie powietrza czy stosowane używki (alkohol, papierosy) istotnie zmieniają wzorce metylacji DNA. Ciekawym przykładem jest eksperyment przeprowadzony na myszach z genem Agouti, który warunkuje m.in. cukrzycę czy otyłość. Okazało się, że myszy na diecie dostarczającej znaczne ilości grup metylowych wydawały na świat zdrowe i szczupłe potomstwo, u których gen Agouti został zablokowany i wyciszony przez metylację DNA [19]. Sugeruje to, że środowisko, w którym żyjemy, nasz styl życia i dieta naprawdę mają znaczenie. I to nie tylko dla nas, ale i naszych dzieci. DNA warunkuje to, kim jesteśmy, ale epigenetyka może tam trochę namieszać i spłatać nam niejednego psikusa.

 

 

Literatura:

[1] Ho D. H., Burggren W. W. 2010. Epigenetics and transgenerational transfer: a physiological perspective. Journal of Experimental Biology 213: 3-16.

[2] McClintock B. 1984. The significance of responses of the genome to challenge. Science 226: 792-801.

[3] Richards C. L., Alonso C., Becker C., Bossdorf O., Bucher E., Colome-Tatche M., Durka W. 2017. Ecological plant epigenetics: evidence from model and non-model species, and the way forward. Ecology Letters 20: 1576-1590.

[4] Sahu P. P., Pandey G., Sharma N., Puranik S., Muthamilarasan M., Prasad M. 2013. Epigenetic mechanisms of plant stress responses and adaptation. Plant Cell Reports 32: 1151-1159.

[5] Steward N., Kusano T., Sano H. 2000. Expression of ZmMET1, a gene encoding a DNA methyltransferase from maize, is associated not only with DNA replication in actively proliferating cells, but also with altered DNA methylation status in cold-stressed quiescent cells. Nucleic Acid Research 28: 3250-3259.

[6] Bossdorf O., Zhang Y. 2011. A truly ecological epigenetics study. Molecular Ecology 20: 572-574.

[7] Pennisi E. 2013. Evolution heresy? Epigenetics underlies heritable plant traits. Science 341: 1055.

[8] Diamond J. 2002. Evolution, consequences and future of plant and animal domestication. Nature 418: 700-707.

[9] Zeder M. A. 2006. Central questions in the domestication of plants and animals. Evolutionary Anthropology 15: 105-117.

[10] Stojak J., Plis K. 2018. Jak z dzikiego zrobić przyjaciela? Historia udomowienia różnych gatunków roślin i zwierząt na świecie. Kosmos 4 (321): 721-732.

[11] Diamond J., 2010. Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich społeczeństw. Prószyński i

S-ka, Warszawa.

[12] Burger J., Kirchner M., Bramanti B., Haak W., Thomas M. G. 2007. Absence of the lactase-persistence-associated allele in early Neolithic Europeans. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104: 3736-3741.

[13] Doebley J. F., Gaut B. S., Smith B. D. 2006. The molecular genetics of crop domestication. Cell 127: 1309-1329.

[14] Freedman A. H., Lohmueller K. E., Wayne R. K. 2016. Evolutionary history, selective sweeps, and deleterious variation in the dog. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 47: 73-96.

[15] Davis S., Valla F. R. 1978. Evidence for domestication of the dog 12,000 years ago in the Natufian of Israel. Nature 276: 608-610.

[16] Plis K., Stojak J. 2019. Proces domestykacji psa: próba rozwikłania zagadki udomowienia gatunku. Kosmos 1 (322): 65-73.

[17] Trut L., Oskina I., Kharlamova A. 2009. Animal evolution during domestication: the domesticated fox as a model. BioEssays 31: 349-360.

[18] Pilot M., Branicki W., Jędrzejewski W., Goszczyński J., Jędrzejewska B., Dykyy I., Shkvyrya M., Tsingarska E. 2010. Phylogeographic history of grey wolves in Europe. BMC Evolutionary Biology 10: 104.

[19] Dolinoy D. C. 2008. The agouti mouse model: an epigenetic biosensor for nutritional and environmental alterations on the fetal epigenome. Nutrition Reviews 66 (Suppl 1): S7-11.

 

Podziel się: