Na łamach czasopisma „Proceedings of National Academy of Sciences” ukazała się publikacja naukowców z University of California Santa Cruz (https://doi.org/10.1073/pnas.2209471119) dowodząca, że pewna specyficzna modyfikacja białka histonowego, która zmienia sposób, w jaki DNA jest upakowane w chromosomach, może poprzez plemniki przenosić się na kolejne pokolenia.

Zdaniem dr. hab. Tomasza Wojdacza, profesora Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie, jest to odkrycie przełomowe, choć nie do końca zaskakujące. Od dawna podejrzewano bowiem, że podobny mechanizm musi istnieć.

„Od lat badania epidemiologiczne sugerowały, że istnieje epigenetyczny mechanizm dziedziczenia międzypokoleniowego - mówi prof. Wojdacz. - Tylko on tłumaczyłby np. obserwację, że dzieci i wnuki matek, które zaszły w ciążę w czasie tak zwanej głodowej zimy 1944-45 w Holandii, mają większe ryzyko niektórych chorób, niż poczęte w tym samym czasie dzieci, których matki nie doświadczyły głodu w czasie ciąży”.

Epigenetyka jest nauką badającą zmiany ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Istnieją bowiem czynniki, które są w stanie wpłynąć na poziom ekspresji genów, a poprzez nią także na zdrowie i rozwój organizmu, mimo iż nie powodują żadnych modyfikacji w obrębie DNA, a jedynie regulują jego „czytanie”. Do czynników tych zalicza się m.in. metylację DNA oraz modyfikacje białek histonowych.

Niegdyś uważano, że zmiany epigenetyczne nie mogą być dziedziczone. Z roku na rok przybywa jednak dowodów obalających tę tezę. Niestety nadal mechanizmy związane z dziedziczeniem pamięci epigenetycznej pozostają bardzo słabo poznane.

W swoim najnowszym badaniu naukowcy z US Santa Cruz dowiedli, że wspomniana wyżej zmiana białka histonowego, zwana markerem H3K27me3, powoduje wyłączenie lub przytłumienie dotkniętych nią genów. Co ważne mechanizm ten obecny jest u wszystkich zwierząt wielokomórkowych – od robaków Caenorhabditis elegans (słynnych modeli w badaniach biologicznych, które były także podstawą tego badania) aż po ludzi.

Na początku naukowcy z grupy prof. Susan Strome selektywnie usunęli marker histonowy H3K27me3 z chromosomów plemników C. elegans. Następnie plemnikami tymi zapłodnili komórki jajowe z „normalnymi” chromosomami. U powstałego w ten sposób potomstwa zaobserwowali nieprawidłowe wzorce ekspresji genów: pozostawały one aktywne, co oznacza, że brak markera H3K27me3 przeniósł się z plemników na organizmy potomne.

Mówiąc inaczej: u potomstwa zmodyfikowanych nicieni geny, które normalnie nie ulegałyby ekspresji (byłyby wyłączone), pozostawały aktywne. Przykładem jest tkanka zarodkowa, w której aktywowały się geny normalnie wyrażane w neuronach.

„We wszystkich analizowanych przez nas tkankach geny ulegały nieprawidłowej ekspresji, ale były to różne geny w różnych tkankach, co oznacza, że kontekst tkankowy determinował, które zostały aktywowane, a które nie” – opowiada prof. Strome.

Dalsze analizy chromosomów tkanki zarodkowej potomstwa wykazały, że w genach o podwyższonej ekspresji brakowało „hamującego” markera histonowego; był on natomiast przywrócony w tych genach, których ekspresja nie uległa aktywacji.

„W linii zarodkowej potomstwa niektóre geny uległy nieprawidłowej aktywacji i pozostały w stanie bez represyjnego markera, podczas gdy reszta genomu odzyskała ów marker. Wzór ten został następnie przekazany potomstwu - wyjaśnia prof. Strome. - Podejrzewamy więc, że jeśli dany wzór upakowania DNA zostanie zachowany w linii zarodkowej, może potencjalnie być przekazywany przez wiele pokoleń”.

Obserwacje kolejnej generacji nicieni - prawnucząt zmodyfikowanych organizmów - pokazały, że mają one szereg efektów rozwojowych, np. niektóre z nich były całkowicie bezpłodne. Różnice między osobnikami wynikają, zdaniem autorów pracy, ze sposobu w jaki chromosomy są rozdzielane podczas podziałów komórkowych, w czasie których wytwarzane są plemniki i komórki jajowe. Podziały takie skutkują bowiem wieloma różnymi kombinacjami chromosomów, które można przekazać następnemu pokoleniu.

Autorzy pracy podkreślają, że uzyskane wyniki jasno ustalają związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy markerami histonowymi przenoszonymi przez plemniki a ekspresją genów i rozwojem następnych pokoleń: zarówno dzieci, jak i wnuków.

Podkreślają, że omawiana publikacja stanowi punkt przełomowy w badaniach nad dziedziczeniem epigenetycznym. Jest bowiem wielce prawdopodobne, że opisany w niej mechanizm nie jest specyficzny dla robaków C. elegans, ale występuje u wszystkich innych zwierząt.

„Cytowane badanie opisuje jeden z mechanizmów molekularnych, który tłumaczy dziedziczenie epigenetyczne. Co prawda robi to na organizmie modelowym, ale najprawdopodobniej jest to początek badań mających na celu identyfikację podobnych mechanizmów u innych organizmów, także człowieka” - podsumowuje prof. Wojdacz.

PAP - Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

kap/ agt/