Czy zastanawialiście się kiedykolwiek, dlaczego komórki tworzące tkanki w naszym organizmie różnią się od siebie? A może wiecie, dlaczego pomiędzy bliźniakami jednojajowymi, pomimo tego samego zestawu DNA, występują różnice? Albo chcielibyście wiedzieć, jak wpływa na Was środowisko, w którym żyjecie?
Na wszystkie te pytania odpowiedź jest jedna – epigenetyka.
Epigenetyka może być uważana za interpretację kodu genetycznego. Podobnie jak ten sam utwór muzyczny zmieni się nieznacznie, gdy zostanie zinterpretowany przez różne orkiestry, tak samo zmieni się nasz „utwór” genetyczny, gdy zostanie zinterpretowany przez epigenetyczną orkiestrę. Ale żeby wprowadzić Was w świat epigenetyki, należałoby najpierw zapoznać Was z kilkoma genetycznymi pojęciami, które będą się pojawiać w dalszej części tekstu.
Zacznijmy od samego początku: czym tak właściwie jest DNA, jak jest zbudowany i gdzie się on mieści?
DNA to tak naprawdę skrót od kwasu deoksyrybonukleinowego. I tak, jak w Waszym komputerze dysk twardy jest głównym centrum dowodzenia, tak w organizmach żywych to właśnie DNA pełni tę funkcję. DNA zbudowany jest z czterech cegiełek zwanych zasadami azotowymi: adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) i tyminy (T), a w każdym jądrze komórkowym jest ich ponad 7 miliardów. Cegiełki te połączone są ze sobą w różnej kolejności (co nie znaczy, że przypadkowej), które za pomocą szkieletu zbudowanego z fosforanu i cukru deoksyrybozy, tworzą bardzo długi łańcuch, zwany helisą DNA (zobacz na obrazku).
Helisę DNA często porównuje się do makaronu typu „świderek” lub serpentyny. Ale wyobraź sobie teraz, że ta serpentyna ma 2 metry. Czy w całym ciele? Otóż nie. W każdej komórce, która buduje Wasze ciała, a tych komórek mamy całe biliony! Gdyby połączyć ze sobą DNA ze wszystkich komórek, tworzących ludzki organizm, wyszłaby imponująca autostrada. Pewnie zastanawiacie się, jak w takim razie jest to możliwe. Nasz DNA upakowany jest w tzw. chromosomach, których u zdrowego człowieka są 23 pary. Chromosomy są znacząco krótsze niż zawarte w nich cząsteczki DNA, zatem musi istnieć bardzo sprawny system upakowywania, żeby je jakoś pomieścić. I, jak się zapewne spodziewacie – taki system istnieje. DNA nawinięty jest na białka – histony, które razem tworzą kompleks nazywany chromatyną. Można to porównać do zabawki jojo, na którą nawinięty jest kawałek sznurka. I właśnie na tej samej zasadzie działa taki system w naszych komórkach. Łańcuch DNA jest jak sznurek, a histony jak jojo. Z tą różnicą, że jądrowy „sznurek” potrzebuje więcej takich białkowych „jojo”. Histony rozmieszczone są regularnie wzdłuż DNA co około 200 par zasad (około 140 par zasad nawiniętych jest na nasze „jojo”, a pomiędzy kolejnymi „jojo” występuje odległość około 60 par zasad azotowych). Całość tworzy nukleosom. Pewnie ciężko jest to sobie wyobrazić, więc spójrzcie na obrazek pomocniczy.
Dobiegamy prawie do końca teoretycznego wstępu, który pozwoli Wam później na lepsze zrozumienie mechanizmów epigenetycznych. Już wiecie, czym jest chromatyna. Ale nie wiecie najwazniejszego: jest elastyczna, niczym mięśnie w naszym ciele – może się dosłownie „kurczyć i rozkurczać”. Jak macie rozciągnięte ciało, macie więcej możliwości, by wykonać nim różne akrobacje, na przykład zrobić mostek albo założyć nogę za głowę. W przypadku chromatyny jest podobnie – ta jej „rozciągnięta” część też ma różne zdolności, z tym, że oczywiście genetyczne. To w niej znajdują się przecież geny, które decydują o całym naszym funkcjonowaniu. Z kolei „skurczona” chromatyna jest nieaktywna genetycznie. Ciekawi Was, czemu to właściwie służy? Dzięki tym dwóm postaciom chromatyny możliwa jest kontrola pracy naszych genów. Kiedy coś wymyka się spod kontroli, zaczyna się chaos i dezorganizacja. W naszym życiu codziennym potrzebny jest ktoś, kto zadba o naszą wydajność pracy i zapobiegnie niechcianemu bałaganowi. Może to być Wasz szef w pracy, może to być także kontroler biletów w tramwaju, który sprawdza, czy posiadacie ważny bilet i uruchamia odpowiednią procedurę, jeśli odważyliście się pojechać „na gapę”. Organizmy żywe również potrzebują kontroli, by prawidłowo funkcjonować. Kontrola ta odbywa się za pomocą kilku różnych sposobów „zapisywania” instrukcji epigenetycznych, na przykład modyfikacji histonów, metylacji DNA, obecności białek wiążących DNA oraz działaniu różnych rodzajów RNA.
Czyli jak to właściwie jest, że nasz organizm budują komórki, które tak się różnią? A przypomnijmy, komórek tych jest dobre 10 bilionów! To jedynka i trzynaście zer – ogrom. A w czasie, kiedy czytacie to krótkie zdanie, rozmnażają się kolejne tysiące, po czym specjalizują w kierunku pełnienia odpowiednich funkcji. Proces ten zwany jest różnicowaniem, i tak, jak widzicie na rysunku poniżej, z tak samo wyglądających komórek, nagle powstają różnorodne. Nie różni je tylko wygląd, ale i zadanie, jakie mają do odegrania. Ale pomimo iż tworzą zupełnie odmienne tkanki, to posiadają identyczny materiał genetyczny. W takim razie jak to możliwe? Ano za sprawą tajemniczych mechanizmów epigenetycznych. Otóż nasze wyspecjalizowane już komórki różnie wykorzystują tę samą informację genetyczną. To tak jak w wielkiej firmie są różne działy, np. dział marketingu, dział sprzedaży, dział jakości, czy dział graficzny. W każdym dziale pracują osoby wyspecjalizowane do innych działań, ale razem tworzą sprawnie funkcjonującą spółkę. A żeby dobrze wybrać, przeprowadzana jest rekrutacja pracownika na dane stanowisko, od którego wymaga się konkretnych umiejętności. W podobny sposób nasze komórki przechodzą rekrutację na tworzenie różnych tkanek. Za tym wszystkim stoi ekspresja genów. Jest to proces, w którym informacja genetyczna jest odczytywana i daje znać, jak nasz organizm ma pracować.
Jak się możecie domyślać, każdy z nas ma swój własny wzorzec epigenetyczny, nie ma dwóch takich samych osób. Tak tak, w tym przypadku nawet bliźniaki jednojajowe nie są identyczne, ale o tym później.
Ekspresja naszych genów jest zmienna i zależy od całego mnóstwa czynników. Istnieją geny, których działania potrzebujemy tylko podczas życia w brzuchu naszej mamy, później są one nam zbędne i zostają wyłączone. Jak? Bez udziału swoich pomocników nie byłoby to możliwe. Jednym z takich pomocników jest metylacja DNA. To modyfikacja DNA, niezbędna dla prawidłowego przebiegu wielu procesów związanych z rozwojem naszego organizmu, a zwłaszcza za różnicowanie komórek, z którym już się zapoznaliście. Metylacja DNA to pewien zabieg chemiczny, któremu ulegają zasady azotowe, a w szczególności cytozyna.
I to nie w przypadkowym miejscu, bo przed sekwencją, z której odczytywana jest informacja genetyczna. Jest to odcinek DNA zwany promotorem.
Promotor genu jest swoistym sygnałem dla różnych białek, że tu zaczyna się gen (ale to temat na inną okazję). Zazwyczaj metylacja cytozyny odbywa się w specyficznym miejscu, które tworzą dwa nukleotydy: cytozyna i guanina. Sekwencje te nazywane są „wyspami CpG”. Efektem zmetylowania cytozyn, tworzących wyspy CpG, jest wyciszenie genu. A w zależności od stopnia metylacji, dany gen może ulec częściowemu lub całkowitemu zahamowaniu jego ekspresji. Co oznacza, że im poziom metylacji jest większy, tym słabsza jest ekspresja genu. Wiąże się to ze zmianą struktury chromatyny na nieaktywną, skondensowaną. Proste? Proste.
Ten prosty proces związany jest również z piętnowaniem rodzicielskim oraz inaktywacją chromosomu X. Jak zapewne wiecie, od naszych rodziców dostajemy po jednej kopii tego samego genu. Wersja genu pochodząca od jednego z rodziców ulega wyciszeniu. Podobnie dzieje się z chromosomami X w komórkach samic ssaków (samice posiadają dwa chromosomy X). Jeden z tych chromosomów staje się nieaktywny dzięki jego zwartemu upakowaniu. Prawie wszystkie samice ssaków mają dwa chromosomy X, tak więc inaktywacja jednego z nich zapobiega, aby miały one dwa razy więcej genów niż samce, które posiadają tylko jedną kopię chromosomu X (samce posiadają jeden chromosom X i jeden chromosom Y). Co zaskakujące, wybór, który chromosom X zostanie inaktywowany, dokonywany jest zupełnie losowo. A taki inaktywowany chromosom X pozostaje nieaktywny przez cały okres życia komórki.
A jak to jest z tymi bliźniakami jednojajowymi? Na pewno w Waszym otoczeniu spotkaliście się choć jedną parą takich bliźniąt. I pewnie na początku ciężko było Wam ich odróżnić, jednak z czasem dostrzegaliście pewne różnice w ich wyglądzie i zachowaniu. Ale jak to możliwe, że mogą się w ogóle różnić, skoro posiadają identyczny zestaw DNA? Istnieje wiele składowych, które wpływają na obecność tych różnic. Począwszy od trybu życia matki przed zajściem w ciążę i w trakcie ciąży, a skończywszy na trybie życia i danym środowisku, w którym wychowują się bliźniaki. Wiele zależy od sposobu odżywiania się matki, od stresu, czy od stopnia zanieczyszczenia miejsca, w którym mieszka. Różnice między bliźniakami nie są dostrzegalne tylko w aspekcie wizualnym, ale także w ich osobowości. Z tego miejsca z ogromną przyjemnością chcę Was zachęcić do zapoznania się z pozycją „Genetyka zachowania” autorstwa P. McGuffina, która między innymi porusza kwestie związane z wpływem genów, ich roli w kształtowaniu się młodego człowieka, w trybie życia, sposobie odżywiania, czy reagowaniu na stres. Książka ta napisana jest w bardzo przystępny sposób, dzięki czemu nie jest wymagana specjalistyczna wiedza w zakresie biologii ani psychologii.
Na kształtowanie naszego zachowania, oprócz genów, mają wpływ oczywiście wychowanie oraz doświadczenia życiowe, które z kolei mają odzwierciedlenie w stanie biologicznym naszego organizmu. Pewne regularnie powtarzające się doświadczenia, czy to pozytywne, czy negatywne, mogą wywołać zmiany w mózgu. Dzieje się to poprzez wyciszenie poszczególnych genów, jak dotąd aktywnych w komórkach mózgowych, i na odwrót – geny zmetylowane, mogą ulec aktywacji. Tak więc wychowujące się razem bliźniacze rodzeństwo wykazuje drobne różnice, natomiast u bliźniąt, które nie dzielą wspólnie środowiska oraz doświadczeń, te różnice mogą być nieco bardziej zauważalne.
Styl życia, jaki prowadzicie, też nie pozostaje bez echa. Zarówno sposób odżywiania, uprawianie sportu, czytanie książek, a nawet ilość godzin w ciągu doby poświęcanych na odpoczynek, mają tak ważne znaczenie, jak przebyte infekcje wirusowe i bakteryjne, czy zanieczyszczenia powietrza w Waszym mieście.
Palenie tytoniu, spożywanie alkoholu, nadmierna ekspozycja na światło słoneczne, czy życie w stresie również mają wpływ i w efekcie mogą wpłynąć na zmiany epigenetyczne zachodzące w naszych genach. Zmiany te mogą być pozytywne, np. świetna odporność organizmu na infekcje, ale i negatywne, czego konsekwencją może być nawet rozwój nowotworu.
Podsumowując, warto zastanowić się już dziś, jak możemy zmienić nasze jutro, co, wbrew pozorom, nie wymaga od nas na co dzień aż tak wielkiego wysiłku, a może przynieść zaskakujące efekty.
Powodzenia!
Literatura:
Brown T.A. „Genomy”, wydawnictwo naukowe PWN, red. wyd. pol. Piotr Węgleński, Warszawa 2018.
Dantec Ch.L., Gazeau P., Mukherjee S., Brooks W.H., Renaudineau Y., „How the Environmental Influences Epigenetics, DNA Methylation, and Autoimmune Diseases”, Epigenetics and Dermatology, 2015: 177-205.
Guerrero-Bosagna C., „DNA Methylation”; źródło internetowe: https://www.labome.com/method/DNA-Methylation.html
Handel A.E., Ebers G.C., Ramagopalan S.V., „Epigenetics: molecular mechanism and implications for disease”, Trens Mol Med., 2010, 16(1): 7-16
Henning A.N., Roychoudhuri R., Restifo N.P., „Epigenetic control of CD8+ T cell differentiation”, Nat Rev Immunol, 2019, 18(5): 340-356
Ryciny pochodzą ze strony internetowej: https://pixabay.com/pl/ oraz autorstwo własne.
