Epigenetyka: Nasz drugi kod

Fot. Getty Images/iStockphoto
Chcesz wiedzieć, kiedy umrzesz? Niekoniecznie, prawda? Ale z pewnością chciałbyś więcej wiedzieć, jak uniknąć chorób, szczególnie jeśli występują one w rodzinie w kolejnych pokoleniach. Do niedawna uważano, że tej wiedzy należy poszukiwać w genetyce. Dziś okazuje się, że to nie wystarczy. Że jest coś „ponad genami”.

Epigenetyka, jak uważa wielu badaczy, w niedalekiej przyszłości pozwoli, choćby wbrew tobie, wyznaczyć przybliżoną datę zgonu, a nawet zmienić twoją przyszłość zapisaną w genach. Brzmi jak science fiction? Już nie.

Choć epigenetyka jako gałąź nauki jest dość młoda, a w XXI w. przeżywa szczególny rozkwit, to przymiotnik „epigenetyczny” był używany już wiele stuleci temu. Wówczas jednak związany był z pojęciem „epigenezy” jako koncepcji rozwoju prenatalnego, zakładającej, że zarodek formuje się z homogenicznego, czyli niezróżnicowanego materiału. Tę myśl wyraził już w IV w. przed Chrystusem, grecki filozof Arystoteles. Wiele wieków później, ok. 1650 r., naukowo próbował ją udowodnić lekarz, anatom i fizjolog – William Harvey. Ale termin „epigeneza” ukuł dopiero w XVIII w. niemiecki uczony Caspar Friedrich Wolff. Badając kurze embriony, stwierdził, że rozwój ontogenetyczny to nic innego jak proces postępującego różnicowania się początkowo bezpostaciowej masy, w którym to organizm potomny powstaje od nowa.

Koncepcja epigenezy, jako rozwoju organizmu „przez różnicowanie”, była wówczas opozycyjna w stosunku do innej teorii embriologicznej – mianowicie tzw. teorii preformacji, która dla odmiany zakładała, że w jaju (według owistów) albo w nasieniu (według animakulistów) od początku znajduje się uformowany już organizm – malutki człowieczek, tzw. homunkulus, a rozwój to tylko jego powiększanie się.

Od epigenezy do epigenetyki

Poszerzenie znaczenia pojęcia epigenezy przyniósł dziewiętnasty wiek, kiedy to uczeni nie tylko prowadzili dysputy nad rozwojem ontogenetycznym, czyli osobniczym, ale też zostały zapoczątkowane badania nad rozwojem filogenetycznym, czyli gatunków. Zaczęły wówczas konkurować ze sobą dwie koncepcje ewolucji – jedna sformułowana przez Karola Darwina, a druga przez Jeana Baptiste de Lamarcka. Według pierwszej ewolucja jest procesem zachodzącym stopniowo, przez eliminację i dobór naturalny osobników danej populacji, w ramach której geny przekazywane są z pokolenia na pokolenie i to one wyznaczają cechy osobnicze. Według drugiej ewolucja dokonuje się także przez udział czynników środowiskowych, jako tych, które wpływają na organizmy, i skutki tego wpływu mogą być dziedziczone. Wówczas zdecydowanie zwyciężyła koncepcja darwinowska, ale to właśnie Lamarcka wielu uważa dziś za prekursora epigenetyki. Jednakże za autora już współczesnego pojęcia „epigenetyka” uznaje się embriologa Conrada Waddingtona z Uniwersytetu Edynburskiego.

Epigenetyka, czyli co?

W 1942 r. Waddington zdefiniował epigenetykę jako zespół różnych procesów i zależności zachodzących pomiędzy genotypem a fenotypem. W 1957 r. przedstawił on tzw. epigenetyczny krajobraz, ilustrujący różne ścieżki rozwojowe, jakie może przyjąć komórka organizmu podczas swojego różnicowania, w zależności od tego, jakie geny są włączone, a jakie wyłączone. Nieco inną koncepcję epigenetyki zaproponował rok później mikrobiolog Nanney, który wyróżnił dwa systemy kontroli komórkowej: genetyczny – oparty na strukturze DNA, i pomocniczy, w który zaangażowane były specyficzne mechanizmy wpływające na ekspresję genów. I to właśnie te mechanizmy nazwał „epigenetycznymi”, które, jak stwierdził, są procesami biochemicznymi, jakim podlega genom. I tak np. indukowana przez środowisko lub traumatyczne przeżycia metylacja DNA (przyłączenie grupy metylowej w jakimś miejscu DNA) zmienia właściwości kodowanego przez gen białka. Co więcej, taka zmiana chemiczna, jeśli dotyczy komórek rozrodczych, może zostać przekazana kolejnym pokoleniom w postaci zmian biologicznych, będących nośnikiem „pamięci” o przeszłych urazach.

Choć inni badacze też podejmowali kwestie dziedziczenia epigenetycznego, następne lata w nauce zostały jednak zdominowane przez badania w dziedzinie genetyki. Wielki powrót do koncepcji epigenetycznych nastąpił pod koniec XX w., a szczególny ich rozkwit – w XXI w.

Czym jest dziś epigenetyka? Najogólniej to nauka, która bada relacje między kodem genetycznym a środowiskiem życia – psychicznym i fizycznym, a bardziej szczegółowo – która opisuje mechanizmy i skutki biochemicznej modyfikacji ekspresji genomu bez zmiany jego struktury. Ekspresji, która – jak wiadomo – może być modyfikowana przez czynniki środowiskowe, styl życia, a nawet wychowanie czy emocje, i podlegać dziedziczeniu. Dlatego też epigenetyka często nazywana jest „drugim kodem”, czyli tym, co ponad genami, i dla niektórych stanowi ogniwo łączące w organizmie naturę i kulturę.

Doświadczenia przodków są w nas

Według tradycyjnej teorii dziedziczenia potomstwo dostaje od rodziców „czysty” zestaw genów – bez wpływu czynników środowiskowych dotykających poprzednie pokolenia, a jedyny wpływ środowiska to ten, na które narażony jest płód poprzez matkę. A jednak nowe badania wykazują, że wpływ otoczenia może sięgać dalej, niż wydawało się to do tej pory. I tak np. złe warunki życiowe: głód, stres, traumy, dotykające rodziców, a nawet dziadków, mogą przenieść się na dziecko, mimo że ciąża przebiegała w odpowiednich dla płodu warunkach.

Badania potwierdzające koncepcję dziedziczenia doświadczeń poprzednich pokoleń przeprowadzono m.in. wśród rdzennych mieszkańców Ameryki Północnej, których przodkowie wiele wieków temu doświadczyli stresu związanego z dyskryminacją. I jak się okazuje, ich współcześni potomkowie wykazują większe obciążania zdrowotne, szczególnie te związane ze stresem, których nie da się wytłumaczyć tylko dziedziczeniem genowym.

Inne badania przeprowadzono, analizując zdrowie potomków tych mieszkańców Holandii, którzy zimą 1944 r. doświadczyli wielkiego głodu. Jak się okazało, niedobór kalorii, na jaki wówczas były narażone kobiety, które zaszły w ciążę, miał wpływ na zdrowie ich dzieci. Ale co zaskakujące, ten wpływ ujawnił się wiele lat później. Osoby te, będąc już w wieku dojrzałym, częściej zapadały na cukrzycę, choroby układu krążenia i otyłość niż ich rówieśnicy, których matki nie doświadczyły głodu. Dlaczego tak się dzieje? Przyczyną może być „epigenetyczne dostosowanie”, które zachodzi w genomie płodu w odpowiedzi na znaczące ograniczenia kaloryczne. Badacze tłumaczą to metylacją genu odpowiedzialnego za metabolizm insuliny. Co ważne, w życiu płodowym była to zmiana korzystna, która pozwoliła przetrwać ciąży przy niedoborze kalorii w pożywieniu. Jeśli jednak utrwaliła się, to w wieku dorosłym, stała się szkodliwa, wpływając na ekspresje genów insuliny, a tym samym na gospodarkę węglowodanową, a przekazana kolejnym pokoleniom mogła też wpłynąć negatywnie na ich zdrowie.

I jeszcze jeden z wielu przykładów. Gdy przeprowadzono analizę danych na temat zdrowia mieszkańców pochodzących ze szwedzkiej wioski Överkalix, okazało się, że warunki życia rodziców jeszcze przed spłodzeniem potomka mają wpływ na rozwój ich dzieci. Ale nie wszystkich. Mianowicie synowie mężczyzn, których lata wczesnomłodzieńcze przypadały na lata urodzaju, żyli przeciętnie o kilkanaście lat krócej i częściej chorowali. To, że dotyczyło to tylko potomków w linii męskiej, tłumaczy się tym, że chromosom Y, decydujący o płci męskiej, jest szczególnie podatny na znakowanie epigenetyczne. Ponadto plemniki podlegają najsilniejszym wpływom środowiskowym właśnie w okresie dojrzewania i wówczas też są najbardziej podatne na zmiany epigenetyczne. Inaczej dzieje się z komórkami jajowymi. Te programowaniu epigenetycznemu mogą podlegać tylko w okresie płodowym, gdy u dziewczynek dochodzi do wykształcenia się komórek jajowych, których liczba jest od początku określona.

Po co nam epigenetyka?

Przede wszystkim nowa dziedzina wzbudza duże nadzieje, jeśli chodzi o badania nad chorobami. Choć genetyka niewątpliwie odnosi sukcesy, to wiele schorzeń, które uważa się, że mają podłoże genetyczne, wciąż stanowi problem medyczny. I nie chodzi tu tylko o choroby rzadkie, ale przede wszystkim cywilizacyjne, jak nowotwory, cukrzyca, depresja czy choroba Alzheimera. Przypuszcza się nawet, że niektóre z nich mają właśnie podłoże epigenetyczne i obecnie prowadzi się nawet badania nad lekami działającymi, tym razem pozytywnie, na epigenom.

Jeśli chodzi o programowanie epigenetyczne jest jeszcze wiele innych, ciekawych wniosków z badań. Mianowicie jednym z czynników decydujących o tym, czy odziedziczony po przodkach gen zostanie aktywowany czy nie, może decydować… flora jelitowa. A ta w znacznej części zależy od tego, co jemy. Dziś powiedzenie „jesteś tym, co jesz” w świetle epigenetyki nabiera dodatkowego znaczenia, a nawet nakreśla międzypokoleniową odpowiedzialność – jesteś tym, co jedli twoi przodkowie, a twoje dzieci będą tym, co jesz dziś ty.

Ale negatywnie na epigenom wpływa nie tylko złe pożywienie i, co gorsza, zawarta w nim chemia, ale też stres, pośpiech, zanieczyszczenia środowiskowe, a nawet brak aktywności fizycznej. Czynniki te nie tylko zaburzają przemiany metaboliczne, ale też prowadzą do przewlekłego zapalenia, niedotlenia i zakwaszenia organizmu, wpływając na sposób odczytu kodu genetycznego, co w konsekwencji prowadzi do wzmożenia aktywności genów odpowiedzialnych np. za otyłość, choroby nowotworowe i wiele innych. Epigenetyka może więc pomóc w profilaktyce tych chorób i, co ważne, wpływając „na przyszłość” kolejnych pokoleń.

Jak bowiem pisze Nessa Carey w swojej książce The Epigenetics Revolution „Rewolucja epigenetyki”), „DNA jest jak scenariusz, ale w zależności od reżysera, aktorów i ich zamysłów nawet identyczny scenariusz może być bardzo różnie zrealizowany”.

Źródło: „Służba Zdrowia” 3/2019

PDF

Zobacz także