Author(s): Brona McVittie
Μετάφραση από: Ευαγγελία Παπαδοπούλου Έχουμε την τάση να πιστεύουμε ότι η γενετική μας πληροφορία είναι κωδικοποιημένη στο DNA – στα γονίδιά μας. Η Brona McVittie από το…
Πώς η επιγενετική διαμορφώνει τη ζωή
… μπαίνεις στον πειρασμό να αναρωτηθείς εάν αυτό το σχοινί από ζάχαρη με χάντρες βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης είναι στην πραγματικότητα, ο Θεός.
James Watson
Περισσότερα από 50 χρόνια έχουν περάσει από τότε που ο James Watson και ο Francis Crick δημοσίευσαν για πρώτη φορά την τρισδιάστατη δομή της διπλής έλικας του DNA. Με την εξελικτική θεωρία του Δαρβίνου να είναι ευρέως διαδεδομένη, η ανακάλυψη ότι το DNA κωδικοποιεί κληρονομούμενα χαρακτηριστικά έχει αποδειχθεί δημοφιλής. Όταν πέθανε ο Crick το 2004, η ευρεία κάλυψη από τα ΜΜΕ έδειξε πόσο οι ιδέες αυτές είναι αποδεκτές πέρα από την επιστημονική κοινότητα. Εντούτοις, έχουμε συνειδητοποιήσει ότι οι γονιδιοκεντρικές προσεγγίσεις της εξελικτικής θεωρίας είναι περιορισμένης εμβέλειας. Το γενετικό σχέδιο, όπως μία πολύπλοκη παρτιτούρα, παραμένει άψυχο χωρίς μια ορχήστρα κυττάρων (παίκτες) και επιγονοτύπων (όργανα) να το εκφράσουν.
Η επιστήμη αποκαλύπτει τώρα τι παίζει την γενετική μας παρτιτούρα, και απ’ ότι φαίνεται αυτή η παράσταση μπορεί να αλλάξει δραστικά μεταξύ γενεών χωρίς καμία αλλαγή στην αλληλουχία του DNA. Το πεδίο της επιγενετικής επιδιώκει να προσδιορίσει πώς η λειτουργία του γονιδιώματος επηρεάζεται από μηχανισμούς που ρυθμίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα γονίδια επεξεργάζονται. Οι επιγενετικοί παράγοντες περιλαμβάνουν τόσο χωρικά μοτίβα, όπως η οργάνωση του DNA γύρω από τις ιστονικές πρωτεΐνες (χρωματίνη), όσο και τη βιοχημική σήμανση.
Υπάρχουν εκατοντάδες διαφορετικοί τύποι κυττάρων στα σώματά μας. Αν και καθένα απ’ αυτά προέρχεται από το ίδιο αρχικό σημείο, τα χαρακτηριστικά ενός νευρώνα είναι πολύ διαφορετικά από αυτά ενός ηπατικού κυττάρου.
Με περίπου 30.000 γονίδια στο ανθρώπινο γονιδίωμα, η σημασία της αποσιώπησης, όπως και σε κάθε παράσταση ορχήστρας, δεν πρέπει να υποτιμάται. Καθώς αναπτύσσονται τα κύτταρα, η μοίρα τους ελέγχεται από την επιλεκτική αποσιώπηση των γονιδίων. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται από επιγενετικούς παράγοντες. Μοτίβα μεθυλίωσης του DNA, η προσθήκη μιας μεθυλομάδας, παίζουν ρόλο σε όλων των ειδών φαινόμενα στα οποία τα γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται, από μια πιτσιλιά μωβ χρώματος σε ένα πέταλο πετούνιας μέχρι την ανάπτυξη καρκινικών όγκων.
Αποτυχία στην αποσιώπηση γονιδίων μπορεί να προκαλέσει μια επικίνδυνη κακοφωνία. Μη φυσιολογικά μοτίβα μεθυλίωσης του DNA μπορούν να αλλάξουν την χωρική διάταξη της χρωματίνης. Αυτό με τη σειρά του επηρεάζει ποια γονίδια αποσιωπούνται μετά την κυτταρική διαίρεση. Η υπερμεθυλίωση μπορεί να αναστείλει τη δουλειά που κάνουν προστατευτικά ογκοκατασταλτικά γονίδια και γονίδια επιδιόρθωσης του DNA. Τέτοιες επιμεταλλαγές έχουν παρατηρηθεί σε ένα μεγάλο εύρος καρκίνων. Αυτή η επιγενετική γνώση ανοίγει νέες θεραπευτικές οδούς προς εξερεύνηση.
Η επιγενετική παρέχει επίσης ένα μέσο με το οποίο το γενετικό υλικό μπορεί να αποκριθεί στις αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών. Αν και τα φυτά δεν έχουν νευρικό σύστημα ή εγκέφαλο, τα κύτταρά τους έχουν την ικανότητα να απομνημονεύουν εποχικές αλλαγές. Σε κάποια διετή είδη, αυτή η ικανότητα συνδέεται με τη δυνατότητά τους να ανθίζουν την άνοιξη, όταν ανιχνεύονται θερμότερες περιβαλλοντικές θερμοκρασίες. Η έρευνα έχει δείξει πώς η έκθεση στο κρύο κατά τη διάρκεια του χειμώνα πυροδοτεί δομικές αλλαγές στην χρωματίνη που αποσιωπούν τα γονίδια της άνθισης στην αραβίδοψη. Αυτά τα γονίδια επανενεργοποιούνται την άνοιξη όταν οι μεγαλύτερες μέρες και η ζέστη είναι πιο ευνοϊκές για την αναπαραγωγή.
Το περιβάλλον μπορεί επίσης να προκαλέσει επιγενετικές αλλαγές που επηρεάζουν μελλοντικές γενιές. Πρόσφατες εργαστηριακές μελέτες σε ομομικτικά ποντίκια έδειξαν πώς αλλαγές στην διατροφή τους μπορεί να επηρεάσουν τον απόγονό τους. Η γούνα τους μπορεί να είναι καφέ, κίτρινη ή πολύχρωμη ανάλογα με το πώς το γονίδιο agouti είναι μεθυλιωμένο κατά την εμβρυική ανάπτυξη. Όταν έγκυες μητέρες τρέφονταν με συμπληρώματα διατροφής πλούσια σε μεθυλομάδες όπως το φολικό οξύ και η βιταμίνη Β12, τα μικρά τους ανέπτυξαν κυρίως καφέ γούνα. Τα περισσότερα μωρά που γεννήθηκαν από τα ποντίκια μάρτυρες (στα οποία δεν είχαν δοθεί τα συμπληρώματα) είχαν κίτρινη γούνα.
Ακριβώς όπως ο μαέστρος μιας ορχήστρας ελέγχει τη δυναμική μιας συμφωνικής ερμηνείας, οι επιγενετικοί παράγοντες ελέγχουν την ερμηνεία του DNA μέσα σε κάθε ζωντανό κύτταρο. Η κατανόηση αυτών των παραγόντων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην εξελικτική και αναπτυξιακή βιολογία, κι έτσι να επηρεάσει εφαρμογές σε πεδία από την ιατρική μέχρι και τη γεωργία. Προς απάντηση του Watson, «Η γενετική αλφαβήτα μοιάζει περισσότερο στον λόγο του Θεού, και η μετάφρασή της στο χέρι Του.»
«Κάποιες στιγμές στη ζωή τους έχουν οπωσδήποτε πασχίσει να γίνουν αντιληπτοί ως μια μονάδα και κάποιες άλλες φαίνεται ότι ήθελαν τους ανθρώπους να αναγνωρίσουν τις διαφορές τους και να τους σέβονται ως ξεχωριστές οντότητες,» λέει ο Jim για τους φίλους του Gavin και Jason. Ο Gavin και ο Jason είναι πανομοιότυπα δίδυμα. Ο ένας είναι κυριολεκτικά κλώνος του άλλου.
Οι ομοιότητές τους δεν μπορούν να αμφισβητηθούν, αλλά όταν τους γνώρισα για πρώτη φορά, κατάλαβα ότι ήταν εντελώς διαφορετικοί άνθρωποι. Αν τους είχα γνωρίσει μερικά χρόνια αργότερα, αμφιβάλλω αν θα μπορούσα να τους ξεχωρίσω.
Τα μονοζυγωτικά (πανομοιότυπα) δίδυμα προκύπτουν με συχνότητα 1 για κάθε 250 γεννήσεις παγκοσμίως. Για άγνωστους ακόμα λόγους, ένα γονιμοποιημένο ωάριο κλωνοποιεί τον εαυτό του και δίνει δύο ξεχωριστά έμβρυα. Το καθένα θα ξεκινήσει και θα τελειώσει τη ζωή του με την ίδια γενετική σύνθεση, αλλά καθώς μεγαλώνουν και αναπτύσσονται θα βιώσουν διαφορές στο περιβάλλον τους, κάποιες απ’ τις οποίες μπορεί να αλλάξουν την εμφάνιση και την συμπεριφορά τους.
Ο Gavin και ο Jason έχουν ακριβώς το ίδιο DNA. Αν ο ένας διέπραττε ένα έγκλημα και άθελά του άφηνε δείγματα για εγκληματολογική ανάλυση, θα ήταν αδύνατο να προσδιοριστεί ο ένοχος από την ανάλυση του γενετικού αποτυπώματος. Εντούτοις, πιο προσεκτικός έλεγχος των μορίων τους μπορεί να αποκαλύψει σημαντικές διαφορές. Αν και οι δύο μοιράζονται τα ίδια γονίδια, πρόσφατα στοιχεία υποδεικνύουν ότι μερικά γονίδια μπορεί να είναι ενεργά στον ένα δίδυμο, αλλά όχι στον άλλο. Μπορεί να είναι ταυτόσημοι γενετικά, αλλά όχι επιγενετικά.
Τέτοιες διαφορές είναι ορατές στο μοριακό επίπεδο όπου τα χρωμοσώματα οργανώνονται διαφορετικά μέσα στον πυρήνα του κάθε κυττάρου. Μπλεγμένο γύρω από μικροσκοπικές πρωτεϊνικές μπάλες (ιστόνης), το ίδιο σχοινί DNA μπορεί να έχει διαφορετικές συνέπειες για ένα κύτταρο. Τόσο οι μπάλες όσο και το σχοινί παίρνουν πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές ανάλογα με τις βιοχημικές τροποποιήσεις. Μια ποικιλία μικρών μορίων μπορεί να επηρεάσει την πυρηνική οργάνωση προσκολλώντας στο DNA και στις εμπλεκόμενες με αυτό ιστόνες. Τέτοιες τροποποιήσεις επηρεάζονται από το περιβάλλον και ιδιαίτερα από τη διατροφή μας.
Η βιοχημική προσαρμογή του γονιδιώματος καθορίζει ποια γονίδια ενεργοποιούνται, συνεπώς τα δίδυμα δεν είναι γεννημένα για να μοιραστούν την ίδια μοίρα. Πρόσφατη έρευνα (Fraga et al., 2005) σε περίπου 80 διαφορετικά ζεύγη μονοζυγωτικών διδύμων έχει αποκαλύψει ότι το DNA τους είναι σημασμένο με διαφορετικό τρόπο από ένα μικροσκοπικό μόριο που ονομάζεται μεθυλομάδα. Οπότε δεν είναι ακριβώς αλήθεια να πούμε ότι είναι πανομοιότυποι. Επιπροσθέτως, οι διαφορές αυτές ήταν πολύ περισσότερο αισθητές σε δίδυμα μεγαλύτερης ηλικίας απ’ ότι σε νεότερα.
Αυτό είναι νέο υλικό για τη μακροχρόνια συζήτηση πάνω στο πόσο το περιβάλλον επηρεάζει την μοίρα μας που σχετίζεται με τα γονίδιά μας. Αν και οι ομοιότητες μεταξύ πανομοιότυπων διδύμων είναι πιο εντυπωσιακές από τις διαφορές, οι ανισότητές τους θα μπορούσαν να προσφέρουν καινούργιες οδούς για έρευνα των ασθενειών. Για παράδειγμα, αν και ο Gavin και ο Jason είναι και οι δύο επιρρεπείς για διαβήτη τύπου ΙΙ, ο Jason πρόσφατα εισήχθη στο νοσοκομείο με λοίμωξη του παγκρέατος και έπρεπε να κάνει ενέσεις ινσουλίνης μετέπειτα για κάποιο διάστημα. Οι γιατροί δεν ήταν σε θέση να κάνουν πιο συγκεκριμένη διάγνωση. Αν ήταν εξοπλισμένοι με καλύτερα διαγνωστικά εργαλεία, όπως αυτά που προσφέρονται από την πρόοδο στην επιγενετική έρευνα, μπορεί να ήταν δυνατό να σκιαγραφήσουν το προφίλ των διδύμων και να εξακριβώσουν τι δεν πήγαινε καλά με τον Jason.
References
Fraga MF et al. (2005) Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102: 10604-10609. doi: 10.1073/pnas.0500398102
Web References
Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την επιγενετική είναι διαθέσιμες στον πολύγλωσσο ιστότοπο Epigenome NoE.
Review
Παραδοσιακά, τα πανομοιότυπα δίδυμα θεωρούνται ταυτόσημα σε κάθε άποψη της σύνθεσής τους, μέχρι και τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το DNA τους. Η συζήτηση πάνω στη «φύση εναντίον αγωγής» έχει επιμείνει για πολλά χρόνια, με πολλές μελέτες να εξετάζουν πανομοιότυπα δίδυμα τα οποία είχαν χωριστεί στη γέννα και ανατραφεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα για να δουν πώς διαφέρουν. Επιτέλους φαίνεται ότι υπάρχουν ακράδαντες αποδείξεις ότι η ανατροφή ή οι περιβαλλοντικές πιέσεις επηρεάζουν πώς το DNA μεθυλιώνεται ή αποσιωπάται στο γονιδίωμα, οδηγώντας σε λεπτές αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση. Αυτές οι επιγενετικές αλλαγές, που επηρεάζουν την οργάνωση του DNA γύρω από τις ιστονικές πρωτεΐνες και τη βιοχημική του σήμανση, μπορούν να επηρεαστούν από κάτι τόσο απλό όπως η διατροφή ή, στα φυτά, από εποχικές αλλαγές. Η ανακάλυψη αυτού του φαινομένου σημαίνει ότι πανομοιότυπα δίδυμα μπορούν, για παράδειγμα, να αντιδράσουν διαφορετικά στο ίδιο φάρμακο. Η έρευνα για το πώς η λειτουργία του γονιδιώματος επηρεάζεται από την αποσιώπηση γονιδίων είναι συνεπώς ένας αναπτυσσόμενος και σημαντικός κλάδος.
Αν και ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης όσον αφορά το οπερόνιο ‘lac’ περιλαμβάνεται σε κάποια προγράμματα σπουδών, η μεθυλίωση του DNA ως ένας τρόπος γονιδιακού ελέγχου δεν λαμβάνεται υπόψιν σε προγράμματα σπουδών βιολογίας προχωρημένου επιπέδου του Ηνωμένου Βασιλείου. Αναφέρεται σε βιβλία στο πλαίσιο της μεθυλίωσης του βακτηριακού DNA, η οποία συμβαίνει για να αποτραπούν οι ίδιες του οι ενδονουκλεάσες από το να κόψουν το ενδογενές DNA. Η ιδέα της αποσιώπησης γονιδίων με μεθυλίωση θα μπορούσε να παρουσιαστεί σε μαθήματα γενετικής ως ερώτημα «πόσο πανομοιότυπα είναι τα πανομοιότυπα δίδυμα;» Οι περισσότεροι μαθητές θα πρέπει να έχουν επίγνωση της «φύσης εναντίον αγωγής» στην ανατροφή των διδύμων, αλλά αυτό πλέον μπορεί να επεκταθεί. Ίσως είναι δυνατό να εισαχθεί και η ιδέα ότι η μεθυλίωση του DNA απενεργοποιεί ένα από τα Χ χρωμοσώματα στα θηλυκά.
Shelley Goodman, Ηνωμένο Βασίλειο