Co to jest epigenetyka?

Epigenetyka stała się ostatnio modnym słowem. Okazuje się bowiem, że już nie tylko struktura chemiczna samych genów, ale subtelne zmiany na poziomie ekspresji tychże wpływają na nasze zachowanie, podatność na choroby czy postrzeganie świata.

Epigenetyka stanowi gałąź nauki badającej dziedziczne cechy wprowadzone do organizmu poprzez biochemiczne modyfikacje sekwencji DNA lub białek histonowych. Zmiany te warunkują zmienną ekspresję materiału genetycznego. Badanie takich modyfikacji jest coraz bardziej popularne w trakcie opracowywania nowych metod terapeutycznych, m.in. w przypadku choroby nowotworowej czy chorób neurodegeneracyjnych.

Epigenetyka to pojęcie oznaczające badanie dziedziczenia pozagenowego. Jest to nauka zajmująca się dziedziczonymi
zmianami ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji DNA.

Aby dokładnie zrozumieć, czym jest epigenetyka trzeba zapoznać się z mechanizmami biologicznymi kontrolowania ekspresji genów. Kod genetyczny zbudowany jest z czterech rodzajów nukleotydów: cytozyny, adeniny, guaniny i tyminy. Nukleotydy tworzą dwie nici, które okręcają się wokół siebie, tworząc prawoskrętną „podwójną helisę”. Jak wiemy, nukleotydy jednej nici muszą być komplementarne w stosunku do drugiej. Tak w wielkim uproszczeniu wygląda nasz kod genetyczny. W rzeczywistości jednak kwas deoksyrybonukleinowy nawinięty jest na zasadowe białka — histony. DNA i histony tworzą nukleosom, który w wyniki dalszego zwijania i upakowywania daje chromatynę, a ta tworzy chromosomy. Sposób upakowania DNA daje możliwość kontroli jego odczytywania.

Termin epigenetyka został zaproponowany przez C.H. Waddingtona w  1942 roku dla wyjaśnienia mechanizmów oddziaływania pomiędzy genami i ich produktami w powstawaniu fenotypu (mechanizmów różnicowania w rozwoju organizmów). Słowo epigenetyka powstało z połączenia słów epigeneza oraz genetyka.

Do głównych modyfikacji genetycznych zmieniających ekspresję genów można zaliczyć:

• Modyfikacje epigenetyczne na poziomie nici DNA, powiązane najczęściej z metylacją miejsc promotorowych dla genów. Modyfikacja ta należy do najtrwalszych zmian biochemicznych prowadzących do wyciszenia ekspresji genów. Może do tego dojść przez dwa mechanizmy: blokowanie przyłączenia koaktywatorów transkrypcyjnych lub poprzez przyłączenie białek MBD (ang. metyl CpG-binding domain) wiążących grupy metylowe.
• Modyfikacje epigenetyczne histonów, powiązane z potranslacyjnymi zmianami reszt aminokwasowych histonów. Stanowią one białka zasadowe, o charakterystycznych właściwościach oddziaływania z nicią DNA, tworząc oktamery histonowe (H2A, H2B, H3 oraz H4) z nawiniętym łańcuchem materiału genetycznego. W strukturze histonów wyróżniamy część globularną (najbardziej konserwatywną) oraz N-aminowy i C-karboksylowy koniec, które najczęściej podlegają modyfikacjom biochemicznym (acetylacja, metylacja, fosforylacja, ubikwitynacja itp.), co powiązane jest ze zmianami aktywności transkrypcyjnej chromatyny. Najczęściej opisywanymi zmianami na poziomie histonów jest acetylacja reszt lizyny leżących w strukturze N-końcowej, co rozluźnia strukturę chromatyny oraz zwiększa aktywność transkrypcyjną takiej sekwencji. Odwrotnym procesem, zmniejszającym aktywność materiału genetycznego jest deacetylacja, która wraz z acetylacją utrzymuje homeostazę organizmu poprzez wpływ m.in. na wzrost, rozwój i różnicowanie komórek. Fosforylacja natomiast, poprzez rozluźnienie struktury chromatyny, również wpływa na wzrost aktywności transkrypcyjnej genów.

Uczeni są zdania, że oprócz zapewne wielu różnych związków to m.in. cholina decyduje, który gen zostanie aktywowany w komórce.

Cholina jest organicznym związkiem chemicznym, który – jak się wydaje – dostarcza sterowników genetycznych, czyli grup metylowych. Buduje ona błony komórkowe i wspiera rozwój układu nerwowego (jest prekursorem acetylocholiny, cennego dla mózgu neuroprzekaźnika).