Epigenetyka

Epigenetyka – nauka zajmująca się badaniem zmian ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Ekspresja ta może być modyfikowana przez czynniki zewnętrzne i podlegać dziedziczeniu^[1].

Wyraz epigenetyka składa się ze słów epi – poza czymś, w dodatku do, oraz genetyka^[2]. Wymyślenie tego terminu przypisuje się Conradowi H. Waddingtonowi, który w swojej pracy z 1939 użył terminu „epigenetyczny” tłumacząc, dlaczego komórki embrionalne różnicują się w zupełnie odmienne tkanki, mimo że posiadają identyczny materiał genetyczny^[3].

Choć wszystkie komórki organizmu wielokomórkowego zawierają praktycznie identyczną informację genetyczną, identyczny genotyp, to jednak komórki różnych tkanek znacznie się różnią, wykazują odmienny fenotyp. Ta różnorodność wynika z różnego wykorzystania tej samej informacji genetycznej, dzięki czemu w przypadku organizmu człowieka powstaje około 200 różnych typów komórek. To właśnie mechanizmy epigenetyczne umożliwiają powstanie stałych wzorców ekspresji genów dla danej zróżnicowanej komórki, a jednocześnie umożliwiają krótkotrwałe, odwracalne zmiany w ich ekspresji^[4]. Dzięki nim inicjowane są i utrzymywane procesy związane z różnicowaniem komórek^[2].

U ssaków ważne procesy reprogramowania epigenetycznego zachodzą na etapie gametogenezy oraz przed implantacją zarodka^[5]. W rozwoju osobniczym następują rozmaite zmiany w ekspresji genów w wyniku przeprogramowań epigenetycznych, które wpływają na fenotyp^[6]. Gromadzone są one przez całe życie^[7] i wraz z uszkodzeniami komórkowymi oraz zmniejszoną zdolnością do ich naprawy są jednym ze zjawisk kojarzonych ze starzeniem się^[6].

Epigenomem określa się zestaw modyfikacji DNA i białek histonowych, które regulują strukturę chromatyny, a przez to kontrolują ekspresję genów, replikację i naprawę DNA oraz inne funkcje komórkowe^[8]. Epigenom może sterować potencjałem genomu, określać, które geny będą aktywne, programować funkcje komórek, rozwój^[9]. Różnice epigenetyczne mogą tłumaczyć różnice między fenotypami bliźniąt jednojajowych mimo takiego samego genomu. Rozbieżności te są większe, jeśli bliźnięta były wychowywane w różnych środowiskach^[10]. Co więcej, epigenetyka pogłębia również różnice między zupełnie odmiennymi gatunkami mimo dużych podobieństw w genomie^[9]. Przykładowo prawie każdy gen człowieka ma swój odpowiednik w genomie myszy (tzn. nie pojawiły się nowe geny od czasu wspólnego przodka 50 milionów lat temu)^[11].

Narzędziami epigenomu są tzw. przełączniki (mechanizmy) epigenetyczne^[12]. Działanie mechanizmów epigenetycznych jest bardziej stałe niż działanie represorów, naznaczenie może przetrwać replikację i podział komórki^[13]. Wykazują one także dużą elastyczność – przeprogramowanie komórek może potencjalnie być wywołane przez takie czynniki jak m.in. wychowanie, pożywienie, stres, traumy, klimat^[12]. Przykładowo u pszczół królowa i robotnice mogą być identyczne pod względem genetycznym, a jednak zupełnie różne pod względem morfologicznym. Aby wyhodować królową, larwa karmiona jest mleczkiem pszczelim przez cały okres stadium larwalnego oraz dalej w okresie dorosłym, podczas gdy larwy robotnic tylko w początkowym okresie stadium larwalnego (potem odżywiane są pyłkiem i nektarem). Odmienna dieta wystarczy dla przeprogramowania epigenetycznego, które pozwala królowej na pełne wykształcenie jajników i odmienną ekspresję ponad jednej piątej genów zarejestrowaną w komórkach mózgowych w porównaniu z komórkami robotnic^[14].

Innym przykładem są niektóre zwierzęta (np. wiele gadów jak krokodyle), u których o płci przyszłego zwierzęcia decyduje temperatura otoczenia podczas wrażliwej fazy inkubacji jaja^[15], a mechanizmem odpowiedzialnym za to zjawisko może być epigenetyka^[16]. Również na organizmy ludzi środowisko może wpływać znacznie silniej niż się to przypuszcza^[17]. Ponadto sugeruje się, że w tworzeniu różnic w rozwoju mózgu pod wpływem hormonów płciowych u kobiet i mężczyzn, w powstawaniu różnic w zachowaniu mogą pośredniczyć mechanizmy epigenetyczne^[18].

Ze względu na to, że niewiele wiadomo o tym, jakie czynniki mogą wywoływać przeprogramowanie epigenetyczne, ani jakie może mieć ono konsekwencje, rośnie liczba badań w tym kierunku. Niektórzy naukowcy jak Rudolf Jaenisch czy Thomas Jenuwein twierdzą nawet, że nastał czas „postgenomicznego” myślenia w biologii^[19].

Rozwinięty DNA jest bardzo długi i musi zostać silnie skondensowany, by zmieścić się w strukturach komórki. U eukariotów DNA jest upakowany w niewielkim jądrze komórkowym dzięki tworzeniu kompleksów z białkami histonowymi i tworzeniu chromatyny, której podstawową jednostką strukturalną jest nukleosom. Zbudowany jest on z oktameru histonów H2A, H2B, H3 i H4, na który nawinięty jest fragment helisy DNA. Między nukleosomami występuje łącznikowy DNA. Rozluźniony sznur nukleosomów jest łatwo dostępny dla aparatu transkrypcyjnego (czynników transkrypcyjnych, polimerazy RNA). Chromatyna w takim stanie nazywana jest euchromatyną. Ekspresja genów w takich warunkach jest wzmożona. Kiedy chromatyna jest ściśle upakowana, staje się ona nieaktywna transkrypcyjnie, a ekspresja genów zahamowana. Chromatynę w takim stanie nazywa się heterochromatyną^[20]. Stan heterochromatyny może utrzymywać się przez wiele generacji komórek, będąc przekazywany przy podziałach komórkowych. Na stan chromatyny wpływają zarówno modyfikacje histonów, jak i metylacja DNA^[21].

Białka histonowe podlegają różnym modyfikacjom. Najlepiej zbadaną modyfikacją jest mechanizm acetylacji histonów. Acetylacja histonów polega na przyłączeniu grupy acetylowej do reszty lizyny na N-końcu histonu rdzeniowego. Końce te tworzą wystające ogony, a ich acetylacja zmniejsza powinowactwo histonów do DNA, rozluźniając strukturę chromatyny. W heterochromatynie histony są przeważnie nieacetylowane. W acetylacji biorą udział acetylotransferazy histonowe (HAT). Proces odwrotny – deacetylację katalizują deacetylazy histonów (HDAC)^[22].

Do innych modyfikacji histonów należy^[22]:

• metylacja reszt lizynowych i argininowych na N-końcach histonów H3 i H4;
• fosforylacja reszt serynowych na N-końcach histonów H2A, H2B, H3 i H4;
• ubikwitynacja reszt lizynowych na C-końcu histonów H2A i H2B.

Do badania modyfikacji histonów można stosować techniki immunoprecypitacji chromatyny (ChIP)^[23]. Badania dotyczące różnorodności modyfikacji histonów, interakcji różnych modyfikacji doprowadziła do sformułowania hipotezy o kodzie histonowym. Zakłada ona, że wzór modyfikacji histonów określa, który region genomu w danym czasie ulega ekspresji i kieruje takimi aspektami jak regulacja genomu z cyklem komórkowym czy naprawa uszkodzonych miejsc^[22].

Cytozyny w DNA mogą ulegać kowalencyjnej metylacji. Reakcję tę katalizują metylotransferazy DNA (DNMT)^[24]. Wysoki poziom powstałej w ten sposób 5-metylocytozyny jest charakterystyczny dla nieaktywnej chromatyny^[13]. Metylację cytozyny w DNA obserwuje się u bakterii, roślin, zwierząt, w tym ssaków, ale rzadko lub wcale u drożdży, nicieni, Drosophila melanogaster^[25]. U kręgowców ok. 10% wszystkich cytozyn w genomie jest metylowanych, a u roślin do 30%. W przypadku zwierząt, metylacji ulegają jednak tylko cytozyny, które wchodzą w skład niektórych sekwencji 5’–CG–3’^[26] określanych często jako CpG (gdzie p oznacza grupę fosforanową)^[27]; w przypadku roślin są to sekwencje 5’–CNG–3’ (gdzie N oznacza dowolną zasadę azotową)^[26].

Istnieją dwie rodzaje metylacji – zachowawcza i de novo. Metylacja zachowawcza odpowiada za metylacje nowo zsyntetyzowanej nici DNA po replikacji w miejscach komplementarnych do miejsc metylowanych w nici rodzicielskiej. Dzięki temu wzór metylacji może być dziedziczony po podziale komórki. Drugi rodzaj to metylacja de novo, która polega na przyłączaniu grup metylowych w całkowicie nowych miejscach, przez co zmianie ulega wzór metylacji^[26].

Metylacja związana jest z hamowaniem ekspresji genów. Geny aktywne położone są w miejscach niemetylowanych^[28]. W genomach kręgowców przed wieloma genami znajdują się tzw. wyspy CpG^[29] (w przypadku człowieka dotyczy to ok. 60–70% genów^[30]). Są to sekwencje długości ok. 1 kb o wyższej zawartości CpG w stosunku do średniej dla całego genomu^[29]. Wyspy CpG przy genach metabolizmu podstawowego, które we wszystkich komórkach ulegają ekspresji, są niemetylowane. W przypadku genów, których ekspresja charakterystyczna jest tylko dla specyficznych tkanek, wyspy CpG są niemetylowane tylko w komórkach tych specyficznych tkanek; w innych zaś są metylowane i nie ulegają ekspresji^[28]. Zatem komórki różnych organów, tkankek mają specyficzny wzór sekwencji metylowanego DNA^[25]. Jest on przekazywany komórce potomnej, dzięki czemu posiada ona informację, które geny powinny ulegać ekspresji^[28].

Bakterie metylują swoje DNA w celu ochrony przed enzymami restrykcyjnymi stanowiącymi część systemu restrykcji i modyfikacji, który chroni komórkę przed obcym DNA^[28].

Do badania metylacji stosować można sekwencjonowanie DNA traktowanego wodorosiarczynem czy immunoprecypitację metylowanego DNA (MeDIP)^[23].

Do mechanizmów epigenetycznych zalicza się też wyciszanie genów oparte na miRNA^[31] czy działanie prionów^[5].

MikroRNA (miRNA) stanowią krótkie cząsteczki RNA, które pełnią rolę regulatorów ekspresji genów^[32]. miRNA łączy się z mRNA wykazującym do niego komplementarność, uniemożliwiając translację mRNA na białko (wyciszając gen)^[33]. Stanowią część epigenetycznej maszynerii, jednocześnie same podlegają wpływom epigenetycznych modyfikacji podobnie jak geny kodujące białka. miRNA z jednej strony może wpływać na epigenetyczne regulatory takie jak metylotranferazy DNA, deacetylazy histonowe, białka z grupy Polycomb. Z drugiej strony około połowa genów miRNA powiązana jest w wyspami CpG. Ekspresja tych genów jest zatem zależna od metylacji DNA; ponadto wpływają na nią modyfikacje histonów^[32].

Priony stanowią infekcyjne formy białek, które są zdolne zmieniać konformację innych białek. Może nastąpić więc zmiana fenotypu bez zmiany w sekwencji DNA (będąc białkami, nie mają wcale materiału genetycznego), a jednocześnie przekazywana informacja strukturalna podlega dziedziczeniu. W tym sensie stanowią przykład dziedziczenia epigenetycznego^[34][35].

W komórkach diploidalnych występują dwie kopie genów – tzw. allele (inaczej może być w przypadku chromosomów płci). Jeden z alleli dziedziczy się od matki, drugi od ojca i przeważnie obie kopie ulegają ekspresji. Jednak w przypadku niewielkiej grupy genów tylko jeden allel ulega transkrypcji i translacji na białko. U ssaków do przykładów monoallelicznej ekspresji genów należy wyłączenie alleliczne, inaktywacja chromosomu X i genomowe piętnowanie rodzicielskie (imprinting). Za wyciszanie odpowiednich genów odpowiedziane są mechanizmy epigenetyczne^[2].

 Osobny artykuł: Imprinting genomowy.

Imprinting genomowy polega na tym, że ekspresja piętnowanego genu następuje tylko z jednego z dwóch chromosomów rodzicielskich. Są to zwykle bardzo ważne geny rozwojowe, a utrata piętna wiąże się z pewnymi chorobami jak zespół Pradera-Williego czy zespół Angelmana^[36].

U samic ssaków jeden z chromosomów X podczas rozwoju embrionalnego zostaje inaktywowany w celu zrównania poziomu ekspresji genów z tego chromosomu z samcami posiadającymi tylko jedną jego kopię. Taka inaktywacja zachodzi również u polisomicznych osobników, np. w zespole Klinefeltera^[37]. W wyniku epigenetycznych modyfikacji chromatyny przechodzi ona w postać heterochromatyny, a w obrazie mikroskopowym w interfazie widoczna jest ona jako ciałko Barra. Inaktywacja przenoszona jest na każdą komórkę osobno, wyłączany jest chromosom X pochodzący albo od ojca, albo od matki^[38], co fenotypowo może manifestować się np. charakterystycznym mozaikowym umaszczeniem kotów. Geny na inaktywowanym chromosomie X nie są jednak zupełnie nieaktywne, nawet do 25% genów znajdujących się na nim może ulegać od czasu do czasu ekspresji^[38].

Wyłączenie alleliczne pełni istotną rolę w różnicowaniu się komórek wielu organizmów. Odbywa się głównie przez rearanżację odcinków DNA, które regulują ekspresję danych genów. Przykładowo powstawanie typu płci u drożdży wiąże się z zamianą aktywnej kasety genów związanych z typem płci znajdującej się w locus ulegającym ekspresji z drugą, dotychczas wyciszoną kasetą. Ekspresja wyciszonych kaset jest blokowana przez mechanizmy epigenetyczne^[39].

W genomach bakterii, roślin i zwierząt często spotykane są ruchome elementy genetyczne^[40]. W przypadku człowieka jedynie niecałe 2% materiału genetycznego stanowią geny niosące informacje o strukturze białek^[4]. Tymczasem transpozony u ssaków mogą zajmować prawie połowę genomu, a u niektórych roślin wyższych nawet 90%. Są to sekwencje DNA mogące przemieszczać się w inne miejsca w genomie; zdolne są również do powielania się. Przemieszczenie się na inne miejsce może doprowadzić do przerwania ciągłości genu, a jednak rzadko powodują mutację u roślin i zwierząt^[40]. Najprawdopodobniej metylacja DNA, jeden z mechanizmów epigenetycznych, wyewoluował właśnie w celu inaktywacji takich „pasożytów genomowych” jak transpozony czy retrowirusy, co przypomina bakteryjne systemy restrykcyjne. Mechanizmy rozpoznawania, metylacji i inaktywacji powtarzających się fragmentów DNA u roślin, grzybów i zwierząt prowadzą często do niepowodzeń we wprowadzaniu transgenów metodami inżynierii genetycznej^[41] oraz przy klonowaniu organizmów^[42].

W celu ochrony DNA komórki gospodarza przed takimi sekwencjami jak transpozony mogą w ich obrębie ulec metylacji cytozyny. Metylowana cytozyna ma tendencję do tranzycji do tyminy, powodując mutację i inaktywację transpozonów, a ponadto metylacja wycisza ekspresję tych elementów^[43]. Inną linią obrony jest występowanie heterochromatyny w rejonie występowania transpozonów. Hamuje to ich transkrypcję, przemieszczanie się i aktywność rekombinacyjną^[21].

Nieprawidłowe znakowanie epigenetyczne jest również związane z wieloma chorobami. Modyfikacje epigenetyczne odgrywają kluczową rolę w wielu rodzajach nowotworów, chorobie Alzheimera i innych chorobach neurodegradacyjnych^[5]. Różne zmiany epigenetyczne mogą wywierać wpływ na takie choroby jak m.in. cukrzyca^[44], choroby reumatyczne^[45], nadciśnienie^[46], depresja, schizofrenia, uzależnienia^[47].

Wiele czynników środowiskowych może być przyczyną stresu oksydacyjnego w komórce. Uszkodzone w ten sposób DNA może prowadzić do nieprawidłowego działania metylotransferaz DNA. Wpływ na metylację DNA ma np. zanieczyszczenie powietrza, stres, dym papierosowy. W konsekwencji epigenetyka stanowi niejako mechanizm pośredniczący między genetyką lub środowiskiem a chorobą. Co więcej, niektóre choroby są bezpośrednio wywołane przez pewne modyfikacje epigenetyczne. Należą do nich zaburzenia imprintingu w zespole Beckwitha-Wiedemanna. Niektóre choroby są wywołane mutacjami genów, które pociągają za sobą niekorzystne zmiany w mechanizmach epigenetycznych. Przykładowo przyczyną zespołu Retta jest mutacja w genie MECP2. Nieprawidłowe białko MECP2 zmienia ekspresję innych genów, które normalnie są regulowane przez mechanizmy epigenetyczne^[5]. Innym przykładem jest zespół ICF związany z nieprawidłowym działaniem metylotransferazy odpowiedzialnej za kontrolę metylacji DNA^[48].

Ponadto czynniki epigenetyczne mogą służyć jako biomarkery do wykrywania chorób. Przykładowo gen S-transferazy glutationowej (GSTP1) jest hipermetylowany w przypadku raka prostaty i połączenie standardowego testu PSA z diagnostyką wykorzystującą epigenetyczne biomarkery pozwala zmniejszyć liczbę fałszywych wyników dodatnich^[5].

W komórkach rakowych spotyka się nadmierną metylację wysp CpG, co może prowadzić do wyciszenia genów supresorowych, i niski poziom metylacji reszty genomu, co może zwiększać ekspresję onkogenów^[49][50]. Demetylacja w skali genomu postępuje wraz z wiekiem, najczęściej jej efektem jest niestabilność chromosomów^[49]. Poza tym w wielu rodzajach komórek nowotworowych obserwuje się brak grupy acetylowej w lizynie 16 i trimetylowej w lizynie 20 histonu H4^[49][50]. W celu przywrócenia ekspresji genów supresorowych wyciszonych przez mechanizmy epigenetyczne stosuje się czasem terapię z zastosowaniem inhibitorów metylotransferaz DNA lub inhibitorów deacetylaz histonowych. Do lecznictwa zostały zatwierdzone leki takie jak Vorinostat i romidepsyna^[51].

Zobacz hasło epigenetyka w Wikisłowniku

• T. A. Brown: Genomy. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2013. ISBN 978-83-01-15634-3.
• B. Licznerska, E. Ignatowicz, W. Baer-Dubowska: Biologia Molekularna dla Farmaceutów. Poznań: Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, 2012. ISBN 978-83-7597-146-0.
• L. A. Allison: Podstawy Biologii Molekularnej. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2007. ISBN 978-83-235-0527-3.
• H. Fletcher, I. Hickey, P. Winter: Krótkie Wykłady: Genetyka. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010. ISBN 978-83-01-16343-3.
• P. Spork: Drugi kod. Epigenetyka, czyli jak Możemy Sterować Własnymi Genotypami. Warszawa: Wydawnictwa W.A.B., 2011. ISBN 978-83-7747-542-3.