Z dziedziny badań nad mechanizmami epigenetycznymi

Skutki urazu psychicznego w wyniku działania stresu przeszły na potomstwo myszy, a informacja ta została przekazana do następnych pokoleń za pośrednictwem informacji epigenetycznej zawartej w plemnikach.

http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/inheritance/

Wąskie zrozumienie genetyki przez biologów, a w tym neodarwinistów: 1 gen = 1 białko nazywano „Centralnym Dogmatem Biologii” i pogląd taki dominował przez długie lata na salach uniwersytetów, gdzie wykładano nauki przyrodnicze. Ale czy takie wąskie postrzeganie genetyki pasuje do nowych obserwacji? Wiele już tutaj pisałem o nowych odkryciach w dziedzinie genetyki; o podwójnym zapisie w kodzie genetycznym. Pisałem też o wielu przykładach działania mechanizmów epigenetycznych czy o tzw. „śmieciowym DNA”, które okazało się niezbędnym wyposażeniem genomów. Ponieważ zapisane są w nim różne instrukcje dotyczące rozwoju embrionalnego i mechanizmów epigenetycznych te sekwencje można traktować na równi z resztą DNA, które koduje czynniki odpowiedzialne za metabolizm.

Coraz większy postęp w dziedzinie biotechnologii pozwala coraz częściej i dokładniej namierzać i badać, jakie czynniki molekularne są odpowiedzialne za dziedziczenie epigenetyczne. Nie są to mechanizmy, jakie miał na myśli Lamarck czy Karol Darwin, który wierzył mniej więcej w to samo, co i ten pierwszy. Do hipotezy Lamarcka dorzucił jedynie postulat o „wszechmogącej” roli doboru naturalnego w ewolucji. Okazuje się jednak, że w ramach normy reakcji na wymogi środowiska organizmy za pomocą naturalnej inżynierii komórkowej potrafią sterować własną ewolucją, a skutki tych procesów mogą się dziedziczyć na przestrzeni wielu pokoleń.

Od czasu powstania syntezy neodarwinowskiej, w której rozważania ekologiczne Karola Darwina, dotyczące udziału doboru naturalnego w ewolucji, połączono z wiedzą o mutacjach i genetyce populacji, ewolucjoniści byli przekonani, że postęp ewolucyjny, który się miał przekładać na stopniowy wzrost złożoności w biologii, jest jedynym możliwym mechanizmem ewolucji. Z tego też powodu wcześniej wszelkie przejawy działania mechanizmów epigenetycznych interpretowano, jako działanie mechanizmów neodarwinowskich. Patrzenie na biologię przez neodarwinowskie okulary skutkowało takimi pomysłami, jak postulowanie istnienia „śmieciowego DNA” czy „99% podobieństwo genetyczne między szympansami i ludźmi”.

Centralny dogmat biologii

Biolodzy przez dłuższy czas utrzymywali, że DNA zawiera tylko i wyłącznie instrukcje dotyczące syntezy białek. Okazało się jednak, że fragmenty kodujące białka stanowią zaledwie około 2% genomu. Po co nam pozostałe 98% DNA? Jak powiedział John Mattick z Instytutu Biologii Molekularnej Uniwersytetu Stanu Queensland w Brisbane (Australia), tę zagadkową część DNA „natychmiast zaczęto uważać za ewolucyjne śmieci”.

Co nikogo nie powinno dziwić, ponieważ z powodu chronicznego braku postępów w biologii ewolucyjnej, jej zwolennicy są zmuszeni do szukania „dowodów” na ewolucję w lukach ludzkiej wiedzy. A więc neodarwiności wymyślili sobie, że rozwojem złożonych organizmów zarządza jedynie jakieś 2% DNA, natomiast 98% to śmieci, które ewentualnie mogą być wykorzystywane, jako materiał, na którym pracuje dobór naturalny. Spekulacjom nie było końca.

Np. ruchome elementy DNA, tak zwane transpozony czy retrotranspozony, traktowano jak pasożytnicze DNA, które porównywano np. do tasiemców. Teraz wiadomo, że biorą one udział w regulacji ekspresji genów. Jak się okazało mechanizmy epigenetyczne, a najprawdopodobniej wiele jeszcze nieodkrytych, które z tymi mechanizmami współpracują, są odpowiedzialne za takie procesy, jak różnicowanie się pod względem dostosowania i morfologii, specjacji czy za odzyskiwanie wzroku przez ryby jaskiniowe, których potomstwo powróciło do oświetlonego środowiska.

Jak ta koncepcja wpłynęła na badania genetyków? Zdaniem biologa molekularnego Wojciecha Makałowskiego wspomniany pogląd „odstręczył większość badaczy od zajmowania się niekodującym („śmieciowym”) DNA”, a więc neodarwiniści wyraźnie przyczyniali się do braku w postępie naukowym. Tylko nieliczni naukowcy,narażając się na wyśmianie, zgłębiali to niepopularne zagadnienie. Dzięki ich wysiłkom na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku zaczęto inaczej postrzegać „śmieciowe” DNA”. Makałowski podkreśla, że to, co niegdyś uważano za „śmieci”, teraz biolodzy zazwyczaj nazywają „genomowymi klejnotami”.

Jak twierdzi John Mattick, teoria o „śmieciowym” DNA to klasyczny przykład „ignorowania faktów przez dominujący trend w nauce”. Dodaje też: „Niezauważone następstwa tych faktów (…) [mogą] z powodzeniem przejść do historii jako jedna z największych pomyłek w historii biologii molekularnej” (Świat Nauki, grudzień 2003). Nie ulega zatem wątpliwości, że prawdę naukową trzeba ustalać na podstawie dowodów, a nie — popularnych poglądów.

Skoro tak, to co o roli „śmieciowego” DNA mówią wyniki najnowszych badań? Jak już wspomniano w niniejszym artykule pokazują nam, jaką rolę pełnią te sekwencje w rozwoju embrionalnym oraz w mechanizmach epigenetycznych, które zarówno mogą brać udział podczas rozwoju embrionalnego, jak i podczas życia osobniczego, dostosowując dany organizm do zmiennych wymogów środowiska i przekazywać tą nabytą cechę, w wyniku naturalnej biotechnologii komórkowej, następnym pokoleniom.

Zaburzenie pracy tych mechanizmów np. stresem może skutkować zmianami patologicznymi, które też się dziedziczą na przyszłe pokolenia. Ta wiedza mówi nam bardzo wiele, a jej konsekwencje mogą być bardzo zaskakujące. Jak się okazuje takie choroby, jak depresja czy skłonności do nałogów mogą być skutkiem postępowania naszych przodków.

W ostatnim czasie szybko posuwający się postęp w dziedzinie badań nad myszami doprowadził do nowego okrycia. Isabelle Mansuy, neurolog z Uniwersytetu w Zurychu w Szwajcarii oraz koledzy oddzielali młode myszy od matki i poddawali je różnym nieprzyjemnym zabiegom, które wywoływały u nich traumatyczny stres (nie ma potrzeby ich tutaj opisywać. Każdy może sięgnąć w tym celu do źródła).

Męskie potomstwo wykazywało później zachowania depresyjne oraz tendencje do zachowań ryzykownych. Ponadto badanie wykazało, że w ich nasieniu (plemnikach) nastąpiła nienormalna ekspresja pięciu mikroRNA. Aktywność jednego z nich (miR-375) została połączona ze stresem i regulacją metabolizmu.

Męskie potomstwo z pokoleń: F1, F2 (pierwsze i drugie pokolenie) wykazało podobne zachowania depresyjne, a także nieprawidłowy metabolizm cukru. Myszy, które się urodziły w pokoleniach: F1 i F2 miały również nienormalny poziom pięciu mikroRNA we krwi i w hipokampie, w regionie mózgu który bierze udział w reakcji na stres. Takie same efekty behawioralne spowodowane tymi samymi czynnikami molekularnymi zaobserwowano również w pokoleniu F3.

Badacze brali pod uwagę różne możliwości. Założyli, że skutki zachowań depresyjnych mogą być dziedziczone społecznie, a nie epigenetycznie. Żeby wykluczyć taką ewentualność w tym celu pobrano RNA z plemników od samców z pokolenia: F1 i wstrzyknięto je do świeżo zapłodnionych jaj u myszy. To spowodowało, że myszy urodziły się z zachowaniami depresyjnymi, jak u wcześniej opisanych pokoleń.

Źródło

Streszczenie oryginalnego artykułu z ‚Nature’:

http://www.nature.com/news/sperm-rna-carries-marks-of-trauma-1.15049

„Małe niekodujące RNA (sncRNAs) są potencjalnymi wektorami (przenośnikami/ mediatorami), które uczestniczą w komunikacji między aparatem genetycznym i środowiskiem. Okazało się, że traumatyczny stres we wczesnym okresie życia myszy zmienia u nich wzory ekspresji mikroRNA (miRNA), a tym samym reakcje behawioralne i metaboliczne u ich potomstwa. Pobranie tego RNA od samców, które były wystawione na oddziaływanie czynników stresowych i wstrzyknięcie go do świeżo zapłodnionych komórek jajowych powoduje zmiany behawioralne (w zachowaniu (chodzi o zachowania traumatyczne) oraz zmiany w metabolizmie.”

Zobacz też

Metylacja histonów

http://arabidopsis.pl/res/chromatin/node12.html

Metylacji podlegają histony rdzeniowe H2B, H3 i H4. Modyfikacja ta związana jest z acetylacją (Hendzel i Davie, 1989), choć występowanie obu tych modyfikacji nie jest od siebie uzależnione. Metylacja histonów jest modyfikacją stosunkowo trwałą i podlegającą powolnym przemianom. Analiza nieodwracalnej metylacji i odwracalnej fosforylacji histonu H1 w cyklu komórkowym u śluzowca Physarum polycephalum pozwoliła na stwierdzenie, że metylacja zachodzi wcześniej niż fosforylacja (Jerzmanowski i Maleszewski, 1985). Istnieją przesłanki do przypuszczeń, że metylacja związana jest z aktywacją transkrypcyjną, a być może również z procesami nowotworowymi, przynajmniej w modelowej ludzkiej linii komórkowej HeLa (Annunziato i wsp., 1995).