Epigenetyka to dziedzina nauki, której przedmiotem zainteresowania są procesy poprzez które środowisko wpływa na zdrowie i zachowanie człowieka. Badania w tej dyscyplinie są istotne, ponieważ według holistycznej koncepcji zaproponowanej w latach 70. XX w. przez ministra zdrowia Kanady Marca Lalonde’a środowisko wpływa na zdrowie człowieka aż w około 50%. Mechanizmy epigenetyczne mogą wpływać na zdrowie na wiele sposobów, działając jako procesy (np. rozwojowe, starzenia) lub czynniki środowiskowe (np. dieta, zanieczyszczenie środowiska, środki chemiczne, farmaceutyki) i społeczne (np. stres, negatywne doświadczenie z dzieciństwa). Mogą one zmieniać ekspresję genów (tzn. aktywować lub wyciszyć) w ciągu kilku minut, godzin lub całego życia, a nawet oddziaływać na wzorzec ekspresji genów następnego pokolenia. Mechanizmy epigenetyczne są podstawą adaptacji do zmieniających się warunków środowiska. Kształtują zdolność uczenia się i zapamiętywania, reakcje na stres, czy też predyspozycje do rozwoju niektórych chorób, w tym nowotworowych, o podłożu autoimmunologicznym, czy zaburzeń psychicznych. Epigenetyka jest ważną częścią medycyny, ukierunkowaną na działania spersonalizowane, które bazują na znajomości interakcji czynnik środowiskowy-gen.
Istnieją trzy główne typy modyfikacji epigenetycznych – metylacja DNA, modyfikacja histonów oraz regulacja translacji przez mikroRNA. Mogą one zarządzać procesami takimi jak replikacja i naprawa DNA, transkrypcja RNA oraz stanem chromatyny, który wpływa na wpływa na translację białek. Aktywna transkrypcyjnie postać chromatyny nazywana jest euchromatyną a nieaktywna heterochromatyną. Pełen zestaw modyfikacji DNA, który reguluje strukturę chromatyny i jej aktywność transkrypcyjną, nazywany jest epigenomem. Z kolei wzór tych modyfikacji u różnych osób tworzy specyficzny epigenotyp. To właśnie struktura chromatyny, która warunkuje wzorzec ekspresji genów jest nośnikiem pamięci epigenetycznej. Pamięć ta jest zmienna i może ulegać procesom inicjacji, podtrzymania lub wyciszania, a trwałość tych stanów decyduje o jej znaczeniu biologicznym. Pierwszy poziom trwałości dotyczy stanu chromatyny, który może być utrzymywany przez pewien czas, ale nie jest przekazywany potomstwu. Drugi mówi o tym, że stan chromatyny jest dziedziczony w procesie mitozy. Z kolei na najtrwalszym poziomie stan chromatyny dziedziczony jest przez mejozę i przekazywany z pokolenia na pokolenie.
1. Historia
Jednym z pierwszych naukowców zajmujących się biologią rozwoju w kontekście zmian ekspresji genów bez zmian w DNA był Oscar Hertwig. Embriolog w swoich badaniach, prowadzonych na przełomie XIX i XX wieku, odkrył, że cechy u potomstwa mogą się pojawiać poza dziedziczeniem rodzicielskim. Na początku lat 30. XX wieku Hermann Müller odkrył podłoże epigenetyczne zmian koloru oczu w pokoleniach much Drosophila. Okazało się, że gen odpowiedzialny za produkcję barwnika ulega spontanicznej inaktywacji, co skutkuje zmianą barwy oczu oczu. Uznaje się, że to Conrad Waddington w 1942 r. jako pierwszy wprowadził pojęcie epigenetyki do terminów naukowych. Na tamtą chwilę oznaczało ono badanie mechanizmów dziedziczenia pozagenowego. W 1957 r. Waddington opublikował książkę zatytułowaną “Strategia genów”. Posłużył się w niej terminem “epigenetyka” wyjaśniając, dlaczego komórki embrionalne o takim samym zestawie genów różnicują się w różne, wysoce wyspecjalizowane tkanki i pełnią odmienne funkcje.
W 1990 r. Robin Holliday zdefiniował epigenetykę jako „badanie mechanizmów czasowej i przestrzennej kontroli aktywności genów podczas rozwoju organizmu”. Z kolei Arthur Riggs twierdził, że to „badanie dziedzicznych mitotycznie lub mejotycznie zmian w funkcji genów, których nie można wytłumaczyć zmianami w sekwencji DNA”. Pod koniec XX w. epigenetyka stała się działem biologii molekularnej opartym na mechanizmach zmiany ekspresji genów.
W 2008 r. naukowcy z Cold Spring Harbor Laboratory zdefiniowali pojęcie cechy epigenetycznej jako „stabilnie dziedzicznego fenotypu wynikającego ze zmian w chromosomie bez zmian w sekwencji DNA”. Kolejnym badaczem, który przysłużył się rozwojowi tej dyscypliny, był Adrian Bird. Zaproponował on definicję epigenetyki jako strukturalnych mechanizmów adaptacyjnych w obrębie chromosomów, dzięki którym geny rejestrują zmiany środowiskowe i przystosowują się do nich.
Trzy mechanizmy epigenetyczne to metylacja DNA, modyfikacje histonów i niekodujące RNA. Żaden nie zmienia sekwencji.
2. Epigenetyczne mechanizmy regulacji ekspresji genów
2.1. Metylacja DNA
Metylacja DNA to dotychczas najlepiej poznany mechanizm epigenetyczny. Polega ona na przyłączeniu grup metylowych (-CH3) do zasad azotowych matrycowej nici DNA przez enzymy znane jako metylotransferazy DNA (DNMT). Metylacja DNA dotyczy najczęściej cytozyny w obrębie tzw. wysp CpG, czyli miejsc o wysokiej zawartości dinukleotydów cytozyna-fosforan-guanina (CpG). Znajdują się one w pobliżu promotorów genów. Dlatego też metylacja w tych regionach prowadzi do zmniejszenia ich dostępności dla białek regulatorowych i czynników transkrypcyjnych, a w konsekwencji do wyciszenia genów. Donorem grup metylowych jest S-adenozylometionina (SAM). Jest to związek, który bierze udział w metabolizmie metioniny i folianów. Dlatego przebieg tych reakcji ma wpływ na dostępność SAM i przebieg metylacji. Jest to przykład odwracalnej modyfikacji poreplikacyjnej. Metylacja nie ma charakteru mutacji, ponieważ po jej usunięciu sekwencja zasad (adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy) pozostaje taka sama. Tym samym gen po demetylacji może być być ponownie aktywny.
Modyfikacja ta jest istotna dla wielu procesów biologicznych przebiegających w organizmie człowieka, takich jak inaktywacja chromosomu X u kobiet, imprinting genomowy (inaczej piętnowanie rodzicielskie), starzenie, kancerogeneza. Ma ona charakter dziedziczny lub nabyty. Podczas rozwoju prenatalnego kształtują się wzory metylacji DNA, które są następnie powielane podczas podziałów komórkowych. Obserwuje się wówczas imprinting genomowy, czyli różny stopień metylacji w obrębie DNA, czego skutkiem jest zróżnicowana ekspresja genów ojca i matki. Proces, w którym środowisko wewnątrzmaciczne wpływa na poziom ekspresji genów i fenotyp dziecka, nazywany jest programowaniem płodowym. W późniejszych okresach życia wzorce metylacji DNA zmieniają się w wyniku działania różnych czynników. Zmiany te określane są mianem epimutacji i są związane z procesem starzenia. Na przykład bliźnięta monozygotyczne na początku życia mają identyczny epigenotyp, jednak z biegiem lat, dochodzi do indywidualnych zmian ich wzorów metylacji. Do czynników, które mogą wpływać na zmiany poziomu metylacji DNA, zalicza się składniki żywieniowe. Na przykład genisteina, biologicznie aktywny związek zawarty w ziarnach soi, reguluje ekspresję genów kodujących metylotransferazy. Z kolei inny związek – galusan epigallokatechiny (EGCG, polifenol zawarty w zielonej herbacie), zmniejsza aktywność DNMT1 (odpowiedzialnego za utrzymanie wzorców metylacji DNA podczas replikacji DNA) poprzez modyfikację miejsca katalitycznego tego enzymu.
2.2. Struktura chromatyny i modyfikacje białek histonowych
Wyróżnia się cztery rodzaje białek histonowych, do których należą histony H2A, H2B, H3 i H4. Podstawową jednostką budującą chromatynę jest nukleosom, czyli cztery pary białek histonowych i nawinięta na nie nić DNA. Modyfikacje histonów modulują aktywność transkrypcyjną chromatyny poprzez bezpośredni wpływ na jej konformację lub przez przyłączanie białek w tym metylotransferaz DNA. Dlatego też określone wzory modyfikacji histonów decydują o stanie chromatyny i aktywności genów, a w konsekwencji o efekcie biologicznym. Do podstawowych modyfikacji potranslacyjnych białek histonowych zalicza się acetylację, metylację i fosforylację.
Najlepiej poznaną modyfikacją histonów jest acetylacja. Zachodzi ona głównie w obrębie lizyny i jej reszt aminokwasowych oraz jest regulowana przez dwie grupy enzymów znanych jako acetylotransferazy i deacetylazy histonowe. Acetylacja zmniejsza różnicę ładunków elektrostatycznych oraz powinowactwo między histonami a DNA, co prowadzi do rozluźnienia nici chromatynowej. Proces odwrotny, czyli deacetylacja, zwiększa oddziaływania elektrostatyczne, a tym samym upakowanie chromatyny. Acetylacja histonów umożliwia aktywność transkrypcyjną genu, z kolei deacetylacja jest związana z wyciszeniem transkrypcji. Jeśli chodzi o metylację białek histonowych, to proces ten dotyczy lizyny lub reszt argininy i jest katalizowany przez metylotransferazy histonowe, a w demetylacji uczestniczą enzymy demetylazy histonów. Metylacja histonów zarządza rekrutacją i przyłączeniem białek regulatorowych do chromatyny. Natomiast fosforylacja histonów służy jako marker podziału komórki oraz odgrywa rolę w naprawie DNA i zagęszczaniu chromatyny podczas podziału komórki. Kwas walproinowy, stosowany w leczeniu choroby afektywnej dwubieg