Co je epigenetika

Co je epigenetika

Epigenetika je mladý vědní obor zabývající se vlivy na naši genetickou informaci, které rozhodují o tom, jestli určitý gen v našem těle bude či nebude „přečten“ a tedy jestli se vůbec bude moci projevit. Pojďme se proto seznámit s mechanismy, které dokáží geny vypínat a zapínat, a tím rozhodovat o tom, které z nich se projeví.

Na samotném počátku našeho života došlo ke spojení pohlavních buněk našich rodičů – spermie a vajíčka. Toto vajíčko obsahovalo polovinu genetické informace naší matky (23 chromozomů), spermie polovinu genetické informace našeho otce. Jejich spojením pak vzniklo 46 chromozomů nesoucích unikátní sloučeninu – deoxyribonukleovou kyselinu neboli DNA, která obsahuje všechny informace, podle kterých se vyvíjelo naše tělo a podle kterých i nadále běží všechny biochemické reakce v našem organismu.

Jak se původní oplodněné vajíčko v těle matky dále dělilo, vznikaly postupně stovky, tisíce a milióny nových buněk a všechny ve svém jádru nesly tutéž DNA. A totožnou molekulu mají všechny buňky našeho těla i dnes.

Jak se čte DNA

Molekula DNA v sobě obsahuje úseky, které se nazývají geny. Podle nich jsou vytvářeny bílkoviny, což je vlastně podstatou projevu příslušného genu. Nejprve je přitom podle příslušného genu vytvořena molekula ribonukleové kyseliny neboli RNA (tento proces se odborně nazývá transkripce) a podle ní je pak z jednotlivých aminokyselin vytvářena příslušná bílkovina (tzv. translace).

V DNA přitom máme geny dvou typu – strukturní a regulační. Ty první zjednodušeně řečeno rozhodují o tom, jak budeme vypadat, tedy jak budeme vysocí, jaká bude barva našich očí a vlasů… Podle regulačních genů jsou pak převážně tvořeny enzymy, které řídí průběh všech biochemických reakcí v našem organismu.

Ne každý gen se ovšem nakonec projeví. Některé geny v naší DNA jsou totiž zapnuté a může podle nich probíhat syntéza bílkovin, zatímco další jsou vypnuté a naše tělo je nedokáže „přečíst“.

Existuje spousta vlivů, které mohou zapínání a vypínání genů ovlivnit, mají však jedno společné – jde o vlivy vnější mimo příslušné geny. Zejména jde o výživu, životní styl, vliv toxinů v ovzduší a potravě, ale pravděpodobně i o emoční vlivy. Věda, která se jimi zabývá, se jmenuje epigenetika.

Zajímavé je přitom i to, že na jednu stranu je řada epigenetických změn vratných, ale na druhou stranu se tyto změny mohou i dědit (5, 15).

Od početí ke stáří

První epigenetické mechanismy se začnou uplatňovat již krátce po početí. Jak už jsme totiž řekli, všechny buňky v našem těle mají stejnou DNA, ale přitom ve výsledku rozhodně stejné nejsou – například buňky svalové, nervové či kostní se od sebe liší zcela zásadně.

Je to tím, že na DNA již od prvních dnů působí chemické reakce, zejména acetylace histonů a metylace genů (blíže si je popíšeme dále v textu). Ty některé z genů vypínají a zapínají a tím umožňují tzv. diferenciaci buněk. (1,2, 13) Ve výsledku je tak při vzniku každé buňky přečteno jen asi 1,5 % genů, které jsou v její DNA obsaženy.

Ne všechny procesy vedoucí k vypínání a zapínání genů jsou však v průběhu nitroděložního vývoje žádoucí. Spousta vnějších vlivů v této době může naopak spustit negativní epigenetické procesy. Je například prokázáno, že špatná výživa matky v těhotenství zvyšuje u dětí výrazní náchylnost k obezitě, diabetu a srdečně cévním onemocněním (4, 14).

Výrazný vliv vnějšího prostředí pokračuje i v raném dětství, kdy probíhá bouřlivý vývoj mozku i celého těla. Zajímavé přitom je, že „čtení“ genů mohou prostřednictvím epigenetických mechanismů ovlivňovat nejen chemické a fyzikální vlivy (výživa, životní prostředí), ale i vlivy emoční. Traumata a silné negativní zážitky v novorozeneckém a kojeneckém věku tak například mohou výrazně zvýšit náchylnost k některým vážným civilizačním onemocněním (16). Epigenetické podstaty je pravděpodobně také vznik některých potravních a dalších alergií (17).

Dalším kritickým obdobím, kdy je organismus na negativní epigenetické velmi změny náchylný, je puberta. Výrazný vliv má i zde výživa – studie zkoumající vliv opakovaných hladomorů ve švédské oblasti Norrbotten v 19. století například prokázala, že když byl člověk vystaven kritickému nedostatku potravy jako teeneager, zvýšilo se riziko předčasného úmrtí dokonce i u jeho vnuků (5).

Možnosti jak ovlivnit přepis důležitých genů ovšem existují i v dospělosti, byť nejsou tak výrazné jako v dětství. Jak už jsme totiž uvedli, velká část epigenetických procesů je vratná. Sice už nemůžeme ovlivnit tzv. strukturní geny (například tělesnou výšku už tedy nezměníme), můžeme ale ovlivnit třeba geny, které rozhodují o naší náchylnosti k různým chorobám. Pomocí cílené výživy a dalších opatření lze tak například zapnout tumorsupresorové geny, které mají v těle za úkol potlačovat nádorové bujení (18).

Epigenetické mechanismy

A nyní už si ve stručnosti představíme nejdůležitější mechanismy, kterými lze zapínat a vypínat některé geny a ovlivnit tak například naši náchylnost k určitým chorobám, fyzickou i psychickou kondici či rychlost procesů stárnutí.

Metylace genů

Metylace je chemická reakce, která spočívá v navázání metylové skupiny -CH3. Zde se tato skupina váže na cytosin, což je jedna ze čtyř tzv. bazí, jejichž pořadí v DNA kóduje genetickou informaci. Metylaci lze ve srovnání s ostatními epigenetickými procesy nejsnáze zkoumat, a proto ze všech nejlépe popsána. Její vliv na vznik některých typů rakoviny u člověka byl například popsán již v roce 1983 (3). Pokud je gen metylován, obvykle je vypnut (6). Metylovou skupinu je přitom možné si představit jako jako nálepku, která se přilepí na bázi a znemožní její přečtení. Pokud bude takových to nálepek vice, pokryjí téměř celý gen a ten se stane neviditelný pro enzymy, které se účastní jeho přepisu.

Modifikace histonů

Na rozdíl od předchozího mechanismu, který zasahoval přímo jednotlivé úseky DNA, modifikace histonů se přímo genů nedotýká. Chemické reakce v tomto případě ovlivňují tzv. histony, což je vždy osmička molekul bílkovin, které společně tvoří útvar připomínající cívku, na níž je jako nit namotáno vlákno DNA. Přesto ale reakce ovlivňující histony mohou zároveň zapínat a vypínat geny v příslušných úsecích DNA.

Histonů se dotýká celá řada chemických reakcí, nejlépe prozkoumaná a pravděpodobně nejčastější je přitom acetylace, čili připojení zbytku kyseliny octové. Platí přitom, že acetylace histonů příslušné geny zapíná, zatímco deacetylace je vypíná (7-9) Acetylace totiž umožní, aby “nit” DNA byla z “cívky” uvolněna a dostaly se k ní enzymy umožňující přepis jednotlivých genů.

microRNA

microRNA, zkráceně miRNA jsou krátké řetězce ribonukleové kyseliny, které v sobě nenesou žádnou genetickou informaci, regulují ovšem translaci, tedy přepis DNA na RNA. Tímto způsobem vypínají či zapínají přibližně 60 % genů v lidské DNA. V lidském těle byly již objeveny více než dvě tisícovky různých molekul miRNA a každá z nich potlačuje přepis 100-200 různých RNA (10-12).

Jak už jsme zmínili výše, epigenetické reakce ovlivňující přepis genů jsou vratné, a to ve většině případů těmi samými způsoby, které způsobily jejich vznik – tedy zejména úpravou životního stylu. Velkou roli zde hraje výživa, která by měla být přiměřená (škodlivý je jak výrazný energetický deficit, tak i přebytek), vyvážená a celkově zdravá. Velkou pomocí pak mohou být přírodní látky s výrazným epigenetickým účinkem (EGCG ze zeleného čaje, kurkumin z kurkumy a mnohé další), které můžeme konzumovat jak coby pravidelnou součást jídelníčku, tak i cíleně formou doplňků stravy.

Literatura

  1. Khavari D., Sen G., Rinn J.. DNA methylation and epigenetic control of cellular differentiation“.Cell Cycle 9 (19): 3880–3883. 2010
  2. Lee J.H., Hart S., Skalnik D. January 2004. „Histone Deacetylase Activity is Required for Embryonic Stem Cell Differentiation“.Genesis 38 (1): 32–38. January 2004
  3. Weinhold B. Epigenetics: The Science of Change. Environ Health Perspect. 2006 Mar; 114(3): A160–A167.
  4. Simmons R. Epigenetics and maternal nutrition: nature v. nurture. Proc Nutr Soc. 2011 Feb;70(1):73-81. doi: 10.1017/S0029665110003988. Epub 2010 Nov 29.
  5. Bygren LO, Kaati G, Edvinsson S. Longevity determined by paternal ancestors‘ nutrition during their slow growth period.Acta Biotheor. 2001;49:53–59.
  6. Bird AP. CpG-rich islands and the function of DNA methylation. 1986;321:209–213.
  7. Luger K, Mäder AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution.Nature. 1997;389:251–260.
  8. Berger SL. An embarrassment of niches: the many covalent modifications of histones in transcriptional regulation.Oncogene. 2001;20:3007–3013.
  9. Jenuwein T, Allis CD. Translating the histone code.Science. 2001;293:1074–1080.
  10. Bernal JE, Duran C, Papiha SS (2012). „Transcriptional and epigenetic regulation of human microRNAs“.Cancer Lett 331 (1): 1–10.
  11. Lim LP, Lau NC, Garrett-Engele P, Grimson A, Schelter JM, Castle J, Bartel DP, Linsley PS, Johnson JM (2005). „Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs“.Nature 433 (7027): 769–773.
  12. Friedman RC, Farh KK, Burge CB, Bartel DP (2009).„Most mammalian mRNAs are conserved targets of microRNAs“. Genome Res 19 (1): 92–105.
  13. Bird A. DNA methylation patterns and epigenetic memory.Genes Dev. 2002;16:6–21.
  14. Sinclair KD, Allegrucci C, Singh R, Gardner DS, Sebastian S, Bispham J, Thurston A, Huntley JF, Rees WD, Maloney CA, Lea RG, Craigon J, McEvoy TG, Young LE. DNA methylation, insulin resistance, and blood pressure in offspring determined by maternal periconceptional B vitamin and methionine status.Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104:19351–19356.
  15. Kaati, G.,et al. Cardiovascular and diabetes mortality determined by nutrition during parents‘ and grandparents‘ slow growth period. European Journal of Human Genetics 10, 682–688 (2002)
  16. Kathryn M.A. Gudsnuk, Frances A. Champagne. Epigenetic Effects of Early Developmental Experiences. Clinics in Perinatology. Volume 38, Issue 4, December 2011, Pages 703–717
  17. Xiumei Hong, Xiaobin Wang. Epigenetics and Development of Food Allergy (FA) in Early Childhood. Current Allergy and Asthma Reports. September 2014, 14:460
  18. T. Bjornsson, M.D. Fallin, A.P. Feinberg. An integrated epigenetic and genetic approach to common human disease. Trends Genet, 20 (2004), pp. 350–358.
Zanechat odpověď
Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. *