Mutacije su nasljedne promjene genetičkog materijala – to nauče i djeca u osnovnim školama. Na našim fakultetima učite o genima, o genomu, o kodirajućim i nekodirajućim dijelovima DNK, o transkripciji i translaciji DNK, o duplikaciji DNK… ali epigenetika se slabo ili nikako ne izučava.

Dakle, šta su to epigenetičke promjene i šta je predmet proučavanja epigenetike? Zašto treba insistirati da epigenetika uđe u fakultetske kurikulume? Prije par godina, veliki problem genetike je bilo otkriti kako se geni “pale” i “gase”. Ovo turning on/off ili “genetički prekidač” mi, iz ove oblasti, nazivamo ekspresijom gena.

Šta je epigenetika?

Epigenetika je jedna veoma mlada nauka koja proučava kako neki procesi poput metilacije određenih mjesta na DNK utječu na aktivnost i ekspresiju genetičkog materijala.

“Epi” na grčkom znači “na”, dakle to bi bila kao neka “površinska genetika” nauka koja proučava djelovanje faktora koji utječu na kondenziranost hromatina, a time i na aktivnost gena.  Istovremeno, epigenetika je naziv ne samo za nauku, nego i za promjene u kondenziranosti hromatina koje diktiraju ekspresiju gena.

Nakon projekta sekvencioniranja humanog genoma, otkrivanje kako se reguliše funkcija gena bio je sljedeći veliki zadatak nauke. Kada kažemo da neki gen pokazuje ekspresiju, “gene is expressed”, to znači da je on u mogućnosti da se prepisuje na RNK i da reguliše sintezu određenog proteina.

Kontrola ekspresije gena

Sjetite se građe stanica – stanice epitela, nervne stanice, stanice jetre, kosti, krvi jedne osobe imaju isti genetički materijal (jedino u vrlo rijetkim i specijalnim slučajevima himerizma ovo ne važi). Zato je moguće identificirati počionioca zločina ili žrtvu iz različitih uzoraka – iz uzoraka pljuvačke, krvi, sperme, vaginalnog sekreta, kosti – sve stanice, premda različito izgledaju i sintetišu različite spojeve, imaju istu genetičku informaciju.

Međutim, nervne stanice ne luče insulin, niti limfociti sintetiziraju adrenalin, zar ne? To je zato što su neki dijelovi genoma kod različitih stanica “zaključani” – jednostavno, i nervne stanice imaju gen koji kodira insulin, ali on nije “čitljiv”, “zaključan” je.

Sad je potrebno znati neke stvari o strukturi hromatina. Naime, DNK se kod svih eukariotskih stanica nalazi u paketićima koje zovemo hromosomi, a koji su, splet DNK i nekih proteina (histoni). Taj splet zovemo hromatin. U vrijeme kada se stanice dijele, hromatin je jako kondenzovan – DNK je jako spletena oko histonskih proteina, a biosinteza proteina je onemogućena jer geni nisu “čitljivi”. Ovo je jako bitno jer zamislite kakav bi haos nastao kada bi usred diobe stanica počela još i biosinteza proteina:

Izvor Wikimedia commons

 

Stisnuta, gusta DNK – nema prepisivanja gena

Dakle, hajde da zapazimo jedno pravilo – zgusnuta, kondenzirana, stisnuta DNK – nema transkripcije. Raširena DNK – transkripcija.

Ovo kondenziranje i dekondenziranje DNK se ne mora dešavati u cijelom hromosomu odjednom. Zapravo, to se dešava u cijelom hromosomu i u svim hromosomima tek u doba stanične diobe. Normalno, neki dijelovi DNK su kondenzirani, neki dijelovi su čak permanentno kondenzirani, a neki ne. I ovdje vrijedi isto pravilo – kada je DNK kondenzirana, nema transkripcije, tj. gen na segmentu koji je kondenziran nema ekspresiju, on je “zaključan”, “isključen”.

Međutim na ovo uvrtanje i odvrtanje DNK djeluju neke stvari izvana – tvari koje jedemo, pijemo, udišemo, stavljamo na kožu… Tu se potvrđuje ona stara istina kako genetički i negenetički faktori utječu na jedinku tj. da je fenotip rezultanta djelovanja genotipa i okoline.

Recimo, metilna skupina, – CH3, određuje da li će se DNK gusto uvrnuti oko histona ili ne.  Metilna grupa se “kači”na DNK, tj. metilira DNK. Sa druge strane, postoje i epigenetički faktori koji se mogu zakačiti na “rep” molekule histona i tako dirigirati pristupačnost gena za transkripciju. Slika govori hiljadu riječi, pa pogledajte:

Epigenetički mehanizmi

Ovo su dva glavna epigenetička mehanizma – metilacija DNK i modifikacija histona. Dvije heterociklične baze u DNK se mogu metilirati: adenin i citozin, međutim metilacija adenina se događa isključivo kod prokariota (bakterije i modrozelene alge). Dakle, kod ostalih organizama, metilacije citozina su odgovorne za supresiju transkripcije određenog gena.  Odakle te slobodne metilne skupine? Odgovor je jednostavan – iz okoline u kojoj živimo.
Otkriven je i treći mehanizam – male nekodirajuće RNK (ncRNA). Male ncRNA molekule, poput mikroRNK (miRNA) ili malo interferirajućih RNK (siRNA). One se mogu vezati za specifične molekule glasničke RNK (mRNA) koje prenose uputstva za sintezu proteina. Ovo vezivanje često dovodi do razgradnje mRNA ili sprječava njeno prevođenje u protein. Time ovaj proces  smanjuje ili potpuno utišava ekspresiju gena.

Još nije sasvim jasno da li  epigenetičke promjene mogu biti nasljedne – koliko se prenose na stanice-kćeri sa stanice-majke u diobi ili čak kroz generacije. Naravno, ove promjene su reverzibilne i promjena načina života vrlo brzo dovodi i do promjena epigenetičkih tagova. Ali, treba primijetiti kako okolina može alternirati genetički materijal djelujući na ekspresiju gena. Još uvijek postoje rasprave da li se epigenetičke primjene, recimo one izazvane stresom, mogu transfeneracijski prenositi.

Epigenetika otkriva kako geni mogu biti utišani ili aktivirani bez promjene u samoj DNK sekvenci, pružajući ključne uvide u regulaciju gena i prilagodbu organizma na okolinu. Kakvu će ovo ulogu imati u budućnosti i da li će imati terapeutski učinak ili čak biti ključ za podmlađivanje, to još ne znamo. Ali, ovo je trenutno jedno od naj in polja u nauci i zaslužuje mjesto u modernim udžbenicima.