123RF
Zmiany epigenetyczne są dziedziczone przez wiele pokoleń
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 29.10.2022
Źródło: Katarzyna Czechowicz/PAP, https://doi.org/10.1073/pnas.2209471119
Działy:
Aktualności w Ginekologia
Aktualności
Modyfikacje epigenetyczne mogą być przenoszone poprzez plemniki nie tylko z rodziców na dzieci, lecz także na kolejne pokolenia. Proces ten, nazywany transgeneracyjnym dziedziczeniem epigenetycznym, wyjaśnia, w jaki sposób na zdrowie i rozwój danej osoby mogą wpływać doświadczenia jej rodziców, a nawet dziadków.
Na łamach czasopisma „Proceedings of National Academy of Sciences” ukazała się publikacja naukowców z University of California Santa Cruz dowodząca, że pewna specyficzna modyfikacja białka histonowego, która zmienia sposób, w jaki DNA jest upakowane w chromosomach, może poprzez plemniki przenosić się na kolejne pokolenia.
Zdaniem prof. dr. hab. Tomasza Wojdacza, kierownika Samodzielnej Pracowni Epigenetyki Klinicznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie, jest to odkrycie przełomowe, choć nie do końca zaskakujące. Od dawna podejrzewano bowiem, że podobny mechanizm musi istnieć.
– Od lat badania epidemiologiczne sugerowały, że istnieje epigenetyczny mechanizm dziedziczenia międzypokoleniowego. Tylko on tłumaczyłby np. obserwację, że dzieci i wnuki matek, które zaszły w ciążę w czasie tak zwanej głodowej zimy 1944–1945 w Holandii, mają większe ryzyko niektórych chorób niż poczęte w tym samym czasie dzieci, których matki nie doświadczyły głodu w czasie ciąży – mówi prof. Wojdacz.
Epigenetyka jest nauką badającą zmiany ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Istnieją bowiem czynniki, które są w stanie wpłynąć na poziom ekspresji genów, a poprzez nią także na zdrowie i rozwój organizmu, mimo że nie powodują żadnych modyfikacji w obrębie DNA, a jedynie regulują jego „czytanie”. Do czynników tych zalicza się m.in. metylację DNA oraz modyfikacje białek histonowych.
Niegdyś uważano, że zmiany epigenetyczne nie mogą być dziedziczone. Z roku na rok przybywa jednak dowodów obalających tę tezę. Niestety, nadal mechanizmy związane z dziedziczeniem pamięci epigenetycznej pozostają bardzo słabo poznane.
W swoim najnowszym badaniu naukowcy z US Santa Cruz dowiedli, że wspomniana wyżej zmiana białka histonowego, zwana markerem H3K27me3, powoduje wyłączenie lub przytłumienie dotkniętych nią genów. Co ważne, mechanizm ten obecny jest u wszystkich zwierząt wielokomórkowych – od robaków Caenorhabditis elegans (słynnych modeli w badaniach biologicznych, które były także podstawą tego badania) aż po ludzi.
Na początku naukowcy z grupy prof. Susan Strome selektywnie usunęli marker histonowy H3K27me3 z chromosomów plemników C. elegans. Następnie plemnikami tymi zapłodnili komórki jajowe z „normalnymi” chromosomami. U powstałego w ten sposób potomstwa zaobserwowali nieprawidłowe wzorce ekspresji genów: pozostawały one aktywne, co oznacza, że brak markera H3K27me3 przeniósł się z plemników na organizmy potomne.
Mówiąc inaczej: u potomstwa zmodyfikowanych nicieni geny, które normalnie nie ulegałyby ekspresji (byłyby wyłączone), pozostawały aktywne. Przykładem jest tkanka zarodkowa, w której aktywowały się geny normalnie wyrażane w neuronach.
– We wszystkich analizowanych przez nas tkankach geny ulegały nieprawidłowej ekspresji, ale były to różne geny w różnych tkankach, co oznacza, że kontekst tkankowy determinował, które zostały aktywowane, a które nie – opowiada prof. Strome.
Dalsze analizy chromosomów tkanki zarodkowej potomstwa wykazały, że w genach o podwyższonej ekspresji brakowało „hamującego” markera histonowego, był on natomiast przywrócony w tych genach, których ekspresja nie uległa aktywacji.
– W linii zarodkowej potomstwa niektóre geny uległy nieprawidłowej aktywacji i pozostały w stanie bez represyjnego markera, podczas gdy reszta genomu odzyskała ów marker. Wzór ten został następnie przekazany potomstwu. Podejrzewamy więc, że jeśli dany wzór upakowania DNA zostanie zachowany w linii zarodkowej, może potencjalnie być przekazywany przez wiele pokoleń – wyjaśnia prof. Strome.
Obserwacje kolejnej generacji nicieni (prawnucząt zmodyfikowanych organizmów) pokazały, że mają one wiele efektów rozwojowych, np. niektóre z nich były całkowicie bezpłodne. Różnice między osobnikami wynikają – zdaniem autorów pracy – ze sposobu, w jaki chromosomy są rozdzielane podczas podziałów komórkowych, w czasie których wytwarzane są plemniki i komórki jajowe. Podziały takie skutkują bowiem wieloma różnymi kombinacjami chromosomów, które można przekazać następnemu pokoleniu.
Autorzy pracy podkreślają, że uzyskane wyniki jasno ustalają związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy markerami histonowymi przenoszonymi przez plemniki a ekspresją genów i rozwojem następnych pokoleń – zarówno dzieci, jak i wnuków.
Badacze zaznaczają, że omawiana publikacja stanowi punkt przełomowy w badaniach nad dziedziczeniem epigenetycznym. Jest bowiem wielce prawdopodobne, że opisany w niej mechanizm nie jest specyficzny dla robaków C. elegans, ale występuje u wszystkich innych zwierząt.
– Cytowane badanie opisuje jeden z mechanizmów molekularnych, który tłumaczy dziedziczenie epigenetyczne. Co prawda robi to na organizmie modelowym, ale najprawdopodobniej jest to początek badań mających na celu identyfikację podobnych mechanizmów u innych organizmów, także człowieka – podsumowuje prof. Wojdacz.
Zdaniem prof. dr. hab. Tomasza Wojdacza, kierownika Samodzielnej Pracowni Epigenetyki Klinicznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie, jest to odkrycie przełomowe, choć nie do końca zaskakujące. Od dawna podejrzewano bowiem, że podobny mechanizm musi istnieć.
– Od lat badania epidemiologiczne sugerowały, że istnieje epigenetyczny mechanizm dziedziczenia międzypokoleniowego. Tylko on tłumaczyłby np. obserwację, że dzieci i wnuki matek, które zaszły w ciążę w czasie tak zwanej głodowej zimy 1944–1945 w Holandii, mają większe ryzyko niektórych chorób niż poczęte w tym samym czasie dzieci, których matki nie doświadczyły głodu w czasie ciąży – mówi prof. Wojdacz.
Epigenetyka jest nauką badającą zmiany ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Istnieją bowiem czynniki, które są w stanie wpłynąć na poziom ekspresji genów, a poprzez nią także na zdrowie i rozwój organizmu, mimo że nie powodują żadnych modyfikacji w obrębie DNA, a jedynie regulują jego „czytanie”. Do czynników tych zalicza się m.in. metylację DNA oraz modyfikacje białek histonowych.
Niegdyś uważano, że zmiany epigenetyczne nie mogą być dziedziczone. Z roku na rok przybywa jednak dowodów obalających tę tezę. Niestety, nadal mechanizmy związane z dziedziczeniem pamięci epigenetycznej pozostają bardzo słabo poznane.
W swoim najnowszym badaniu naukowcy z US Santa Cruz dowiedli, że wspomniana wyżej zmiana białka histonowego, zwana markerem H3K27me3, powoduje wyłączenie lub przytłumienie dotkniętych nią genów. Co ważne, mechanizm ten obecny jest u wszystkich zwierząt wielokomórkowych – od robaków Caenorhabditis elegans (słynnych modeli w badaniach biologicznych, które były także podstawą tego badania) aż po ludzi.
Na początku naukowcy z grupy prof. Susan Strome selektywnie usunęli marker histonowy H3K27me3 z chromosomów plemników C. elegans. Następnie plemnikami tymi zapłodnili komórki jajowe z „normalnymi” chromosomami. U powstałego w ten sposób potomstwa zaobserwowali nieprawidłowe wzorce ekspresji genów: pozostawały one aktywne, co oznacza, że brak markera H3K27me3 przeniósł się z plemników na organizmy potomne.
Mówiąc inaczej: u potomstwa zmodyfikowanych nicieni geny, które normalnie nie ulegałyby ekspresji (byłyby wyłączone), pozostawały aktywne. Przykładem jest tkanka zarodkowa, w której aktywowały się geny normalnie wyrażane w neuronach.
– We wszystkich analizowanych przez nas tkankach geny ulegały nieprawidłowej ekspresji, ale były to różne geny w różnych tkankach, co oznacza, że kontekst tkankowy determinował, które zostały aktywowane, a które nie – opowiada prof. Strome.
Dalsze analizy chromosomów tkanki zarodkowej potomstwa wykazały, że w genach o podwyższonej ekspresji brakowało „hamującego” markera histonowego, był on natomiast przywrócony w tych genach, których ekspresja nie uległa aktywacji.
– W linii zarodkowej potomstwa niektóre geny uległy nieprawidłowej aktywacji i pozostały w stanie bez represyjnego markera, podczas gdy reszta genomu odzyskała ów marker. Wzór ten został następnie przekazany potomstwu. Podejrzewamy więc, że jeśli dany wzór upakowania DNA zostanie zachowany w linii zarodkowej, może potencjalnie być przekazywany przez wiele pokoleń – wyjaśnia prof. Strome.
Obserwacje kolejnej generacji nicieni (prawnucząt zmodyfikowanych organizmów) pokazały, że mają one wiele efektów rozwojowych, np. niektóre z nich były całkowicie bezpłodne. Różnice między osobnikami wynikają – zdaniem autorów pracy – ze sposobu, w jaki chromosomy są rozdzielane podczas podziałów komórkowych, w czasie których wytwarzane są plemniki i komórki jajowe. Podziały takie skutkują bowiem wieloma różnymi kombinacjami chromosomów, które można przekazać następnemu pokoleniu.
Autorzy pracy podkreślają, że uzyskane wyniki jasno ustalają związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy markerami histonowymi przenoszonymi przez plemniki a ekspresją genów i rozwojem następnych pokoleń – zarówno dzieci, jak i wnuków.
Badacze zaznaczają, że omawiana publikacja stanowi punkt przełomowy w badaniach nad dziedziczeniem epigenetycznym. Jest bowiem wielce prawdopodobne, że opisany w niej mechanizm nie jest specyficzny dla robaków C. elegans, ale występuje u wszystkich innych zwierząt.
– Cytowane badanie opisuje jeden z mechanizmów molekularnych, który tłumaczy dziedziczenie epigenetyczne. Co prawda robi to na organizmie modelowym, ale najprawdopodobniej jest to początek badań mających na celu identyfikację podobnych mechanizmów u innych organizmów, także człowieka – podsumowuje prof. Wojdacz.
Przegląd Menopauzalny
