Niniejsza książka nie zastępuje medycznych zaleceń fachowca.

W przypadku problemów zdrowotnych skonsultuj się z lekarzem.

Copyright © by dr Dorota N. Komar

Copyright © for this edition by Wydawnictwo Otwarte 2025

Opieka wydawnicza: Michał Misiorek

Redakcja tekstu: Maja Strzeżek

Ilustracje w książce: Natalia Brodacka

Adiustacja i korekta: Atelier 2

Promocja i marketing: Kinga Smerlińska-Pis

Projekt okładki: David Carrasco D. (front), Monika Drobnik-Słocińska

Ilustracja na okładce: David Carrasco D.

ISBN 978-83-8135-592-6

www.otwarte.eu

Dystrybucja: SIW Znak. Zapraszamy na www.znak.com.pl

Na zlecenie Woblink

woblink.com

plik przygotował Jan Żaborowski

Wszystkim tym, którzy pozytywnie wpływają na nasze wzory epigenetyczne

Wstęp

Od opiekuńczych szczurów do nowotworów. Jak to, czego doświadczamy, rzeźbi nasze dna

Moshe Szyf, epigenetyk pracujący na Uniwersytecie McGill w Montrealu, mówi, że dla niego wszystko zaczęło się w ciemnym barze w Madrycie, gdzie pił piwo po konferencji naukowej. Spotkał tam innego naukowca biorącego udział w tej samej konferencji. Zaczęli rozmawiać o badaniach, które prowadzili. Tamten badał, jaki wpływ na szczury ma matczyna opieka. „Co za marnotrawstwo pieniędzy podatników” – pomyślał Moshe. Ale po chwili zupełnie zmienił swoje nastawienie. „To dokładnie jak to, co obserwujemy w nowotworach!” – pomyślał.

Szczurze matki okazują miłość i czułość lizaniem i czyszczeniem skóry oraz futerka swoich dzieci. To, jak wiele czułości nowo narodzone szczury dostaną od matki, definiuje ich dorosłe życie. Gdy brakuje im czułości, w dorosłym życiu stają się znerwicowane, mają problemy z uczeniem się oraz problemy emocjonalne. Wykazują specyficzne zachowania seksualne: samice wcześniej dojrzewają, mają większą motywację do łączenia się w pary i spółkowania. Szczury otoczone opieką, którym matki dawały więcej czułości, nie są nadwrażliwe na stres, lepiej przyswajają nowe informacje – krótko mówiąc, nie mają takich problemów, jak te pozbawione czułej troski.

Genetycy szukaliby odpowiedzi w genach: może jest jakiś gen, który powoduje i większą wrażliwość na stres, i małe zainteresowanie potomstwem? Nie byłoby w tym żadnej magii, po prostu szczurze dzieci zrodzone z matki posiadającej ten gen dziedziczyłyby go, a wraz z nim skłonności do stresu. Same w dorosłym życiu mniej opiekowałyby się swoimi dziećmi.

Aby sprawdzić, co jest przyczyną tego zjawiska, wykonano eksperyment adopcji krzyżowej. Odebrano szczurze dzieci matce, która wykazywała wiele czułości, i oddano je pod opiekę innej matce, która była raczej chłodna w kontaktach. I na odwrót: szczurze dzieci matki, która zaniedbywała sferę czułości, oddano pod opiekę bardzo czułej, która często lizała młode. Niezależnie od swojego genetycznego pochodzenia szczury wychowane przez matki, które skąpiły im opieki, zachowywały się tak samo w dorosłym życiu: miały zwiększoną bojaźliwość, problemy z pamięcią, wyższą wrażliwość na stres.

To czynniki środowiskowe zdefiniowały zatem zachowanie szczurów, niezależnie od genów. Było to przełomowe odkrycie, które jako jedno z pierwszych pokazało, że geny niekoniecznie są przeznaczeniem.

Obecnie słyszymy o tym coraz częściej. Według Światowej Organizacji Zdrowia (World Health Organization, WHO) możemy zapobiec od 30 do 50% wszystkich przypadków nowotworów. Dzięki szczepieniom możemy zapobiec praktycznie 100% przypadków raka szyjki macicy. Niepalenie tytoniu może zapobiec 90% przypadków nowotworu płuc. Unikanie palenia i alkoholu mogłoby zapobiec 90% przypadków nowotworu jamy ustnej, a palenia, alkoholu i nadmiernej wagi – 90% przypadków nowotworu przełyku. Ochrona przed promieniami UV zapobiegłaby 75% zachorowań na raka skóry. Unikanie nadmiernego spożycia soli i wywołujących wrzody żołądka bakterii Helicobacter pylori pomogłoby uniknąć 75% przypadków nowotworu żołądka. Unikanie alkoholu, przetworzonego mięsa i nadmiernej wagi to o 55% mniej przypadków nowotworów jelita grubego...

Naukowcy szacują, że można także uniknąć co najmniej jednego na trzy przypadki demencji. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „JAMA Neurology” w 2017 roku autorzy przeanalizowali dane dotyczące 15 744 osób z USA, aby sprawdzić związek pomiędzy różnymi czynnikami ryzyka a rozwojem demencji w ciągu kolejnych 25 lat. U osób z wysokim ciśnieniem krwi w średnim wieku (45–65 lat) ryzyko wystąpienia demencji w okresie najbliższego ćwierćwiecza wzrastało o 40%. W przypadku osób chorujących na cukrzycę ryzyko demencji wzrasta o 80% i wynosi prawie tyle samo, ile ryzyko płynące z genetycznej podatności na chorobę Alzheimera. W 2023 roku opublikowano podobne badanie analizujące czynniki wpływające na ryzyko wystąpienia wczesnej demencji (przed 65. rokiem życia) u 356 052 Brytyjczyków. Niektóre z modyfikowalnych czynników zwiększających ryzyko to: zaburzenie związane ze spożywaniem alkoholu (nieumiejętność powstrzymania się od spożywania alkoholu lub kontrolowania spożycia), izolacja społeczna, niedobór witaminy D, cukrzyca, choroby serca i depresja. Z kolei umiarkowane spożycie alkoholu i wyższa sprawność fizyczna (mierzona jako silniejszy uchwyt dłoni) stanowiły czynniki zmniejszające ryzyko.

U szczurów czynniki środowiskowe, a jednym z nich jest na przykład zachowanie matki, są kodowane poprzez modyfikacje epigenetyczne, co skutkuje zmianami w ekspresji wielu genów, w tym kodujących receptory hormonów płciowych i receptor hormonu glikokortykosteroidowego, kortyzolu.

Podobne zmiany są przyczyną korelacji pomiędzy naszym stylem życia i chorobami (lub zdrowiem). To zmiany epigenomu wpływają na aktywność genów, które z kolei wyznaczają to, jak zachowuje się nasze ciało – czy podąża ścieżką zdrowia, czy schodzi na patologiczne tory, doprowadzające do choroby.

Epigenetyka to dziedzina nauki badająca zmiany w aktywności genów wynikające nie ze zmian w sekwencji DNA, ale z wpływu czynników zewnętrznych i wewnętrznych. Epigenetyka daje klucz do zrozumienia, jak środowisko, styl życia i codzienne wybory wpływają na zdrowie i funkcjonowanie ludzkiego organizmu na poziomie molekularnym. Jak nasze zachowania i doświadczenia mogą „włączać” lub „wyłączać” geny, czyli wpływać na geny, nie zmieniając kodującej je sekwencji DNA.

Piszę tę książkę, żeby pomóc ci podejmować świadome decyzje. Zrozumieć, dlaczego dwie osoby z identycznym DNA (jak bliźnięta jednojajowe) mogą doświadczać różnych chorób. Chcę dostarczyć przepisów, jak zapewnić długoterminowe zdrowie sobie, a nawet przyszłym pokoleniom. Mam nadzieję, że dzięki niej będziesz lepiej orientować się w świecie, który bombarduje nas sprzecznymi informacjami.

Ale zanim do tego dojdziemy, skupmy się na podstawach.

Rozdział 1

Jak regulowane są geny

Czego potrzeba, aby z banana zrobić człowieka?

Genom to kompletna informacja genetyczna żywego organizmu, w przypadku człowieka zakodowana w sekwencji, czyli kolejności literek DNA.

DNA to bardzo ciekawa molekuła. To polimerowy sznurek. Monomery, które go tworzą, to nukleotydy symbolizowane przez literki A, G, T i C, którymi oznacza się tworzące je zasady azotowe: adeninę, guaninę, tyminę i cytozynę.

Helisa DNA zbudowana z czterech zasad azotowych: A – adeniny, G – guaniny, T – tyminy, C – cytozyny.

Jedynie około 2% tej długiej nitki koduje białka, czyli zawiera geny. Cała reszta była przez wiele lat nazywana „śmieciowym DNA”. Uważano, że nie ma do spełnienia żadnej funkcji, że to jedynie pozostałości naszej ewolucyjnej historii, których nie chciało się nam posprzątać. Trudno o bardziej błędne założenie. Te przeogromne regiony DNA niekodujące białek są kopiowane wraz z każdym podziałem komórkowym. Zużywamy na to dużo energii i surowców, w tym wartościowego azotu i fosforu, które są tak cenne, bo pochodzą z białek. Gdyby „śmieciowe DNA” nie było nam do niczego potrzebne, kopiowanie go za każdym razem byłoby marnotrawstwem. A przyroda nie lubi marnotrawstwa.

Porównanie genomu ludzkiego z genomem szympansa wykazało, że są one niesamowicie do siebie podobne. Gdy porównać je literka po literce, zaznaczając tylko pojedyncze „literówki” (w genetyce nazywa się je SNP: single nucleotide polymorphism, polimorfizm pojedynczego nukleotydu, kiedy na przykład zamiast sekwencji AGATA pojawia się AGACA), to genomy ludzki i małpi są prawie w 99% takie same (bardziej dokładnie – tylko 1,23% ludzkiego genomu zawiera takie „literówki”). Gdy dodamy do tego także insercje i delecje, czyli sytuacje, gdy z genomu zostały usunięte albo do niego dodane literki lub wyrazy (z AGATA usuwamy aga, zostaje TA – to delecja, gdy do AGATA dodajemy ta i otrzymujemy AGATATA – to insercja), wciąż nasze genomy będą w 96% takie same. Może się to wydawać szokujące, ale jeśli bliżej się nad tym zastanowić, genom to kompletna informacja, która umożliwia stworzenie danego organizmu. Ludzie i szympansy są do siebie bardzo podobni: jesteśmy zwierzętami żyjącymi na planecie Ziemia, oddychającymi tlenem, spożywającymi podobny pokarm. Nawet wyglądamy podobnie.

Gdy porównany genomy człowieka oraz czegoś zupełnie od nas odmiennego, na przykład banana, to... także otrzymamy całkiem spore liczby. Około 60% genów człowieka ma rozpoznawalny odpowiednik w genomie banana. Kodowane przez nie białka są w 40% identyczne (jeśli porównamy sekwencję aminokwasów ludzkiego białka z jego odpowiednikiem w bananie). Porównanie genomów różnych organizmów – drożdży, ryżu czy żab – pozwala dostrzec, że genomy żywych istot na naszej planecie wykazują spore podobieństwa. Wszyskie one wyewoluowały od wspólnego przodka, jednokomórkowego organizmu, który żył 3 lub 4 miliardy lat temu, i dzielą wiele fundamentalnych narzędzi niezbędnych do działania podstawowych funkcji komórkowych, takich jak replikacja DNA, kontrolowanie cyklu komórkowego i podział komórek.

Spośród 35 milionów „literówek” i 5 milionów miejsc insercji lub delecji, które różnią genomy człowieka i szympansa, jedynie 3 miliony znajdują się w rejonach kodujących geny. To naprawdę niewiele. W typowym ludzkim białku nastąpiła średnio tylko jedna zmiana, odkąd szympansy i ludzie oddzielili się od wspólnego przodka około 6 milionów lat temu. Czy to gdzieś w tych stosunkowo nielicznych różnicach leży biologiczna podstawa wyjątkowych cech gatunku ludzkiego, w tym chorób specyficznych dla człowieka, takich jak ludzka wersja choroby Alzheimera albo niektóre nowotwory?

Gdy badacze skupili się dokładnie na tych miejscach, które odróżniają człowieka od szympansa, odkryli, że większość zmian leży w genomie, który nie koduje genów – w tym „śmieciowym” DNA. 96% regionów o największej gęstości zmian (nazywanych HAR, human accelerated regions) leży w regionach niekodujących genów, za to odpowiedzialnych za interakcję białek z DNA, regulację transkrypcji i rozwój neuronów. Te fragmenty, które nie kodują genów, kodują sposób, w jaki nasze geny są regulowane, kiedy i w jaki sposób są włączane i wyłączane. I to właśnie nie same geny, a to, w jaki sposób są wykorzystywane, najbardziej odróżnia ludzi od małp i od innych gatunków oraz poszczególne gatunki, ale także osobniki w obrębie jednego gatunku, czyli na przykład konkretne osoby od siebie nawzajem. Nie to, jakie geny posiadamy, a to, w jaki sposób je wykorzystujemy, jak nasze komórki je regulują, stanowi największą różnicę pomiędzy różnymi ludźmi.

Czym jest informacja EPIgenetyczna?

Uwaga! Ten fragment będzie dosyć skomplikowany, ale bez niego trudno byłoby zrozumieć proces regulacji genów, epigenetyka zaś mogłaby wydawać się czarną magią, a nie nauką o mechanizmach logicznie zaprojektowanych przez lata ewolucji. Jeżeli nie możesz się doczekać tego, aby poczytać o takich cudach, jak dziedziczenie traumy czy dieta wydłużająca życie – możesz go ominąć, ale wróć do niego, proszę, pod koniec lektury.

Tylko 2% naszego genomu koduje geny, czyli cegiełki informacji, na podstawie których budowany jest organizm. Człowiek ma około 20 tysięcy genów – cegiełek kodujących części składowe. Większość zwierząt ma podobną liczbę genów, co oznacza, że w genowym jajku niespodziance, niezależnie od budowanego gatunku, znajdziemy w (dużym) przybliżeniu około 20 tysięcy części, z których można zbudować figurkę ziemskiego zwierzęcia. Pozostałe 98% genomu służy temu, żeby cegiełki mogły być wykorzystane w odpowiednim miejscu i odpowiednim czasie. Służy do regulacji genów.

DNA zawiera informacje o wszystkich cegiełkach, a każda komórka ludzkiego ciała ma dokładnie takie samo DNA. Na kolejnych etapach życia mamy dokładnie takie samo DNA. Jednak ciało wygląda i funkcjonuje zupełnie inaczej, gdy jesteśmy rozwijającym się płodem, a inaczej, gdy jesteśmy dorośli. Komórki oka wyglądają i funkcjonują inaczej niż komórki mięśniowe czy komórki wątroby, mimo że wszystkie mają dokładnie to samo DNA. Dzieje się tak dzięki temu, że w każdym typie komórki aktywne są inne geny. Epigenetyka to dziedzina nauki, która zajmuje się badaniem zmian aktywności genów, które nie wynikają z samej sekwencji DNA. Badaniem filtru, który jest nakładany na sekwencję DNA, aby wyciągnąć z niej funkcjonalną informację. Jeśli porównać DNA do systemu operacyjnego w twoim telefonie, epigenetyka byłaby aplikacjami, które umożliwiają mu funkcjonowanie. DNA jest jak słownik zawierający wszystkie wyrazy danego języka, a epigenetyka analizuje reguły gramatyczne, które wyznaczają, gdzie jest początek i koniec zdania, jakie słowa po sobie następują. Dzięki niej każda komórka naszego ciała może opowiadać własną historię.

Skoro informacja o tym, jak regulować geny, jest tak ważna, że to właśnie ona na poziomie genetycznym odróżnia między sobą gatunki i osobniki wewnątrz gatunku, to jak ta regulacja genów właściwie zachodzi?

DNA to nośnik informacji genetycznej i leży sobie bezpiecznie w jądrze komórkowym. Białka produkowane są w cytoplazmie. Żeby nie transportować tam DNA i nie narażać go na uszkodzenia, te części DNA (konkretne geny), które chcemy wykorzystać do stworzenia białka, przepisywane są na RNA – jednoniciowy kwas rybonukleinowy, który jest zbudowany z podobnych cegiełek, co DNA, ale żeby ich nie pomylić, zamiast tyminy (T) w RNA używany jest uracyl (U). RNA służy jako instrukcja, jakie części DNA komórka chce wykorzystać, i wysyłane jest do cytoplazmy. Geny są aktywne wtedy, gdy w danym miejscu i czasie nasze ciało wykorzystuje je do stworzenia RNA (a potem białka). To proces transkrypcji. Żeby zaszła transkrypcja, cały wielki kompleks białkowy, zwany maszynerią transkrypcyjną, musi mieć możliwość przyczepienia się do DNA.

DNA z maszynerią transkrypcyjną, czyli kompleksem białek i enzymów, które umożliwiają proces transkrypcji – przepisywania informacji genetycznej z DNA na RNA. Gdy DNA jest przepisywane na RNA, znaczy to, że gen jest „włączony”, aktywny.

Całe DNA z jednej komórki to cieniutka niteczka, która po rozwinięciu osiągnęłaby długość około 1,8 metra. Ta długaśna nić musi się jakoś zmieścić w jądrze komórkowym, które ma średnicę równą ¹/₁₀ średnicy ludzkiego włosa – kilkadziesiąt tysięcy razy mniejszą niż długość DNA! To tak, jakby próbować upchnąć sznurek o długości 40 kilometrów w piłeczce tenisowej. Aby to osiągnąć, DNA nawinięte jest na białka, histony, które tworzą strukturę przypominającą koraliki. Każdy osobny koralik jest spięty specjalnym typem histonu, histonem H1. To, w jaki sposób DNA zostanie zwinięte, będzie decydować o tym, które jego fragmenty – geny, będą łatwo dostępne, a które nie.

DNA nawinięte jest na histony, co ułatwia jego uporządkowanie. W miejscach, gdzie DNA jest luźniej nawinięte na histony, maszyneria transkrypcyjna ma łatwy dostęp do genów – tam znajdują się aktywne geny.

DNA nawinięte na histony (wraz z RNA i innymi białkami) nosi nazwę chromatyny. Mocno upakowana i ciasno zwinięta chromatyna nosi nazwę heterochromatyny i jest nieaktywna – jest zwinięta w postaci ciasnych supłów i maszyneria transkrypcyjna nie jest w stanie się przyłączyć do żadnego fragmentu DNA i przepisać go na RNA. Geny leżące w heterochromatynie są wyłączone, nieaktywne.

Aktywne geny leżą w euchromatynie, czyli tej części chromatyny, która tworzy jedynie luźno zebrane pętle. Jest tam sporo wolnego miejsca, maszyneria transkrypcyjna ma możliwość zakotwiczenia.

Za to, jak ciasno zwinięta jest chromatyna, odpowiadają oddziaływania fizykochemiczne. Aktywacja i dezaktywacja genów, czyli ich „włączanie” i „wyłączanie”, są regulowane za pomocą modyfikacji chemicznych nakładanych podczas reakcji chemicznych, które lokalnie zmieniają właściwości fizykochemiczne chromatyny. Całe te mechanizmy epigenetyczne to tak naprawdę nic innego jak modyfikacje chemiczne, które zmieniają właściwości chemiczne DNA lub białek, na które DNA jest nawinięte.

Histony, na które nawinięte jest DNA, mogą tworzyć luźne pętle, ale są też w stanie tworzyć ciasno upakowane struktury, tak zwaną heterochromatynę. Dostęp do genów jest tu fizycznie zablokowany. Maszyneria transkrypcyjna nie ma dostępu do genów, geny znajdujące się w heterochromatynie są więc nieaktywne. Aktywne geny znajdują się w luźniej upakowanej euchromatynie.

Najlepiej poznane mechanizmy epigenetyczne to:

1. Chemiczne modyfikacje histonów

Każdy histon składa się z globularnej (kulistej) główki i ogonka. Ogonek wystaje jak metka z ubrania i podlega wielu chemicznym modyfikacjom, które stemplują, tagują DNA. Prawie każdy z aminokwasów w tym ogonku może zostać w jakiś sposób zmodyfikowany. W ogonkach znajduje się wyjątkowo dużo aminokwasu zwanego lizyną. Do lizyny może zostać przyłączona grupa chemiczna zwana resztą acetylową, która ma ujemny ładunek elektryczny. DNA samo w sobie też ma ujemy ładunek. Dodanie reszty acetylowej zwiększa ujemny ładunek histonu, a dwa minusy fizycznie się odpychają. DNA zaczyna trochę bardziej odstawać od nukleosomu, co sprawia, że maszyneria transkrypcyjna ma szansę złapać nić DNA i zacząć przepisywać ją na RNA.

Acetylacja jest modyfikacją chemiczną, która zmienia ładunek elektryczny histonu oraz oddziaływania chemiczne pomiędzy nim a DNA na bardziej luźne – w ten sposób ułatwia aktywację genu. Enzymy, które przeprowadzają reakcję acetylacji histonów, nazywają się acetylotransferazami histonów, a enzymy, które usuwają grupę acetylową (deacetylują histony), powodując, że DNA z powrotem ciaśniej przylega do histonu, nazywają się deacetylazami histonowymi i ich zadaniem jest „wyłączanie”, dezaktywacja genów.

Jak acetylacja i deacetylacja histonów wpływają na aktywację genów? Acetylacja histonu sprawia, że struktura chromatyny staje się luźniejsza. Deacetylacja histonu utrudnia przyłączenie maszynerii transkrypcyjnej, przyczynia się do tego, że struktura chromatyny jest bardziej upakowana, co dezaktywuje geny.

Lizyna może podlegać także innym modyfikacjom chemicznym. Na przykład metylacji – jej wpływ na aktywność genów nie jest taki jednoznaczny, jak w przypadku acetylacji. Grupa metylowa składa się z atomu węgla i trzech atomów wodoru. Ładunki są rozłożone równomiernie w tej cząsteczce, która sama w sobie nie ma ani ujemnego, ani dodatniego ładunku elektrycznego, nie wpływa więc na oddziaływania chemiczne histon–DNA. Jej funkcja zależy od tego, w jakim miejscu jest przyłączana. Na przykład przyłączenie grupy metylowej do tych lizyn, które mogłyby być acetylowane w celu aktywacji genów, blokuje acetylację. W tym wypadku metylacja ma funkcję dezaktywującą geny. Natomiast grupa metylowa przyłączona do innych lizyn może przyciągać do histonów konkretne białka, które bardzo się lubią z maszynerią transkrypcyjną. To aktywuje geny. Enzymy, które przyłączają grupę metylową do histonów, nazywają się metylotransferazami histonów, a te, które usuwają grupę metylową – demetylazami histonowymi.

Poza acetylacją i metylacją ogonki histonów mogą ulec jeszcze wielu innym modyfikacjom chemicznym. Tworzą one specyficzny kod, który przyciąga lub odstrasza białka umożliwiające bardzo specyficzną czasową i przestrzenną regulację aktywności genów. O jak złożonej informacji mowa? Na przykład histon trzeci H3 ma w swoim ogonku 19 lizyn. Każda z nich może być metylowana, do jednej lizyny można przyłączyć od 1 do 3 grup metylowych. Każda lizyna może być: niemetylowana, monometylowana, dimetylowana lub trimetylowana. Zakładając, że modyfikacje są niezależne, uzyskamy 4¹⁹ różnych wzorów metylacji lizyny, czyli 28 miliardów kombinacji. To kod dużo potężniejszy niż kod DNA, który ma do wyboru tylko cztery różne cegiełki.

Metylacja histonów, czyli przyłączenie grupy metylowej, może mieć rozmaity wpływ na aktywację genów, w zależności od miejsca. Może zarówno blokować geny, uniemożliwiając przyłączenie się maszynerii transkrypcyjnej (lewa strona rysunku), jak i aktywować geny, na przykład tworząc lepsze warunki do przyłączenia maszynerii transkrypcyjnej (po prawej stronie).

2. Warianty histonów

Poza tym, że histony mogą być modyfikowane chemicznie, występują także w rozmaitych wariantach, formach, które bardzo nieznacznie różnią się od siebie wzajemnie sekwencją aminokwasów. Warianty wpływają na regulację genów poprzez niewielkie różnice strukturalne. Na przykład histon H1 jest niezbędny do tego, aby zwijać chromatynę w bardziej upakowane formy. Jeden jego wariant różni się od innych jedynie kilkoma aminokwasami, ale to wystarcza, żeby nadać mu zupełnie unikatowe właściwości. Ten wariant histonu H1 jest bardzo lepki, jego cząsteczki zaczynają się do siebie kleić. Gdy wstawi się kilka jego kopii do chromatyny, następuje jej spontaniczne zwinięcie do heterochromatyny – to uniemożliwia transkrypcję, czyli wyłącza geny.

Istnieją trzy główne warianty histonu H3, które można znaleźć we wszystkich naszych komórkach: H3.1, H3.2 i H3.3. Histon H3.3 jest związany z aktywacją genów – znajduje się w promotorach aktywnie transkrybowanych genów. Wyłączone geny będą miały wariant H3.1 albo H3.2. Te dwa warianty znajdują się także w kopiowanym DNA przed podziałem komórkowym – tam geny nie mogą być aktywne, bo inaczej powstałoby dwa razy więcej ich produktów, niż jest potrzebne. Wariant H3.1 jest unikatowy dla ssaków i od histonu H3.2 różni się jedynie jednym aminokwasem – cysteiną na pozycji 96 (Cys96). Ta jedna zmiana powoduje, że w komórkach raka piersi stres oksydacyjny utlenia Cys96, co powoduje wyrzucenie całego histonu H3.1 z chromatyny. Zastępuje go H3.3, ten, który aktywuje transkrypcje. Powoduje to aktywację genów związanych z nowotworzeniem.

Istnieje też nietypowy wariant histonu H3, nazywany H3.T (albo H3.4), który znajduje się w jądrach. Nadaje on większą elastyczność chromatynie i umożliwia powstanie plemników (podział mejotyczny). Jest on tak ważny, że mutacje w genie kodującym ten histon powodują azoospermię, czyli sytuację, kiedy w nasieniu nie ma plemników.

Chyba najdziwniejszy ze wszystkich wariantów histonów jest wariant histonu H2B nazywany H2B.E. Jedyne miejsce, w którym jest go dużo, to neurony węchowe u myszy. Jeden neuron przypada na jeden zapach. Jeżeli taki neuron nie jest stymulowany, bo przez dłuższy czas mysz nie wyczuwała danego zapachu, H2B.E jest w tych neuronach akumulowany, a to daje znak, żeby takie neurony usunąć, bo są niepotrzebne.

3. Remodelowanie nukleosomów

Chromatyna jest zbudowana z nukleosomów. Każdy nukleosom to 146 par zasad DNA owiniętych w około 1,7 obrotu wokół dysku złożonego z oktameru histonów (ośmiu histonów). DNA wewnątrz każdego nukleosomu jest na ogół niedostępne dla maszynerii transkrypcyjnej. Aby mogła zajść transkrypcja, chromatyna musi lokalnie ulec „zremodelowaniu”. Nukleosom musi zostać odrobinę przesunięty lub jego oddziaływanie z DNA osłabione, aby uwolnić dany fragment DNA. Chemiczne modyfikacje histonów czy wymiana kanonicznego histonu na jego wariant to sposoby na remodelowanie chromatyny. Jednak istnieją także kompleksy białkowe zwane remodelerami chromatyny (chromatin remodelling complexes), które używają energii (hydrolizują ATP), aby wyrzucić nukleosomy albo przesunąć je tak, aby odsłonić fragment DNA, który chcą „uaktywnić”.

Remodelery chromatyny, które wymuszają wymianę histonów, przesunięcie nukleosomów lub usunięcie histonów, dzięki czemu uwolniony fragment DNA jest dostępny dla maszynerii transkrypcyjnej, a gen, którego fragment się tam znajduje, zostaje aktywowany.

Jest to absolutnie niesamowity proces, jednak naukowcy nie wiedzą jeszcze dokładnie, jak zachodzi. To, w jaki sposób remodelery przekształcają energię hydrolizy ATP (rozkładu ATP pod wpływem wody z uwolnieniem energii) w siłę mechaniczną, aby przesunąć nukleosom, i w jaki sposób różne kompleksy remodelerów wybierają, które nukleosomy mają zostać przeniesione, pozostaje nieznane. Jest jeszcze sporo rzeczy, których nauka nie wie o mechanizmach epigenetycznych.

4. Chemiczna modyfikacja DNA

Grupa metylowa może zostać przyłączona nie tylko do aminokwasów tworzących histony, ale też do cytozyny*, jednej z zasad azotowych, które budują DNA. Reakcję przyłączania grupy metylowej do DNA przeprowadzają enzymy nazywane metylotransferazami DNA. Mimo że jest to potężne narzędzie do kontroli aktywności genów, maksymalnie 1% wszystkich cytozyn w naszym ciele ulega metylacji (najwięcej metylowanych cytozyn mamy w mózgu). To dlatego, że pojedyncze cytozyny rzadko kiedy są metylowane. Metylacja dotyczy głównie tak zwanych CpG, czyli cytozyn, po których kolejna w sekwencji jest guanina. Miejsca w genomie, w których występuje szczególnie dużo sekwencji CpG, nazywamy wyspami CpG (CpG islands). Tak się składa, że 70% ludzkich promotorów (regionów DNA, które znaczą początek genu) posiada wyspy CpG – jest więc podatna na metylację**. Metylacja stanowi fizyczną przeszkodę, która utrudnia przyłączenie maszynerii transkrypcyjnej do DNA. Metylacja DNA wyłącza geny. Geny, których promotory są zmetylowane, są nieaktywne. Metylacja służy także do wyłączania transpozonów – mobilnych fragmentów DNA, które najprawdopodobniej są pozostałościami nieaktywnych już wirusów lub alternatywnych miejsc rozpoczęcia transkrypcji (dlatego metylacja DNA wewnątrz ciała genów, gene body, zwiększa transkrypcję).

Nie tylko cytozyna może zostać zmetylowana. Możliwe jest także przyłączenie grupy metylowej do adeniny (innej zasady azotowej). U ludzi metylowanych adenin jest bardzo mało, to tylko 0,00006–0,00077% wszystkich adenin, a funkcja zmetylowanej adeniny nie jest zbyt dobrze poznana, za to u innych organizmów (na przykład u Caenorhabditis elegans, organizmu modelowego dobrze znanego naukowcom, albo u bakterii) pełni bardzo ważną funkcję.

Metylacja DNA jest modyfikacją najczęściej badaną w warunkach klinicznych, czyli w badaniach z udziałem ludzi. Wynika to z łatwości pozyskania materiału – wystarczy wymaz z wewnętrznej strony policzka lub próbka krwi jak przy standardowej morfologii. Techniki badawcze pozwalające precyzyjnie określić, które cytozyny są metylowane, a które nie, także są stosunkowo proste (chociaż bardzo drogie). Sama często korzystam z analizy metylacji DNA w swojej pracy laboratoryjnej. To właśnie o tej modyfikacji będę pisać tutaj najczęściej.

5. Struktura 3D DNA

ENCODE (akronim od The Encyclopedia of DNA Elements, Encyklopedia Elementów DNA) to konsorcjum z Uniwersytetu Stanforda zajmujące się badaniem funkcjonalnych elementów genomu, czyli tego, co koduje nasze DNA poza genami. ENCODE sklasyfikowało większość funkcjonalnych regionów regulatorowych DNA (są to specyficzne sekwencje w DNA, które pomagają kontrolować, kiedy, gdzie i w jakiej ilości dany gen ma być aktywowany lub wyciszany), opisując je jako promotory (miejsca znaczące początek genu) lub enhancery (elementy regulatorowe, które wzmacniają aktywność genów). Enhancery mogą być oddalone nawet o wiele tysięcy par zasad od genu, który regulują. Aby regulacja aktywności mogła zajść, odległe w sekwencji DNA elementy muszą się do siebie zbliżyć fizycznie. Odpowiednie umieszczenie DNA w przestrzeni 3D definiuje aktywność genów – geny zlokalizowane w aktywnych obszarach, połączone ze swoimi aktywującymi elementami regulatorowymi, będą włączone. Te, których nie uda się tam umieścić, pozostaną wyłączone. Efekty potrafią być zaskakujące i przypominają to, co ze zwykłej kartki może zrobić origami.

TAD (topologically associated domains, domeny związane topologicznie) to takie osiedla wewnątrz jądra komórkowego, gdzie spotykają się lokalnie różne regiony DNA i są wspólnie aktywowane lub wyciszane. Każde osiedle TAD ma określoną strukturę. Na obrzeżach są regiony graniczne, wiązane przez CTCF – białko, które stanowi przestrzenną barierę – i kohezynę, która jest takim molekularnym płotem. Enhancery i promotory mają częste interakcje wewnątrz jednego TAD, ale bardzo rzadko oddziałują z promotorami lub enhancerami nawet sąsiedniego TAD.

Dla aktywności genu znaczenie ma także lokalizacja wewnątrz jądra komórkowego. Geny umieszczone blisko otoczki jądrowej są raczej nieaktywne. Im bliżej wnętrza jądra, tym bardziej aktywne geny.

DNA jest pocięte na 46 kawałków, czyli 23 pary chromosomów. Każdy chromosom zajmuje oddzielne miejsce wewnątrz jądra komórkowego, tak zwane terytorium chromosomowe (chromosome territory). Dochodzi tutaj do pewnych interakcji między DNA pochodzącym z różnych chromosomów. Mniej takich interakcji widzimy w komórkach macierzystych albo nowotworowych, a więcej – w całkowicie dojrzałych komórkach, na przykład w limfocytach w krwi obwodowej. Zmiany w regionach, które odpowiadają za interakcje pomiędzy terytoriami chromosomowymi, obserwowano także u osób ze spektrum autyzmu, co sugeruje, że niektóre ich geny mogą być regulowane w pewien unikatowy sposób.

Poza tym istnieje jeszcze wiele nie do końca poznanych mechanizmów. Na przykład separacja faz. Białka o nieustrukturyzowanej strukturze mogą łączyć się w agregaty, które fizycznie wyznaczają przestrzenie w jądrze o zupełnie innych właściwościach fizykochemicznych. To trochę tak, jakby wstrząsnąć mieszaninę oleju i wody. Gdy białka te są przyłączone do DNA, wciągają geny albo do „kropelek wodnych”, albo do „kropelek oleju”, a wewnątrz zachodzą zupełnie inne procesy. RNA nie zawsze jest przepisywane na białko. Jest bardzo dużo typów RNA, które pełnią także funkcję regulatorową. Mogą na przykład dodatkowo stabilizować odseparowane fazy, tworząc usztywniające je rusztowanie. Samo RNA może być modyfikowane chemicznie tak samo jak DNA. Gen będzie aktywny, ale jego produkt pośredni – RNA – zdecyduje, czy produkt końcowy – białko – zostanie wyprodukowany, czy nie.

Odkrycie ogólnych zasad regulacji genomu to wyzwanie, które wciąż stawia przed naukowcami wiele pytań. Wynika to z faktu, że trójwymiarowa struktura genomu oraz mechanizmy regulujące aktywność genów są niezwykle złożone i zależne od wielu czynników. Każdy gen funkcjonuje w specyficznym kontekście – jego działanie jest inne w zależności od rodzaju komórki, jej stanu rozwojowego czy obecności choroby. Regulacja zachodzi na wielu poziomach. Na przykład stopień łatwości metylacji DNA danego genu zależy od tego, w jakim miejscu w przestrzeni 3D jądra się ono znajduje i jakie są modyfikacje chemiczne histonów dookoła.

Co więcej, metylacja DNA nie wywoła takiego samego efektu, jeżeli zajdzie wokół miejsc, gdzie znajdują się aktywujące modyfikacje histonów – wtedy nie będzie wystarczająca do pełnego wyciszenia genu, natomiast jeżeli zostanie nałożona w miejscu, w którym już znajdują się wyciszające modyfikacje chemiczne histonów, może mieć dużo silniejszy wpływ i doprowadzić do długotrwałej dezaktywacji danego genu. Dodatkowo mechanizmy te zmieniają się w czasie, w odpowiedzi na sygnały pochodzące zarówno z wnętrza, jak i spoza komórki. Uff, ciężka praca dla naukowców.

Dekodowanie informacji epigenetycznej

Sekwencja DNA zawiera kompletną informację na temat wszystkiego, co jest niezbędne do funkcjonowania każdej komórki ludzkiego ciała na każdym etapie rozwoju. Informacja epigenetyczna jest niezbędna do tego, żeby z tego oceanu możliwości wyłuskać to, co jest potrzebne w konkretnym miejscu w konkretnym momencie.

Postaram się zobrazować to na przykładzie. Wyobraź sobie, że pierwotna informacja z DNA wygląda tak:

uczyszczęściewięcczęstorazymężczyznaczyzapaleniepłucjestzaraźliwecokolwiekzrozumiećakuratbratruchlos

Jak znaleźć w tym jakiś sens? Możemy próbować sami znaleźć wyrazy:

uczy szczęście więc to razy zna znaczy zapale nie płuc jest źli wiek

Ale o ile łatwiej to zrobić, gdy zaznaczony jest początek i koniec każdego wyrazu:

u czy szczęście więc często razy mężczyzna czy zapalenie płuc jest zaraźliwe cokolwiek zrozumieć akurat brat ruch los

Odpowiedni szyk wyrazów umożliwia wybranie tych, które są w danym momencie potrzebne:

u czy szczęście więc często razy mężczyzna czy zapalenie płuc jest zaraźliwe cokolwiek zrozumieć akurat brat ruch los

Znaki interpunkcyjne i ortografia pozwalają z kolei określić funkcję, jaką te wyrazy mają pełnić w zdaniu, i nadać zdaniu ostateczny sens:

Czy zapalenie płuc jest zaraźliwe?

To samo z informacją genetyczną robią modyfikacje epigenetyczne. Nadają jej sens.

A odpowiadając na pytanie z przykładu (które z jakiegoś powodu było jednym z najczęściej zadawanych pytań biologicznych w Google’u): zapalenie płuc jest zazwyczaj wywoływane przez drobnoustroje. I tak – może być zaraźliwe.

Wiemy już, że informacja genetyczna nie zależy jedynie od informacji zapisanej w genach, ale także od sposobu, w jaki geny są wykorzystywane. Za to drugie odpowiada informacja epigenetyczna. Wiemy także, czym jest informacja epigenetyczna – chemiczną modyfikacją DNA i histonów, czyli białek, na które nawinięte jest DNA. Aby w pełni zrozumieć, jak odkrycie tych modyfikacji zrewolucjonizowało nasze spojrzenie na zdrowie i dziedziczenie, trzeba najpierw opowiedzieć, jak bardzo te odkrycia podważyły dawne biologiczne „prawdy”.

Dalsza część w wersji pełnej

* Metylacja cytozyny (5-metylcytozyna, 5mC, czyli przyłączenie grupy metylowej do piątego węgla cytozyny) nie jest jedyną modyfikacją, której podlega DNA. Naukowcy znają również 5-hydroksymetylcytozynę, 6-methladeninę, 5-formylcytozynę i inne, ale ponieważ główne badania epigenetyczne mierzyły 5mC, a wiadomości na temat funkcji tej modyfikacji jest znacznie więcej niż pozostałych, w tej książce skupiam się tylko na niej.

** Tak naprawdę metylacja nie zachodzi w samych wyspach CpG, najwięcej metylacji jest w CpG island shore, na „wybrzeżach”, które mogą się rozciągać nawet 2kb od wysp CpG.