Če bi molekulo DNK iz celice človeškega telesa povsem raztegnili v dolgo dvojno vijačnico, bi njena dolžina znašala kar dva metra. To je 400.000-krat več od velikosti celičnega jedra, v katerem se molekula nahaja. Povsem na mestu je zato vprašanje, kako je sploh mogoče, da se tako dolga molekula v celičnem jedru ne zaplete ali zavozla. In kako lahko posamezna celica sploh ve, na katerih delih obširnega zapisa v dvojni vijačnici so shranjena navodila, kako ustvariti molekulo, ki jo prav takrat potrebuje za svoje delovanje?
Odgovor na to vprašanje najdemo v podatku, da je molekula DNK, v kateri je shranjen naš dedni zapis, navita na veliko majcenih »kolutov«, ki jim pravimo histoni. Te majhne »nastavke za navijanje« lahko primerjamo s pripomočki valjastih oblik, ki jih uporabljamo na vrtu, ko želimo pospraviti cev za zalivanje ali dolg električni kabel. V vsaki celici telesa je kar 30 milijonov takšnih majhnih »kolutov«, na katere je navita molekula DNK.
Navijanje dvojne vijačnice na histone celici omogoča, da je zelo dolga molekula priročno shranjena v majhnem jedru, vendar lahko takšno sistematično pakiranje dolge dvojne vijačnice povzroči tudi nove težave. Ko je molekula DNK tesno zvita, namreč ni aktivna. Na njej zapisane dedne informacije celici niso dostopne. Geni, ki so shranjeni v molekuli DNK, se lahko izražajo oziroma iz njih lahko nastajajo proteini le, če so dostopni za mehanizme, ki zapis iz molekule DNK prepisujejo v zapis molekule RNK. Tesno zvita molekula pa za prepisovanje ni dostopna.
Mehanizmi delovanja epigenetike
Mehanizme, kako celica z dodatnimi molekulami, ki se lepijo na dvojno vijačnico, uravnava dostopnost in izražanje posameznih genov, preučuje epigenetika. Na DNK se namreč lahko nalepijo posebne molekule, ki uravnavajo njeno branje. Lahko jih razumemo kot oznake, naj se neki trenutno zaviti del DNK razvije in postane aktiven, ali pa naj se, nasprotno, trenutno aktivni del močneje zavije in tako postane manj aktiven ali povsem neaktiven.
Prav zaradi epigenetskih označevalcev, ki se vežejo na DNK, so celice v različnih tkivih v telesu tako medsebojno različne, čeprav imajo vse v svojem jedru povsem enak dedni zapis, shranjen v dvojni vijačnici. Nevron je na videz in po funkcijah, ki jih opravlja, povsem drugačen, kot je denimo celica mišice. Čeprav imata oba v svojem jedru enak zapis DNK, se zelo poenostavljeno rečeno razlikujeta v tem, kateri deli tega zapisa so zviti in kateri raztegnjeni, tako da jih celica lahko bere.
Poleg tesnejšega oziroma bolj ohlapnega zavijanja molekule DNK na histone lahko epigenetsko izražanje posameznih genov celica uravnava tudi s pomočjo lepljenja posebnih molekul na gene, kar onemogoči njihovo branje. Metilacija, kot se imenuje mehanizem, je metoda, s katero celica posamezni gen povsem utiša, kot da ga sploh ne bi bilo, čeprav je še zmeraj del zapisa v njeni molekuli DNK. V nevronu so denimo geni za proizvodnjo hemoglobina metilirani, zato se ne izražajo, nasprotno pa se v celicah, ki proizvajajo rdeče krvničke, ti geni ne metilirajo in ostanejo aktivni.
Metilacija je dokaj stabilna in je ni lahko odstraniti, ko se enkrat vzpostavi. To je dobro, če morajo celice določene gene ugasniti za daljše obdobje, a velikokrat se morajo celice tudi hitro odzvati na spremembe v okolju. V tem primeru je boljša oblika uravnave izražanja genov preko histonov oziroma kolutov, na katere se navija DNK. Preko histonov lahko celica tudi samo delno zmanjša izražanje določenega gena. Spremembe na histonih si lahko predstavljamo kot nekakšen gumb, s katerim celica uravnava jakost izražanja posameznega gena, medtem ko je metilacija bolj podobna stikalu za vklop ali izklop določenega gena.
Vpliv okolja na izražanje genov
Že kmalu po spočetju živega bitja, ko je zarodek velik le nekaj deset celic, se te začenjajo medsebojno razlikovati. Razločevanje poteka prav preko epigenetskih označevalcev, ki omogočajo oziroma onemogočajo izražanje posameznih genov. Pri tem ne gre le za vpliv kemikalij, ki jih sprožajo celice, da vplivajo na svoje sosede, ampak so pomembni tudi vplivi dogajanja izven organizma.
Zelo nazorno si lahko mehanizem delovanja epigenetike ogledamo na primeru miši s posebnim genom, imenovanim agouti. Ko je ta gen aktiven, so miške okrogle in imajo rumene dlake, tako da se zlahka ločijo od svojih sorodnic. Gen se seveda deduje, kar pomeni, da če ga ima mati, ga bodo imeli tudi njeni potomci.
Z eksperimenti so pokazali, da lahko z epigenetskimi označevalci gen agouti utišajo. To pomeni, da se gen ne bo izražal, tudi če ga bo miška imela v svojem zapisu DNK. Raziskovalci so leta 2003 pokazali, da če miško z genom agouti med nosečnostjo hranijo s hrano, ki vsebuje snovi, ki povzročijo, da se okoli gena agouti nalepijo molekule, ki ga utišajo, njeni potomci ne bodo imeli rumenih dlak in ne bodo debeli. Ista mati ima lahko povsem različne potomce, na kar vpliva hrana, ki jo je mati miška jedla med nosečnostjo.
Čeprav je šlo pri tem sicer zelo nazornem poskusu zgolj za miši, pa imamo danes že zelo veliko podatkov o tem, da so podobni mehanizmi na delu tudi pri ljudeh. Če mati med nosečnostjo kadi, se nezdravo prehranjuje ali je pod močnim stresom, to početje nedvomno vpliva na njenega otroka. Takšni signali iz okolja se preko kemikalij v materinem telesu prenesejo na plod v maternici in vplivajo na vzpostavitev epigenetskih označevalcev v celicah otroka.
Pri epigenetiki je pomembno spoznanje, da se lahko takšni pridobljeni označevalci na genih v posebnih primerih tudi dedujejo oziroma prenašajo na potomce. Če se epigenetski zapisi na molekuli DNK tvorijo v spolnih celicah, lahko vplivajo tudi na več kasnejših generacij potomcev. Ena od raziskav je denimo pokazala, da so imeli dečki, ki so že v mladosti kadili in se nezdravo prehranjevali, otroke in vnuke, ki so imeli v povprečju krajše življenje kot potomci dečkov iste populacije, ki so imeli bolj zdravo otroštvo. V obdobju tvorbe spolnih celic pri dečkih naj bi se namreč vplivi okolice preko epigenetskih označevalcev vpisali v molekule DNK njihovih spolnih celic.
Izvedenih je bilo že veliko raziskav, v katerih so preučevali populacije, ki so preživele obdobja hudega pomanjkanja. Raziskovalce je najbolj zanimalo, kako je na potomstvo vplivala lakota ravno v času mladosti, ko so se tvorile spolne celice. Čeprav vse posledice in mehanizme epigenetskega dedovanja pridobljenih vplivov iz okolja v obdobju tvorbe spolnih celic pri ljudeh še dodatno preučujejo, je za nekatere živali že natančno poznano, da se tovrstni vplivi dedujejo tudi do deset generacij v prihodnost.
Nismo brez moči nad svojo usodo
Izjemno pomembno je zavedanje, da lahko vsakdo z zdravim življenjem kadarkoli vpliva na lasten epigenom. Epigenetski označevalci niso tako nespremenljivi, kot so denimo mutacije v genetskem zapisu DNK. Raziskovalci se trenutno veliko ukvarjajo s preučevanjem, kako bi lahko vplivali na nekatere škodljive epigenetske spremembe v celicah, ki povzročajo bolezni. Še posebej pri določenih oblikah raka, ki jih sprožijo prav epigenetski označevalci, ki utišajo neprave dele zapisa DNK.
Telo ima posebne gene, ki skrbijo za preprečevanje razvoja tumorjev. Če epigenetski označevalci onemogočijo izražanje takšnega gena, to bistveno poveča možnosti za pojav raka. Zato raziskovalci že preizkušajo različna zdravila, s katerimi bi lahko te gene ponovno aktivirali, če so se slučajno izklopili.
S poskusi na podganah so znanstveniki pokazali tudi, da ljubeča skrb matere v prvih tednih po rojstvu neposredno vpliva na to, kako se bodo kasneje v življenju izražali geni, ki so pomembni za premagovanje stresa. Če podgana prvi teden po rojstvu potomce veliko oblizuje, se bodo epigenetski označevalci gena, ki posredno vpliva na premagovanje stresa v odrasli dobi, odstranili in gen bo postal aktiven. V rani mladosti skrbno negovane živali se znajo v življenju bistveno bolje spopadati s stresom. Če pa žival ne skrbi za svoje potomstvo, se epigenetski označevalci, ki preprečujejo izražanje tega gena, ne bodo odstranili in potomci bodo slabo prenašali stres.
Cap