człowiek
Autor: Paweł K. Mazur, Tomasz Jagielski | dodano: 2012-10-02
Dziedziczenie grzechów

Co sprawia, że bliźnięta jednojajowe różnią się podatnością na choroby? Jak dieta rodziców wpływa na długość życia potomstwa? W jaki sposób dochodzi do specjalizacji komórek w naszym organizmie? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań dostarcza stosunkowo młoda dziedzina nauki – epigenetyka.

Norrbotten jest największą, a zarazem najmniej zaludnioną prowincją Szwecji. W najdalej wysuniętych na północ wioskach przez większą część roku zalega gruba warstwa śniegu. Zamieszkująca tę prowincję niewielka społeczność miała niebagatelny wkład w rewolucyjne odkrycia dotyczące naszych genów.

Jeszcze w XIX w. osady Norrbotten nie kontaktowały się z resztą kraju. Ich mieszkańcy zajmowali się głównie uprawą zboża. Można by rzec, że pory zasiewu i zbiorów nadawały rytm codziennemu życiu każdego bez wyjątku. Dzięki zachowanym rejestrom plonów rolniczych z łatwością można wskazać tamtejsze lata głodu i urodzaju. W latach 80. dr Lars Bygren z Karolinska Institute w Sztokholmie rozpoczął badania nad korelacją obfitości plonów a zdrowiem kolejnych pokoleń mieszkańców Överkalix, jednej z wielu osad w prowincji Norrbotten. W tym celu wykorzystał wspomniane już rejestry zbiorów rolnych, a także historyczne rejestry zmarłych zawierające wiele cennych informacji dotyczących nie tylko przyczyny zgonu, ale także przebytych chorób i innych dolegliwości, które na przestrzeni dziesiątków lat trapiły szwedzkich chłopów. Otrzymane wyniki były zaskakujące.

Głód i urodzaj
W czasie gdy Bygren zajmował się populacją podbiegunowego Överkalix, świat naukowy żywo komentował wyniki dwóch równoległych badań opublikowanych (1986 r.) w renomowanym czasopiśmie „The Lancet”. Płynął z nich ten sam wniosek: zdrowie człowieka zależy nie tylko od prawidłowych warunków rozwoju po urodzeniu, ale również od tego, co działo się w okresie życia płodowego. Wykazano na przykład, że u dzieci kobiet, które odżywiały się nieprawidłowo lub były niedożywione, występowało istotnie zwiększone ryzyko pojawienia się chorób serca i układu krążenia w dorosłości. Bygren zadał sobie pytanie, czy taki stygmatyzujący efekt nie ma swojego źródła jeszcze wcześniej, przed okresem ciąży. Innymi słowy, czy rozwój rodziców i dziadków może wpływać na potomstwo.

Podobna myśl, nawiązująca wprost do lamarkistycznej teorii o dziedziczeniu cech nabytych (spowodowanych przez środowisko), była wówczas naukową herezją. Powszechnie uważano, że cokolwiek robimy – jemy czy uczymy się – oraz otoczenie wpływają na nasze życie czy nawet przyczynę śmierci, ale nie oddziałują bezpośrednio na nasze geny. Mówiąc inaczej, dzieci nie niosą bagażu życia swoich rodziców. Oczywiście, środowisko wywiera presję selekcyjną, przez co wpływa na geny, ale proces ten zachodzi na przestrzeni milionów lat. Pisał o tym przed ponad 150 laty Karol Darwin w swym wiekopomnym dziele „O powstawaniu gatunków”. Czy istnieje jednak ścieżka na skróty, wymykająca się prawidłom Darwinowskiej teorii doboru naturalnego?

Bygren w mroźnym Överkalix mozolnie zbierał argumenty wskazujące na istnienie takiej ścieżki. Okazało się, że potomkowie mężczyzn z osady, których dzieciństwo przypadało na lata dostatku i urodzaju, tj. przeszli w tym okresie z normalnej do obfitej diety, żyli znacznie krócej. W pierwszym doniesieniu, opublikowanym w 2001 r., naukowiec podał, że wnukowie mężczyzn dojrzewających w latach urodzaju umierali średnio 32 lata wcześniej (uwzględniono różnice socjoekonomiczne). Później podobną zależność odkryto w linii żeńskiej, to znaczy córki i wnuczki kobiet, które jako małe dziewczynki przeżyły pozytywną zmianę w obfitości pożywienia, nie żyły tak długo jak ich antenatki. Krótko mówiąc, badania wskazywały, że jeden sezon obfitości jedzenia w okresie dzieciństwa zapoczątkował łańcuch zdarzeń, który doprowadził do znaczącego skrócenia długości życia w następnych pokoleniach.

Narodziny
Odpowiedź na pytanie, jak odżywianie przodków może wpłynąć na długość życia ich potomków, leży „na styku” naszych genów i środowiska, w którym żyjemy, i tym właśnie zajmuje się od ponad 20 lat nowa dziedzina nauki zwana epigenetyką. Nauka ta bada zmiany aktywności naszych genów, które nie wynikają ze zmian w kodzie genetycznym, a mimo to mogą być przekazywane następnym pokoleniom. Zmiany te są utrzymywane za pośrednictwem mechanizmu epigenetycznego będącego niejako „ponad” genomem (stąd grecki przedrostek „epi”). Mogą one np. powodować, że geny są wyłączane (nie powstają białka przez nie kodowane, jest to zahamowanie ekspresji genów) lub wyciszane (produkcja białek ulega zahamowaniu lub istotnemu zmniejszeniu). Działanie mechanizmu epigenetycznego może się też objawiać wzmocnieniem ekspresji genów. Intrygujące jest to, że zmiany epigenetyczne mogą być wywoływane przez środowisko, stres czy pożywienie (również w łonie matki).

Mechanizmy epigenetyczne mają swoje dobre i złe strony. Na pewno niekorzystnym jej aspektem dla jednostki jest to, że styl życia – nałogi czy też nawyki żywieniowe – wpływają m.in. na wzmocnienie ekspresji genów odpowiedzialnych za rozwój otyłości i obniżenie ekspresji tych genów, które wiążą się z długowiecznością. Chociaż od dawna wiemy, że palenie i złe odżywianie szkodzą zdrowiu i skracają życie, to dopiero niedawno udowodniono, że owe złe nawyki wpływają także na nasze dzieci, i to na długo przed ich przyjściem na świat.

Dlaczego tak późno odkryto zjawiska epigenetyczne? Wydaje się, że dotąd byliśmy pod tak wielkim wrażeniem odkrycia DNA i dziedziczenia genowego, że wszystkie inne procesy o charakterze regulacyjnym nie były wystarczająco atrakcyjne, by się „przebić”, i dlatego spychano je na dalszy plan.

Know how
W naszym organizmie występuje ponad 210 typów komórek. Chociaż każda zawiera tę samą kopię DNA, to przecież komórki skóry różnią się od komórek oka, a komórki wątroby od komórek mózgu. To właśnie dzięki mechanizmom epigenetycznym, pomimo takiej samej instrukcji genetycznej (DNA), nasze ciało podlega tak dalekiej, wielokierunkowej specjalizacji, na poziomie komórek, tkanek i narządów. Mechanizmy te w swoisty sposób znaczą tę część instrukcji zawartej w naszym kodzie genetycznym, która będzie realizowana w jednej komórce, a w innej – nie.

Mechanizmy epigenetyczne tłumaczą też wiele innych kwestii, dotąd pozostających zagadką, np. dlaczego u bliźniąt jednojajowych, mających dokładnie taki sam zestaw genów, tylko jedno z rodzeństwa może chorować na astmę. Albo dlaczego autyzm dotyka chłopców cztery razy częściej niż dziewczynki. We wszystkich tych przypadkach ta sama matryca DNA została po prostu inaczej odczytana. Posługując się analogią do informatyki, można powiedzieć, że jeśli DNA stanowi nasz dysk twardy, to mechanizmy epigenetyczne będą naszym pakietem instalującym i oprogramowaniem.

Z chemicznego punktu widzenia znakowanie epigenetyczne najczęściej polega na dodaniu grupy metylowej (–CH3) do jednej z zasad azotowych (cytozyny), wchodzących w skład nukleotydów, czyli cegiełek budujących helisę DNA. Za proces dodania grupy metylowej (metylację) w odpowiednich miejscach DNA odpowiadają enzymy zwane metylotransferazami. Metylacja DNA powoduje zmianę ekspresji genów.

Zjawisko metylacji DNA po raz pierwszy opisano w latach 70., ale dopiero w 2003 r. odkryto, że ma ono bezpośredni wpływ na organizm. Kapitalne znaczenie w tym zakresie miały doświadczenia przeprowadzone przez Randy’ego Jirtle’a i Roberta Waterlanda z amerykańskiego Duke University. Do badań wykorzystali oni jedną z ras myszy, charakteryzującą się wysoką ekspresją genu agouti, który odpowiada za żółte zabarwienie futra zwierząt, a także ich skłonność do otyłości i cukrzycy. Część ciężarnych samic otrzymywała karmę bogatą w kwas foliowy i witaminę B12 (te związki chemiczne są ważnym źródłem grup metylowych w procesie metylacji DNA), a drugą grupę (identyczną pod względem genetycznym) żywiono karmą ubogą w te witaminy. U pierwszych myszy częściej zachodziła metylacja genu agouti, co skutkowało obniżeniem jego ekspresji, a zatem zmniejszeniem skłonności do tycia, cukrzycy i w końcu słabszą zmianą ubarwienia gryzoni. Opisany wyżej spektakularny eksperyment pozwolił gołym okiem zobaczyć, jak „działają” mechanizmy epigenetyczne oraz jak wielki potencjał w sobie kryją.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 08/2012 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
01/2020
12/2019
Kalendarium
Styczeń
19
130 lat temu w Roselle (New Jersey) uruchomiono pierwsze na świecie elektryczne latarnie uliczne.
Warto przeczytać
Książka o jednej z największych tajemnic ludzkiego mózgu. Czy sny są zwierciadłem naszej duszy?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Paweł K. Mazur, Tomasz Jagielski | dodano: 2012-10-02
Dziedziczenie grzechów

Co sprawia, że bliźnięta jednojajowe różnią się podatnością na choroby? Jak dieta rodziców wpływa na długość życia potomstwa? W jaki sposób dochodzi do specjalizacji komórek w naszym organizmie? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań dostarcza stosunkowo młoda dziedzina nauki – epigenetyka.

Norrbotten jest największą, a zarazem najmniej zaludnioną prowincją Szwecji. W najdalej wysuniętych na północ wioskach przez większą część roku zalega gruba warstwa śniegu. Zamieszkująca tę prowincję niewielka społeczność miała niebagatelny wkład w rewolucyjne odkrycia dotyczące naszych genów.

Jeszcze w XIX w. osady Norrbotten nie kontaktowały się z resztą kraju. Ich mieszkańcy zajmowali się głównie uprawą zboża. Można by rzec, że pory zasiewu i zbiorów nadawały rytm codziennemu życiu każdego bez wyjątku. Dzięki zachowanym rejestrom plonów rolniczych z łatwością można wskazać tamtejsze lata głodu i urodzaju. W latach 80. dr Lars Bygren z Karolinska Institute w Sztokholmie rozpoczął badania nad korelacją obfitości plonów a zdrowiem kolejnych pokoleń mieszkańców Överkalix, jednej z wielu osad w prowincji Norrbotten. W tym celu wykorzystał wspomniane już rejestry zbiorów rolnych, a także historyczne rejestry zmarłych zawierające wiele cennych informacji dotyczących nie tylko przyczyny zgonu, ale także przebytych chorób i innych dolegliwości, które na przestrzeni dziesiątków lat trapiły szwedzkich chłopów. Otrzymane wyniki były zaskakujące.

Głód i urodzaj
W czasie gdy Bygren zajmował się populacją podbiegunowego Överkalix, świat naukowy żywo komentował wyniki dwóch równoległych badań opublikowanych (1986 r.) w renomowanym czasopiśmie „The Lancet”. Płynął z nich ten sam wniosek: zdrowie człowieka zależy nie tylko od prawidłowych warunków rozwoju po urodzeniu, ale również od tego, co działo się w okresie życia płodowego. Wykazano na przykład, że u dzieci kobiet, które odżywiały się nieprawidłowo lub były niedożywione, występowało istotnie zwiększone ryzyko pojawienia się chorób serca i układu krążenia w dorosłości. Bygren zadał sobie pytanie, czy taki stygmatyzujący efekt nie ma swojego źródła jeszcze wcześniej, przed okresem ciąży. Innymi słowy, czy rozwój rodziców i dziadków może wpływać na potomstwo.

Podobna myśl, nawiązująca wprost do lamarkistycznej teorii o dziedziczeniu cech nabytych (spowodowanych przez środowisko), była wówczas naukową herezją. Powszechnie uważano, że cokolwiek robimy – jemy czy uczymy się – oraz otoczenie wpływają na nasze życie czy nawet przyczynę śmierci, ale nie oddziałują bezpośrednio na nasze geny. Mówiąc inaczej, dzieci nie niosą bagażu życia swoich rodziców. Oczywiście, środowisko wywiera presję selekcyjną, przez co wpływa na geny, ale proces ten zachodzi na przestrzeni milionów lat. Pisał o tym przed ponad 150 laty Karol Darwin w swym wiekopomnym dziele „O powstawaniu gatunków”. Czy istnieje jednak ścieżka na skróty, wymykająca się prawidłom Darwinowskiej teorii doboru naturalnego?

Bygren w mroźnym Överkalix mozolnie zbierał argumenty wskazujące na istnienie takiej ścieżki. Okazało się, że potomkowie mężczyzn z osady, których dzieciństwo przypadało na lata dostatku i urodzaju, tj. przeszli w tym okresie z normalnej do obfitej diety, żyli znacznie krócej. W pierwszym doniesieniu, opublikowanym w 2001 r., naukowiec podał, że wnukowie mężczyzn dojrzewających w latach urodzaju umierali średnio 32 lata wcześniej (uwzględniono różnice socjoekonomiczne). Później podobną zależność odkryto w linii żeńskiej, to znaczy córki i wnuczki kobiet, które jako małe dziewczynki przeżyły pozytywną zmianę w obfitości pożywienia, nie żyły tak długo jak ich antenatki. Krótko mówiąc, badania wskazywały, że jeden sezon obfitości jedzenia w okresie dzieciństwa zapoczątkował łańcuch zdarzeń, który doprowadził do znaczącego skrócenia długości życia w następnych pokoleniach.

Narodziny
Odpowiedź na pytanie, jak odżywianie przodków może wpłynąć na długość życia ich potomków, leży „na styku” naszych genów i środowiska, w którym żyjemy, i tym właśnie zajmuje się od ponad 20 lat nowa dziedzina nauki zwana epigenetyką. Nauka ta bada zmiany aktywności naszych genów, które nie wynikają ze zmian w kodzie genetycznym, a mimo to mogą być przekazywane następnym pokoleniom. Zmiany te są utrzymywane za pośrednictwem mechanizmu epigenetycznego będącego niejako „ponad” genomem (stąd grecki przedrostek „epi”). Mogą one np. powodować, że geny są wyłączane (nie powstają białka przez nie kodowane, jest to zahamowanie ekspresji genów) lub wyciszane (produkcja białek ulega zahamowaniu lub istotnemu zmniejszeniu). Działanie mechanizmu epigenetycznego może się też objawiać wzmocnieniem ekspresji genów. Intrygujące jest to, że zmiany epigenetyczne mogą być wywoływane przez środowisko, stres czy pożywienie (również w łonie matki).

Mechanizmy epigenetyczne mają swoje dobre i złe strony. Na pewno niekorzystnym jej aspektem dla jednostki jest to, że styl życia – nałogi czy też nawyki żywieniowe – wpływają m.in. na wzmocnienie ekspresji genów odpowiedzialnych za rozwój otyłości i obniżenie ekspresji tych genów, które wiążą się z długowiecznością. Chociaż od dawna wiemy, że palenie i złe odżywianie szkodzą zdrowiu i skracają życie, to dopiero niedawno udowodniono, że owe złe nawyki wpływają także na nasze dzieci, i to na długo przed ich przyjściem na świat.

Dlaczego tak późno odkryto zjawiska epigenetyczne? Wydaje się, że dotąd byliśmy pod tak wielkim wrażeniem odkrycia DNA i dziedziczenia genowego, że wszystkie inne procesy o charakterze regulacyjnym nie były wystarczająco atrakcyjne, by się „przebić”, i dlatego spychano je na dalszy plan.

Know how
W naszym organizmie występuje ponad 210 typów komórek. Chociaż każda zawiera tę samą kopię DNA, to przecież komórki skóry różnią się od komórek oka, a komórki wątroby od komórek mózgu. To właśnie dzięki mechanizmom epigenetycznym, pomimo takiej samej instrukcji genetycznej (DNA), nasze ciało podlega tak dalekiej, wielokierunkowej specjalizacji, na poziomie komórek, tkanek i narządów. Mechanizmy te w swoisty sposób znaczą tę część instrukcji zawartej w naszym kodzie genetycznym, która będzie realizowana w jednej komórce, a w innej – nie.

Mechanizmy epigenetyczne tłumaczą też wiele innych kwestii, dotąd pozostających zagadką, np. dlaczego u bliźniąt jednojajowych, mających dokładnie taki sam zestaw genów, tylko jedno z rodzeństwa może chorować na astmę. Albo dlaczego autyzm dotyka chłopców cztery razy częściej niż dziewczynki. We wszystkich tych przypadkach ta sama matryca DNA została po prostu inaczej odczytana. Posługując się analogią do informatyki, można powiedzieć, że jeśli DNA stanowi nasz dysk twardy, to mechanizmy epigenetyczne będą naszym pakietem instalującym i oprogramowaniem.

Z chemicznego punktu widzenia znakowanie epigenetyczne najczęściej polega na dodaniu grupy metylowej (–CH3) do jednej z zasad azotowych (cytozyny), wchodzących w skład nukleotydów, czyli cegiełek budujących helisę DNA. Za proces dodania grupy metylowej (metylację) w odpowiednich miejscach DNA odpowiadają enzymy zwane metylotransferazami. Metylacja DNA powoduje zmianę ekspresji genów.

Zjawisko metylacji DNA po raz pierwszy opisano w latach 70., ale dopiero w 2003 r. odkryto, że ma ono bezpośredni wpływ na organizm. Kapitalne znaczenie w tym zakresie miały doświadczenia przeprowadzone przez Randy’ego Jirtle’a i Roberta Waterlanda z amerykańskiego Duke University. Do badań wykorzystali oni jedną z ras myszy, charakteryzującą się wysoką ekspresją genu agouti, który odpowiada za żółte zabarwienie futra zwierząt, a także ich skłonność do otyłości i cukrzycy. Część ciężarnych samic otrzymywała karmę bogatą w kwas foliowy i witaminę B12 (te związki chemiczne są ważnym źródłem grup metylowych w procesie metylacji DNA), a drugą grupę (identyczną pod względem genetycznym) żywiono karmą ubogą w te witaminy. U pierwszych myszy częściej zachodziła metylacja genu agouti, co skutkowało obniżeniem jego ekspresji, a zatem zmniejszeniem skłonności do tycia, cukrzycy i w końcu słabszą zmianą ubarwienia gryzoni. Opisany wyżej spektakularny eksperyment pozwolił gołym okiem zobaczyć, jak „działają” mechanizmy epigenetyczne oraz jak wielki potencjał w sobie kryją.