Základy epigenetiky

Základy epigenetiky

V následujících odstavcích bychom vám rádi přiblížili taje a zákoutí základů genetiky a epigenetiky. Snažíme se je podat jednoduše a věcně, bez zbytečných detailů, aby tyto základy byly pochopeny snad každým, kdo má o tuto problematiku zájem.

Kdysi jsme si mysleli, že genetika předurčila náš osud. Proč tedy jednovaječná dvojčata, která by měla mít zcela stejný genotyp, nezemřou na stejnou nemoc ve stejný čas? Odpověď je v epigenetice, stravě, prostředí a všech vlivech okolního světa. Právě tyto vlivy některé geny zapnou a některé vypnou, proto osud dvojčat není úplně stejný, třebaže mají totožný genotyp.

Lidi, zvířata i rostliny, všichni jsme složeni z buněk. Tyto buňky nejsou stejné, každá buňka obsahuje jádro, ve kterém je schovaná její genetická výbava, je to genetický kód dané buňky, její DNA.

OBRÁZEK BUŇKY
image-238
OBRÁZEK BUŇKY

Genetický kód je univerzální, všechny buňky obsahují DNA složenou ze shodných komponent, což jsou báze (adenin, thymin, cytosin, guanin), cukr (deoxyribóza) a zbytek kyseliny fosforečné. V čem se tedy buňky jednotlivých druhů liší? Je to právě počet a pořadí bází, které DNA dané buňky obsahuje. O genetické informaci platí, že je lineární – jde o pořadí bází, ze kterých je vlákno DNA složeno. DNA obsahuje nespočet genů, což je krátký či dlouhý úsek DNA většinou kódující bílkovinu.

OBRÁZEK BUŇKA AŽ VLÁKNO
image-239
OBRÁZEK BUŇKA AŽ VLÁKNO

Lidská buňka obsahuje dva druhy DNA, a to v buněčném jádru a v mitochondriích. Mitochondrie jsou energetické továrny buňky a geny zakódované v jejich DNA nás až tolik nebudou zajímat, protože bílkoviny v nich kódované slouží hlavně pro potřeby mitochondrií. Proto se zaměříme na DNA uloženou v jádře. V jádře má každá lidská buňka 23 párů chromozomů. Chromozom je strašně moc zašmodrchané a dlouhé vlákno DNA, které je obtočené kolem mnoha bílkovin (histonů) tak, aby se velikost vlákna smrskla co nejvíce. Hovoříme o kondenzaci chromozomů. Máme 23 párů chromozomů: jednu sadu chromozomů jsme získali od otce a druhou od matky. 22 párů chromozomů jsou homologní (vypadají stejně) a jeden pár chromozomů jsou gonozomy, ty nevypadají stejně. Gonozomy X a Y určují naše pohlaví. Jak všichni víme, když se spojí dva chromozomy X, narodí se holčička, když X a Y, tak se narodí chlapeček.

Genetická informace je lineární polynukleotidové vlákno DNA (nukleotid je složen z cukru, báze a fosfátu), na kterém se nacházejí různě dlouhé úseky DNA kódující nejrůznější bílkoviny a jiné látky. Vlákno DNA se komplementárně páruje s druhým vláknem DNA za vzniku dvoušroubovice. Komplementární párování znamená, že na jednom vláknu se báze adenin vždy páruje s thyminem na druhém vláknu a cytosin z jednoho se páruje s guaninem z druhého vlákna. Páry vznikají pomocí vodíkových můstků, což jsou slabé vazby mezi bázemi, díky kterým mohou vlákna tvořit dvoušroubovici.

BÁZE
image-240
BÁZE

Existují dva základní typy genů:

strukturní – kódují strukturní bílkoviny, jako je kolagen;

regulační – tvoří se z nich regulační protein ovlivňující pochody v našem těle.

DNA obsahuje miliardy bází, ale pouze 1,5 % kóduje bílkoviny a jiné látky, ostatní úseky stále ještě nejsou zcela prozkoumány. Nejspíše ovlivňují nějakým způsobem tvorbu bílkovin – genovou expresi. Pro nás nejdůležitější částí DNA, kromě genu, je promotor, což je určité pořadí bází nacházející se před genem. Od síly promotoru se pak odvíjí, jak moc bude docházet k přepisu daného genu. A zároveň se právě na promotor vážou transkripční faktory, tj. látky ovlivňující transkripci (přepis).

TRANSKRIPCE
image-241
TRANSKRIPCE

Exprese genu, tedy vyjádření informace v něm obsažené, probíhá ve dvou krocích: prvním je transkripce (přepis) a druhým translace (překlad).

Transkripcí vzniká RNA. Rozdíl mezi RNA a DNA je pouze v cukru a v jedné bázi. RNA obsahuje ribózu a místo thyminu obsahuje uracil.

RNA existuje několik druhů:

mRNA (messenger) – nese vlastní přepis genu, ze kterého vzniká bílkovina;

tRNA (transferová) – podílí se hlavně na translaci z pořadí bází do pořadí aminokyselin. Aminokyseliny na sobě nese právě tRNA, ze kterých jsou složené bílkoviny v následujícím procesu translace (1 tRNA nese 1 aminokyselinu);

rRNA (ribozomální) – je součástí ribozomů, malých továren na bílkoviny, které máme v buňkách.

Dva základní procesy, ke kterým v buňkách dochází a které nás zajímají, jsou TRANSKRIPCETRANSLACE. Oba jsou velmi důležité, protože jejich prostřednictvím vznikají bílkoviny. K oběma procesům dochází především při buněčném dělení (proliferaci). Buňka, která se množí, proliferuje, prodělává buněčný cyklus. Buněčný cyklus má několik fází, kdy se zdvojí DNA a následně dojde k rozdělení mateřské buňky ve dvě buňky dceřiné. Ty by měly vypadat úplně stejně jako buňka mateřská. Při poškození DNA však dochází k chybným přepisům a překladům, buňka se může zvrhnout v rakovinnou, předčasně umírat nebo mohou vznikat chybné proteiny.

Transkripce neboli přepis je proces, ke kterému dochází před translací. Na promotor DNA nasedne RNA-polymeráza, speciální enzym, který je různou silou přitahován k promotoru pomocí transkripčních faktorů. Dochází k přepisu DNA na RNA na základě komplementarity bází (díky jejich specifickému párování), jediná změna, ke které dojde, je, že se thymin vymění za uracil. Takto vzniká mRNA, tRNA, rRNA i další druhy RNA. Při transkripci do mRNA dochází k přepisu většinou jednoho genu pro jednu bílkovinu, ale po dokončení procesu dochází ještě k posttranskripčním úpravám mRNA.

TRANSKRIPCE
image-241
TRANSKRIPCE

Na transkripci (přepis) navazuje translace neboli překlad. To je proces, kdy se pořadí bází na mRNA přeloží do pořadí aminokyselin, ze kterých je složena daná bílkovina. K translaci dochází na ribozomech, malých bílkovinných továrničkách v našich buňkách. Jsou složeny ze dvou podjednotek – malé a velké. Na mRNA se nacházejí kodony (triplety bází), tedy tři báze, které jdou za sebou, a jejich pořadím je určená aminokyselina. To je náš kód! Pořadí tří bází = jedna aminokyselina – a takhle je to celé zašifrované.

TRANSLACE
image-243
TRANSLACE

Každá translace začíná úplně stejně: Malá podjednotka ribozomu musí najít na mRNA iniciační kodon, který kóduje aminokyselinu methionin (AUG = kodon pro methionin), a celý proces může začít. Připojí se velká podjednotka, kde se nacházejí dvě místa pro tRNA. Tento ribozom se postupně posunuje po mRNA a do velké podjednotky se přesunují tRNA. Každá tRNA nese antikodon, to jsou také tři báze za sebou, které by měly komplementárně nasednout na kodon mRNA. Už bylo zmíněno, že tRNA nese vždy jednu aminokyselinu. Když se v ribozomu objeví na svých místech dvě tRNA nasedající svými antikodony komplementárně na kodony mRNA, může vzniknout peptidová vazba mezi aminokyselinami. Peptidová vazba je speciální vazba, která vzniká mezi uhlíkem jedné aminokyseliny a dusíkem druhé. Tento proces se opakuje, dokud ribozom nedojde k terminačnímu kodonu (máme tři). Terminační kodon na mRNA není komplementární s tRNA nesoucí aminokyselinu, ale s releasing faktorem. Když ribozom dojde k terminačnímu kodonu, celý proces translace se ukončí a pomocí releasing faktoru dojde k uvolnění vzniklé bílkoviny.

Takto vzniklá bílkovina ale ještě není hotová. Uvnitř buňky dochází k různým procesům, které bílkoviny upravují, a rozhodne se, jestli bílkovina v buňce zůstane, anebo se uvolní do okolí.

Tyto postupy genetické exprese nás zajímají hlavně při buněčném dělení – buněčném cyklu. Kde se nacházejí dva základní kontrolní body? Buňka si musí zkontrolovat, zda je její genetická výbava v pořádku. Pokud tomu tak není, musí ji opravit, a jestliže není oprava možná, měla by buňka spustit apoptózu, buněčnou smrt. Pokud se však buňka i nadále dělí a nějakým způsobem ošálí tyto kontrolní mechanismy, může docházet k různým nemocem či nekontrolovatelné proliferaci buněk. Při buněčném cyklu nás zajímají zejména dva druhy genů, a to protoonkogeny a tumor-supresorové geny, které by měly být v rovnováze.

Protoonkogeny jsou takové geny, které stojí za buněčným dělením a jsou pro-proliferační (podporují dělení), a pokud převládnou, dojde k nekontrolovatelnému dělení. Tumor-supresorové geny, tedy tumor potlačující geny, jsou takové, které zastaví dělení buňky, jestliže došlo k poškození její genetické výbavy. Když správně nefungují, dochází k dělení buněk s poškozenou DNA. Tyto buňky se mohou dále dělit a mohou se dělit nekontrolovatelně či jen mít defektní funkci a neplnit tu, ke které byly původně určeny.

Aby se buňka mohla rozdělit, musí nejdříve dojít k replikaci (tzn. ke zdvojení DNA). Z mateřské buňky vzniknou dvě buňky dceřiné. Jak jsme si řekli, DNA je uložená v buněčném jádře a vytváří vlákno, dvoušroubovici. Kdybychom ji rozmotali, vlákno by bylo dlouhé několik kilometrů. A jak je možné, že se vejde do tak malého jádra? Vlákno DNA je obtočeno kolem speciálních bílkovin, histonů; jsou to takové malé kuličky a kolem každé je 2,5 závitu vlákna DNA. To, jak moc těsně nebo volně je DNA obtočená kolem histonů, buď dovoluje, nebo nedovoluje provést replikaci či transkripci DNA v RNA.

Podle kondenzace chromatinu se dá rozlišit buňka, která prodělává buněčný cyklus, od té, která se nedělí a zůstává v nedělicí G0 fázi. Jedním z epigenetických mechanismů je kondenzace a dekondenzace chromatinu, ke které dochází při acetylaci a deacetylaci histonů. Při deacetylaci se vlákno více nalepí na histon a zabrání enzymům, aby nasedly na DNA. Při acetylaci se vlákno DNA odlepí od histonů a procesy na vláknu DNA mohou probíhat. DNA namotaná na histony je dále uspořádána do vyšších struktur, nukleozomů, a ty poté dále do vyšších struktur. Celé vlákno se tak zašmodrchá a smrskne a díky tomu se vejde do buněčného jádra.

Tak a teď, když jsme si zjednodušeně vysvětlili, jak to v buňce funguje, si můžeme říci, jakými způsoby jsou buněčné procesy regulovány. To je pro nás velmi důležité, protože právě do systému regulace můžeme zasáhnout a nějakým způsobem ho ovlivnit.

Regulace většinou probíhá pomocí receptorů a signálních molekul (ligandů), které se na receptory vážou. Exprese jednotlivých genů (vyjádření genů – transkripce, translace) je regulována komplexně podle potřeb buňky. Každá buňka v lidském těle obsahuje celý genom (soubor všech genů, využitých i nevyužitých), ale ne ve všech buňkách dochází k expresi všech genů. Každá buňka je regulována a dochází k expresi jen asi 1,5 % genů – proto jsou buňky ve sliznici střeva odlišné od těch, které se nacházejí v plicích. Soubor všech genů se nazývá genom a tomu, jak se projeví, např. že máme hnědé vlasy po matce či určitý metabolismus, se říká fenotyp. Někdy se zjednodušeně tvrdí: genotyp + prostředí = fenotyp. Fenotyp jsou tedy projevené, zapnuté geny, můžeme je vidět anebo se projeví jako nějaká fyziologická funkce. Geny vypnuté, které se neprojeví, zůstanou schovány v genotypu. Fenotyp můžeme ovlivnit tím, že si určité geny zapneme či vypneme.

Epigenetika: „epi“ znamená v řečtině „něco nad“, tudíž je to „něco nad genetikou“. Naše DNA, naše genetická informace, je statická a zakódovaná v pořadí bází, které se překládá do pořadí aminokyselin, a říkáme jí genom. Zároveň však existuje i epigenom. Epigenom je určitá změna chromatinu (DNA a bílkovin), kdy nedojde ke změně počtu bází ani jejich pořadí, ale pouze k nim něco přidáme či jim něco odebereme. Jedná se hlavně o acetylaci/deacetylaci histonů a metylaci/demetylaci DNA. Pomocí těchto procesů můžeme jednotlivé geny zapnout a vypnout. A právě o to nám jde.

Dalším z epigenetických mechanismů je ještě mikroRNA, jednovláknová RNA, která zabrání tvorbě bílkovin z mRNA tím, že nasedne na mRNA a zabrání postupu ribozomu po mRNA. Tyto neustálé změny na DNA mohou, ale nemusejí být dědičné, a proto je můžeme, ale nemusíme předat našim potomkům.

Je to úplně nový způsob ovlivnění našeho zdraví. Mnoho výzkumů se zabývá tím, jak lze pomocí epigenetické modifikace DNA předcházet nemocem, či je dokonce léčit. Kdy se nám podaří vypnout (případně nastartovat) nějaký gen? Jakým způsobem lze v případě přílišného množství růstových faktorů, způsobujících nádorové bujení, vypnout geny zodpovědné za jejich nadměrnou tvorbu?

Existují tři základní epigenetické mechanismy: metylace/demetylace DNA, acetylace/deacetylace histonů a mikroRNA.

Při metylaci DNA dochází k navázání metylové skupiny (CH3-) na báze cytosin a guanin pomocí metyltransferáz (enzymy). Podle výzkumů to zatím vypadá, že metylované geny jsou vypnuté a demetylované jsou zapnuté. Metylace souvisí s deacetylací histonů a geny vypínají a demetylace spolu s acetylací histonů geny zapínají. Tyto mechanismy ale nemusejí probíhat zároveň. Nejvíce CG bází, které jsou především ovlivňovány metylací a demetylací, se nachází v promotorech genů, což jsou části našeho genomu, které jsou zodpovědné za sílu exprese genu. Naším cílem je právě aktivace a inaktivace enzymů zodpovědných za metylaci a demetylaci. Jak již víme, je pro nás dobré, jsou-li určité geny zapnuté a určité vypnuté.

TRANSKRIPCE
image-241
TRANSKRIPCE

Regulace může také probíhat na úrovni transkripce, a to pomocí acetylace a deacetylace histonů. DNA je na deacetylovaných histonech pevně přilepená a geny se nedají číst, při acetylaci histonů se DNA odlepí a je přístupná enzymům. Acetylázy a deacetylázy zodpovědné za zapnutí a vypnutí genů můžeme ovlivnit (aktivovat/inaktivovat) jak našimi emocemi a životním stylem, tak i stravou.

Regulace na úrovni translace probíhá především dvěma způsoby. V mRNA může být obsaženo více iniciačních kodonů AUG a záleží na tom, od kterého iniciačního kodonu bude translace probíhat – tak vzniká i jiná bílkovina. Druhým je mikroRNA, což je jeden z méně probádaných druhů RNA. Jedná se o krátké jednovláknové molekuly RNA, které nasednou na mRNA, a tím zabrání translaci mRNA a vzniku bílkoviny. Nejnovější výzkumy se zabývají právě touto strukturou a vidí v ní velkou budoucnost – mikroRNA se řadí k epigenetickým mechanismům. Naším cílem je tvorba takových mikroRNA, které zabrání vzniku bílkovin pro nás neprospěšných, třeba nadměrné translaci protoonkogenů, což většinou vede k nekontrolovatelnému množení buňky.

TRANSLACE
image-243
TRANSLACE

Už zbývají pouze signální dráhy. Zaměříme se především na dráhy protoonkogenů a tumor-supresorových genů.

Tumor-supresorové geny potlačují nádorové bujení. Jsou to geny, jejichž produkty (bílkoviny) hlídají integritu (nepoškozenost) DNA a transkripční faktory při dělení buňky. Jejich úkolem je dělení buňky pozastavit, pokud se vyskytne nějaká chyba v DNA buňky. Pokud ale dojde k mutaci/vypnutí v tomto genu a on a jeho produkty neplní svoji práci (nehlídají buňku), může dojít k dělení chybných buněk a vzniku nemoci. Mezi nejznámější tumor-supresorové geny patří RB gen, který hlídá v G1 fázi buněčného cyklu, a protein p23, který kontroluje integritu DNA v G2 fázi buněčného cyklu.

Protoonkogeny jsou geny, jejichž produkty fungují zejména jako růstové faktory či enzymy aktivující buněčnou proliferaci. Jestliže dojde k mutaci či nadměrnému zapínání protoonkogenů, stává se z nich onkogen a produkty tohoto genu neustále signalizují buňce, aby rostla a dělila se. Mezi tyto geny patří zejména Myc gen, PDGF růstový faktor, Src aj.

Pro nás je nejdůležitější rovnováha mezi těmito geny.

A nakonec se dostáváme k signálním neboli transdukčním dráhám. Buňky v těle musejí mezi sebou navzájem komunikovat a zároveň sama buňka si musí předat signál ze svého povrchu do jádra nebo na jiné místo uvnitř sebe. Základem celé komunikace je signální molekula (ligand) a receptor, na který se signální molekula váže. Molekuly mohou být hydrofilní či hydrofobní. V krátkosti: liší se mechanismem, jak se signál dostane z povrchu buňky až do jádra, kde většinou změní expresi genů. Signální dráhy jsou komplexní a dají se různě ovlivnit. Jedním z mechanismů předání signálu jsou druzí poslové (second messengers, specifické molekuly vznikající uvnitř buňky po přijetí signálu receptorem) a ti mohou ovlivnit více drah najednou. Signály předávané pomocí druhých poslů se mohou dále potencovat, zvětšovat sílu svého vlivu tím, že působí na více drah najednou. Zásadní je, že celý tento signál je časově omezen. Jakmile signál zvenčí, který aktivoval receptor, odezní, ustane také činnost enzymu spojená s receptorem a celá aktivita signální dráhy ustane. Tady ale může dojít k problému: Pokud vznikne defektní receptor, který je neustále aktivní, nebo se splaší jiná buňka, jež bude pořád produkovat signální molekuly vázající se na receptor, nebude signál časově omezen a může dojít k nekontrolovatelnému dělení buněk či nekontrolovatelné produkci látek ovlivňujících další a další buňky a pochody v nich,

Plno nemocí je způsobeno právě ovlivněním signálních drah. To může probíhat na úrovni transkripce, translace, DNA – pomocí epigenetických mechanismů, emocí, stravy a naším okolím. Právě signální dráhy jsou ovlivňovány produkty našich genů a jsou to ony, kdo je zodpovědný za předávání signálů mezi buňkami vzdálenými i blízkými. A my se na ně pokusíme zapůsobit tak, aby nám bylo co nejlépe a mohli jsme se vyhnout nejrůznějším nepříjemnostem!

Když si to shrneme: geny v DNA se překládají do mRNA a z mRNA do bílkovin, které fungují jako signální molekuly nebo jsou zodpovědné za aktivaci tvorby jiných signálních molekul, které zapnou či vypnou signální dráhy.

Zapnutí/vypnutí genu zapne/vypne signální dráhu, která může ovlivnit naše zdraví.

Zanechat odpověď
Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. *