Dedovanje metilacijskih vzorcev

Vse večjo pozornost posvečamo epigenetiki, ki postaja sinonim epigenetskega dedovanja. Pod tem pojmom razumemo dedovanje, ki ne posega v sekvenco DNA, tako med delitvijo celice, kot tudi transgeneracijsko. Ena izmed poglavitnih lastnosti, ki pa se deduje, je metilacijski vzorec posamezne verige DNA. V nadaljevanju bodo predstavljeni nekateri izmed boljše, a še zdaleč ne v celoti, poznanih pojavov epigenetskega dedovanja, pri katerih pride do prenosa metilacijskega vzorca v novo generacijo celic.

Dedovanje metilacijskih vzorcev med celicami

Mitoza

DNA metilacijski vzorec se med celično delitvijo prenese v obe hčerinski celici. Ohranjanje vzorca omogoča palindromska narava metilacijskih mest. Oznake na starševski verigi neposredno vplivajo na nastanek enakega vzorca na hčerinski verigi. Za to poskrbijo proteini DNA metiltransferaze 1 (DNMT1), ki z veliko večjo verjetnostjo metilirajo citozin v CpG zaporedju na hčerinski verigi, ki je sparjen z že metiliranim CpG zaporedjem. Tekom evolucije smo izgubili približno ¾ CpG dinukleotidov. Razlog za to najdemo v spontanem deaminiranju metiliranih citozinov, pri čemer nastaja timin. Področja DNA, ki niso metilirana in so zato izrazito bolj bogata z CpG zaporedji imenujemo CG otoki. Nahajajo se v bližini približno 40% promotorjev (med katerimi so še posebej pogosti promotorji za hišne gene), zato se zanje predvideva, da sodelujejo pri regulaciji izražanja pripadajočih genov. Izjemen pomen ohranjanja metilacijskega vzorca je opažen pri mišjih embriih z delecijo gena za DNMT1, ki umrejo v zgodnji fazi razvoja (1).

Inaktivacija kromosoma X

Za razliko od gensko revnega Y kromosoma vsebuje X kromosom čez 1000 genov, ki so nujni za pravilen razvoj in delovanje celice. Ker bi to pri ženskem spolu lahko vodilo do potencialno toksične dvojne količine z X kromosomom povezanih genov, se je pri sesalcih razvil unikaten mehanizem, imenovan inaktivacija kromosoma X (2).

Neaktiven kromosom X se utiša s kondenzacijo v transkripcijsko neaktiven heterokromatin (3). Ob tem nastane struktura, imenovana Barrovo telesce (2). Ženski osebki običajno vsebujejo 2 kromosoma X, in v katerikoli celici bo eden izmed njiju aktiven (Xa), drugi pa neaktiven (Xi). Raziskave posameznikov z dodatnimi kopijami kromosoma X so pokazale, da je v celicah z več kot dvema kromosomoma X vedno aktiven le en kromosom, vsi ostali pa so inaktivirani. To nakazuje, da je privzeto stanje kromosoma X neaktivno (inaktivirano), razen za en kromosom, ki se mora vedno aktivirati. Predvidevajo, da se na X kromosom veže 'blocking-factor', ki prepreči inaktivacijo, hkrati pa se na ostale ne veže in jih posledično ne zaščiti pred inaktivacijo. Aktiven kromosom se od inaktiviranega razlikuje predvsem v stopnji metilacije DNA in lizina 9 na histonu H3, ki je povečana pri neaktivnem, ter višji stopnji metilacije lizina 4 histona H3 in acetilacije histonov. Vse naštete razlike naj bi bile močno povezane z utišanjem genov (3). Raziskeve kažejo, da inaktivacija kromosoma X, v nasprotju s pričakovanji, ne poteka naključno, preferenčno pa se inaktivira očetov kromosom (17). Ohranjanje metilacije DNA med različnimi generacijami celic temelji na semikonzervativnem podvojevanju metilacijskih vzorcev starševske verige s pomočjo DNA metiltransferaze, DNMT1 (18).

Dedovanje metilacijskih vzorcev med organizmi

Genetsko vtisnjenje

Izražanje manjšega števila genov, okoli 1%, je pogojeno z njihovim izvorom. O njihovemu (ne)izražanju odloča zgolj dejstvo od katerega starša so bili podedovani. To pomeni, da je v primeru izražanja gena, ki smo ga podedovali od matere, očetov alel utišan z metilacijo. Pri opazovanju tega pojava govorimo o genetskem vtisnjenju, ki je bilo opaženo pri placentalnih vretenčarjih in cvetnicah (4).

Med gametogenezo pride do velikega vala demetilacije DNA, med katero so izbrisane vse metilne oznake, hkrati pa se na vtisnjenih genih vzpostavijo nove glede na spol posameznika – tako se geni, ki izvirajo od matere, med spermatogenezo označijo z vzorcem, ki je značilen za očetove. Na ta način moški posameznik v naslednjo generacijo prenese le metilacijski vzorec, značilen za očetove vtisnjene gene (4, 5). Kmalu po oploditvi sledi nov val genomskega reprogramiranja, tekom katerega se novo nastale metilne označbe odstranijo, tiste na vtisnjenih genih pa ostanejo nespremenjene. Točen mehanizem ohranjanja teh vzorcev še ni znan, ključno vlogo pa naj bi imele DNA metiltransferaze, medtem ko naj bi specializirana struktura kromatina preprečevala metilacijo nemetiliranih alelov vtisnjenih genov v poznejših fazah embrionalnega razvoja (6). Velika večina vtisnjenih genov sodeluje pri razvoju in rasti embria, tako očetovi geni spodbujajo rast osebka, medtem ko mamini zavirajo pretirano rast posameznega embria z ozirom na ostal zarod. Teorijo, ki podpira ta opažanja slikovito imenujemo „starševski spor“ (5).

Genetsko vtisnjenje naj bi igralo tudi ključno vlogo pri dosedanjih jalovih poskusih kloniranja, saj imajo kloni nepravilen vzorec metilacije. Le-ta pri metodi kloniranja s prenosom jedra somatske celice (SCNT) namreč izvira iz že diferenciranih somatskih celic in se v danem času ne uspe v celoti reprogramirati v stanje po drugem valu demetilacije (5).

Paramutacije

Paramutacija je interakcija med dvema aleloma na istem lokusu, kjer paramutirajoči alel utrpi spremembe, ki jih usmerja paramutageni alel (7). Ta sprememba se prenaša preko več generacij, četudi se alel , ki je povzročil prvotno spremembo, pri tem ne prenese. Mehanizem paramutacij ostaja skrivnost, vendar ugibajo, da naj bi šlo za DNA metilacijo, ki jo usmerja RNA. Pri tem pojavu pride do prepisa iz DNA v RNA, ki nato tvori dsRNA. Ta po cepitvi na manjše fragmente usmerja metilacijo komplementarnega dela DNA. Pri tem procesu sodelujejo metiltransferaze, ki jih najdemo le pri rastlinah: MET1, CMT ter DRM (8). Paramutacija je bila prvič odkrita na primeru koruze, sedaj pa so znani primeri podobnih pojavov tudi pri paradižniku, grahu in miših.

Negenetsko dedovanje – materini vedenjski vzorci

Metilacijski vzorec se lahko prenese na potomstvo tudi preko materinih vedenjskih vzorcev, kar je bilo prikazano na primeru podgan. Raziskovalci z univerze McGill so pokazali, da nega, ki jo izkazujejo podganje matere svojim mladičem v prvem tednu, vpliva na njihov odziv na stres tekom celotnega življenja. Zarod bolj skrbnih mater se lažje spoprijema s stresno situacijo kot mladiči mater, ki niso lizale svojih potomcev. Odrasle podgane, ki so jih vzgojile skrbnejše matere, kažejo večje izražanje glukokortikoidnega receptorja (GR) v hipokampusu kot njihove kolegice (9). GR po stresni situaciji veže kortizol in sproži signalno pot, ki vodi do okrevanja. Izražanje receptorja je povezano s stopnjo metilacije promotorja gena za GR, le-ta pa je občutno bolj metiliran pri anksioznih podganah. Tako pogane, ki jih je mati zanemarjala, sintetizirajo manj GR in ostanejo pod stresom dlje časa. Na delež metilacije naj bi vplival nivo serotonina, ki prek transkipcijskega faktorja NGFI-A spodbuja hipometilacijo DNA (10). Presenetljivo pa je tudi dejstvo, da potomke skrbnih mater tudi same izkazujejo veliko pozornosti svojemu zarodu (11).

Vpliv na zdravje

Vse več je dokazov o vplivu okolja na epigenetske mehanizme regulacije genov, ki naj bi že pri plodu pomembno vplivalo na dovzetnost za določeno bolezen v odraslosti (12). Primer takšnega mehanizma je epigenetska modifikacija kromatina, ki je posledica podhranjenosti in hipoksije v perinatalnem obdobju, oseba pa bo v odraslosti bolj dovzetna za rezistenco na inzulin in kardiovaskularne bolezni (13). Znanih je tudi več bolezni, ki nastanejo kot posledica genetskega vtisnjenja, kot sta recimo Beckwith-Wiedemannov sindrom in Prader-Willijev sindrom. Prvega lahko povzroči več različnih genetskih okvar, med drugim pa so pri pacientih opazili tudi neobičajno metilacijo DNA, kar pomeni, da so normalne epigenetske oznake, ki regulirajo vtisnjene gene, spremenjene (14). Prader-Willijev sindrom nastane kot posledica delecije očetove kopije določenega vtisnjenega gena na kromosomu 15, če pride do delecije istega gena na materini kopiji, pa se bolezen imenuje Angelmannov sindrom (15). Mogoče najbolj znan primer epigenetskega dedovanja je raziskava Överkalix study, kjer so prvič dokazali povezavo med fiziološkimi posledicami okoljskih dejavnikov na transgeneracijsko epigenetsko dedovanje. Našli so povezavo med kajenjem očetov in telesno težo sinov, ter količino zaužite hrane pri dedkih in umrljivostjo pri vnukih. Prav tako so ugotovili, da imajo okoljski dejavniki večji vpliv na mlade med puberteto (16).

Zaključek

Očitno je, da je v zadnjih letih raziskovanje epigenetskega dedovanja in z njim povezanega prenosa vzorca metilacije dobilo resničen zagon, zaradi česar si lahko v kratkem obetamo razjasnitve po večini še skrivnostnih mehanizmov, ki pri tem sodelujejo. Če lahko trdimo, da nam je mehanizem ohranjanja metilacije citozinov med celično delitvijo dobro poznan, pa za transgeneracijsko dedovanje velja ravno nasprotno. Velik problem pri prenosu metilnih oznak med generacijami namreč predstavljata vsaj dve fazi reprogramiranja, med katerima se odstrani velika večina metilnih skupin. Ključno vprašanje na tem področju se torej glasi: na kakšen način se v fazi gametogeneze in oploditve ohranja metilacijski vzorec, ki očitno vpliva na življenja potomcev?

Viri

1. Voet D. in Voet, J. G. Biochemistry. 4. izdaja. Hoboken: J. Wiley & Sons, 2010
2. Janice Y. Ahn, J. T. Lee: X Chromosome: X inactivation, Nature Education, 2008.
3. X- inactivation, februar 2011, http://en.wikipedia.org/wiki/X-inactivation, citirano 7.4.2011.
4. Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell. 5. izdaja. New York: Garland Science, 2008.
5. Genetic Science Learning Center (24. 1. 2011) Genomic Imprinting. Learn.Genetics. (Citirano 9. 4. 2011).http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/imprinting/index.html
6. Reik, W. et al. Epigenetic Reprogramming in Mammalian Development. Science, 2001, 293, str. 1089-1093.
7. Griffiths, A. et al. Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman and Company, 1999.
8. Mathieu, O., in Bender, J. RNA-directed DNA methylation. Journal of Cell Science, 2004, 117(Pt 21), str. 4881-4888.
9. Hood, E. K. et al. Handbook of Developmental Science, Behavior, and Genetics. Chichester: Blackwell Publishing Ltd , 2010.
10. Youngson , N. A. in Whitelaw , E. Transgenerational Epigenetic Effects. Annual Review of Genomics and Human Genetics, 2008, 9, str. 233–257.
11. Sapolsky, R. M. Mothering style and methylation. Nature Neuroscience, 2004, 7, str. 791-792.
12. Dolinoy, D.,C., Wieldman, J., R., Jirtle, R., L., Epigenetic gene regulation: Linking early developmental environment to adult disease, Science Direct, Reproductive Toxicology 2006, 23, str. 297-307.
13. L. A. Joss-Moore, D. B. Metcalfe, K. H. Albertine, R. A. McKnight and R. H. Lane , Epigenetics and fetal adaptation to perinatal events: Diversity through fidelity, Journal of animal science, 2010, 88, str. 216–222.
14. Beckwith–Wiedemann syndrome, Wikipedia, marec 2011, citirano 9.4.2011,http://en.wikipedia.org/wiki/Beckwith-Wiedemann_syndrome#Genetics
15. Prader–Willi syndrome, Wikipedia, marec 2011, citirano 9.4.2011,http://en.wikipedia.org/wiki/Prader-Willi_syndrome#Genetics
16. Överkalix study, Wikipedia, marec 2011, citirano 9.4.2011,http://en.wikipedia.org/wiki/Prader-Willi_syndrome#Genetics
17. Anna K. Naumova, Robert M. Plenge, Lynne M. Bird, Mark Leppert, Kenneth Morgan,Huntington F. Willard, Carmen Sapienza, Heritability of X Chromosome-inactivation Phenotype in a Large Family, Am. J. Hum. Genet., 1996, 58, str. 1111-1119.
18. Adrian Bird , DNA methylation patterns and epigenetic memory, Genes&Development, 2002, 16, str. 6-21.