Epigenetski status in motnje delovanja možganov

Uvod

Vse bolj očitno postaja, da so epigenetske modifikacije kritični faktorji regulacije izražanja genov. Delujejo kot dinamične oznake, ki spremenijo vzorec ekspresije in tako na nivoju celotnega genoma vzpostavijo specifični profil celic. Ključnega pomena so med razvojem ter kasneje za celično diferenciacijo. V oziru na živčni sistem igrajo te spremembe veliko vlogo v raznolikem sklopu procesov in so tako povezani s številnimi motnjami. Pridobivanje novih celostnih znanj o ključnih komponentah in mehanizmih vpletenih v epigenetsko regulacijo bo imelo v prihodnosti velik pomen pri razumevanju in zdravljenju posledičnih bolezenskih stanj.

Razvoj možganov

Za diferenciacijo celic v nevronske celice so odgovorni prav posebni geni, kateri zapisujejo za proteine, ki so pomembni pri nevronski vzdražnosti, sproščanju nevrotransmiterjev in ohranjanju transmembranskega potenciala. Ti geni morajo biti v vseh drugih celicah našega telesa seveda neaktivni, za kar so odgovorni posebni utiševalni elementi NRSE (nevron restrictive silencer element), ki se nahajajo na promotorjih teh genov. Regulatorni elementi NRSE (21-24bp) lahko popolnoma utišajo gene v »nenevronskih« celicah. Utišanje se zgodi zaradi posebnih transkripcijskih faktorjev, ki se nanje vežejo in delujejo kot represorji. Če v »nenevronskih« celicah represorjev ni ali če niso aktivni in ne morejo inhibirati NRSE, pride pri razvoju otroka v maternici do izražanja teh tipičnih nevronskih genov v vseh tkivih. Posledica je že zgodnja smrt embria. Prisotnost represorjev v nevronskem sistemu pa lahko privede do disfunkcij in motenj v razvoju možganov in živčevja. Da pa geni, ki zapisujejo za te represorje ostanejo utišani v nevronskih celicah, mora biti struktura kromatina posebno oblikovana. Gre za regulacijo, ki je odvisna od modifikacije histonov ter tudi same DNA. Zmanjšana raven acetilacije histonov in povišana metilacija na promotorjih običajno pomeni deaktivacijo genov in onemogočeno transkripcijo. V možganskih celicah mora biti prisoten ravno takšen epigenetski status na genih za te represorje, v vseh ostalih celicah pa ravno obratno. Za deacetilacijo histonov je odgovoren encim HDAC (histon-deacetilaza), medtem ko metilacijo DNA izvede DNMT (DNA-metiltransferaza). Epigenetski dejavniki in usklajeno delovanje modificirajočih encimov tako poleg ostalih transkripcijskih faktorjev vplivajo na diferenciacijo celic, tudi nevronov in vplivajo na pravilen razvoj možganov.

Spomin

Nevronske celice izločajo poseben nevrotropični faktor BDNF (brain-derived neurotrophic factor). BDNF spada med nevrotropine, ki so skupina rastnih faktorjev in je bistvenega pomena za oblikovanje dolgotrajnega spomina ter sinaptične plastičnosti, njegova inhibicija pa naj bi pomenila tudi kognitivne in mentalne okvare. Regulacija BDNF je dober primer, kjer epigenetske modifikacije poleg običajnih transkripcijskih faktorjev vplivajo na izražanje genov in v tem primeru povzročijo spremembe v elektrofiziologiji in vedenju možganov. Študije so pokazale, da je tudi aktivnost gena, ki zapisuje za BDNF, odvisna od epigenetskega statusa njegovega promotorja in histonov, ki so v povezavi s tem genom. CBP je encim, ki spada med HAT (histon-acetiltransferaza) in modificira histone, tako da jih acetilira. Acetilacija histonov je ponavadi povezana z aktivacijo genov. Pravilno delovanje CBP, oziroma acetilacija histonov blizu gena za BDNF, je nujno potrebna za sinaptično plastičnost in oblikovanje spomina. Znanstveniki predvidevajo, da gre pri oblikovanju spomina za tako imenovano histonsko kodo, kar pomeni, da različni tipi spomina vključujejo različne vzorce histonske modifikacije. Pri oblikovanju dolgotrajnega spomina gre za močno povečana acetilacija histona H3, H4 pa ne sme biti acetiliran. Motnja v delovanju HAT torej pomeni oslabljene sposobnosti pomnjenja. Ugotovljeno pa je bilo tudi, da naj bi HDAC, ki deluje z nasprotnim učinkom kot HAT delovala kot represor spomina, saj deacetilira histone. Inhibicija HDAC dokazano pomeni izboljšanje v sposobnosti pomnjenja in večjo sinaptično plastičnost, pa tudi pri mnogih nevronskih boleznih, kar pa se tudi že uporablja v klinične namene. Poleg histonske regulacije BDNF gena, pa na izražanje vpliva tudi modifikacija same DNA. Različne ravni metilacije promotorja tega gena vplivajo na njegovo izražanje. Metilacija in demetilacija se v celici dogaja ves čas, tudi ko je ta že diferencirana. V možganskih celica je to bistvenega pomena pri oblikovanju spomina. Metilacija oz. demetilacija lahko traja od nekaj sekund, do nekaj ur, pa tudi več desetletij. Nek metilacijski vzorec pa se lahko celo prenaša iz generacije v generacijo. Pri kratkotrajnem spominu naj bi metilirano stanje trajalo nekaj minut, pri dolgotrajnem pa tudi skozi celo življenje. Nevroni odraslega človeka se ne delijo več in verjetno se tudi zato razvil ta mehanizem modifikacije, kot del nadaljnega razvijanja možganov. Pomenijo izkustveno pridobljene spremembe vedenja kot so učenje, spomin in dolgotrajne navade. Ravno zato je epigenetski status tako zelo bistven pri razvijanju in funkcionalnosti možganov.

Bolezni

Veliko možganskih funkcij je odvisnih od sprememb v genskem izražanju. Zato ima epigenetika velik vpliv na kognitivne sposobnosti, razvoj možganskih bolezni ter odvisnosti. DNA in histonsko modifikacijo povzročijo različni dejavniki, kot je prehrana ter vpliv kemikalij (ftalati). V določenih primerih pa se epigenetski status lahko tudi deduje iz generacije v generacijo, kar pojasnjuje prisotnost neke bolezni v družinah.

Rett sindrom

Rettov sindrom je naziv za skupek simptomov, ki jih povzroči genetska napaka na kromosomu x. Posledično pride do zaostanka v razvoju možganov. Je ena najbolj raziskanih bolezni z vidika delovanja epigenetike. Sindromi nastanejo zaradi mutacije gena, ki zapisuje za MeCP2 (Metil-CpG binding protein-2). MeCP2 je protein, ki se veže na metilirano CpG območje na promotorskem mestu na DNA. Deluje kot dolgoročni epigenetski modulator, ter ob vezavi deluje kot utiševalec transkripcije. Njegova prisotnost regulira tudi nadaljno metilacijo na DNA, saj pripomore, da DNMT (DNA metiltransferaza) dodatno modificira kromatin. Če je gen za njegov zapis mutiran, bo izražanje mnogih genov nepravilno regulirano, kar povzroči nastanek mnogih različnih sindromov (rett sindromi), kot so kognitivne in motorične disfunkcije, mentalna retardacija in motnja usklajenosti gibov, lahko se pojavi tudi epilepsija. DNA metilacija je običajno povezana z represijo transkripcije genov. Kot že omenjeno, se na takšno DNA lahko vežejo proteini kot je MeCP2, ti pa olajšajo vezavo še enega encima HDAC (histonska deacetilaza)na histone. HDAC histone deacetilira, kar pomeni še dodatno deaktivacijo gena. Ta dva dogodka skupaj oblikujeta strukturo kromatina in fizično onemogočata, da bi se lahko na promotorje vezali transkripcijski faktorji. V primeru, da je protein MeCP2 nefunkcionalen, pride do motenj v regulaciji izražanja genov. Transkripcija je takrat onemogočena, kar lahko izzove razne bolezni in disfunkcije možganov, za katere so značilni rett sindromi.

Huntingtonova bolezen

Je avtosomalna, dominatno dedovana, progresivna bolezen, katere značilnosti so nehoteni grobi gibi, upad kognitivnih sposobnosti ter čustvene in psihiatrične motnje. Izguba nevronov in astroglioliza je posledica prevelikega povečanja števila CAG trinukleotidov na genu, ki nosi zapis za protein huntingtin. Zaradi te mutacije postane huntingtin neaktiven in proteolitični encimi ga fragmentirajo. Fragmenti tvorijo nekakšne gmote, ki se akumulirajo v celici. Posledica so motnje v prevajanju signala in odmiranje nevronov. Huntingtin je zelo pomemben protein, saj normalno omogoča ekspresijo gena za BDNF (brain derived neurotrophic factor). Ta je nujno potreben za oblikovanje dolgotrajnega spomina, njegova inhibicija pa pomeni kognitivne in mentalne okvare na ravni transkripcije. Epigenetski vpliv je omejen predvsem na (CAG)n regijo, kjer lahko pride do modifikacij. Dodatno pa se ta regija nahaja še v območju CpG, ki je prav tako precej dovzetna za modifikacijo, posebno na citozinu. Raziskave so pokazale, da prav modifikacija DNA in histonov vpliva na stabilnost teh ponovitev in da je DNA metilacija povezana z mutagenezo, ki pomeni več CAG zaporedij, kot je običajno.

Shizofrenija

Obsega več različnih vrst duševnih bolezni, ki obsegajo motnje v mišljenju, zaznavanju, čustvovanju, hotenju… Sem uvrščamo npr. avtizem, kjer pacienti bežijo iz resničnosti v lasten notranji svet, povezan z halucinacijami in blodnjami. Vzrok bolezni naj bi bila abnormalna regulacija gena za protein reelin, raziskave pa shizofrenijo povezujejo še z nepravilnim izražanjem še mnogih drugih genov. Reelin je pomemben pri oblikovanju možganov že zgodaj v razvoju in kasneje pri učenju. Gen naj bi bil pri pacientih zaradi hipermetilacije na CpG mestih promotorja manj aktiven, kot je normalno. DNA metilacija se običajno zgodi že zelo zgodaj v otroštvu in ostane nespremenjena ves čas našega življenja . Lahko pride do modifikacije tudi kasneje v življenju, tudi v starosti, na kar močno vpliva okolje. Shizofrenija naj bi se tudi dedovala. V družinah, kjer je bolezen že prisotna, je verjetnost, da se bo pojavila še pri kakšnem sorodniku, 9x večja kot splošno v populacij. Raziskave kažejo na to, da se epigenetski status nekega točno določenega gena lahko prenaša iz generacije v generacijo.

Alzheimerjeva bolezen

Bolezen nastane zaradi nastanka nevrofibrilarnih vozlov v celici, oziroma tvorjenja zunajceličnih plakov. Posledica je odmrtje nevronov in sinaps v možganih. Plaki nastanejo ob prisotnosti polipeptida ß-amiloida, okoli katerega se nalagajo drugi proteini. ß-amiloid nastane pri hidrolizi APP (amyloid precurzor protein), ter povzroča hude bolezni tudi v drugih organih v telesu. Posledica kopičenja tega proteina v možganih je demenca in končno smrt. Epigenetski mehanizem te bolezni, ki regulira ekspresijo genov in stopnjo oksidativno poškodovane DNA, deluje preko metilacije ali oksidacije CpG dinukleotidov v promotorjih gena za APP. Vpliv okolja lahko že v zelo zgodnjem obdobju razvoja možganov inhibira DNMT (DNA metiltransferazo). Zaradi tega pride do hipometilacije genov, kot npr. gena za APP. Ti zgodnji vzorci se lahko ohranijo in izrazijo šele pozno v življenju, posledica pa je povečano izražanje APP in s tem ß-amiloida, kar pomeni tvorbo plakov v celici, povezanih z nevrodegenerativnimi dogodki. Pomemben dejavnik te bolezni je tudi oksidativni stres. Gre za oksidacijo makromolekul, tudi DNA. Gvanin ima glede na ostale nukleotide majhen oksidacijski potencial in ROS (reactive oxygen species ) z njim najhitreje reagirajo. Pri tem nastane oxo8dG (oksidirana oblika gvanina). Zaradi te modifikacije postane afiniteta transkripcijskih faktorjev, ki se vežejo na DNA spremenjena, kar močno vpliva na ekspresijo genov. Glede na to, da ima APP promoter kar 72% GC parov, oziroma kar 5x več CpG regij kot običajni promotorji, je bolj dovzeten za metilacijo DNA in oksidacijo, ki se običajno zgodi ravno na citozinu.

Histonska modifikacija in bolezni možganov

Do sedaj je bilo govora večino o pomenu modifikacije na sami DNA. Velik pomen na izražanje genov ima tudi modifikacija histonov. Običajno acetilacija histonov pomeni aktivacijo genov, deacetilacija pa utišanje genov, kot tudi metilacija na DNA. Preko določenih proteinov (MeCP2) sta ta dva dogodka povezana in vplivata drug na drugega. HDAC, encim, ki deacetilira histone, običajno pomaga pri nastanku nevrodenerativnih boleznih, kot so shizofrenija, Huntingtonova in Parkinsonova bolezen. HDAC inhibitorji (HDI) torej delujejo kot nevroprotektorji. Preprečujejo oz. upočasnijo odmiranje nevronov in vitro in in vivo, njihovo delovanje pa se s pridom uporablja že v klinične namene.

Vplivi alkohola, zdravil in drog

Etanol je škodljiv teratogen, ki inducira številne nevronske okvare predvsem pri razvoju otroških možganov. Prav tako ga povezujejo s posledičnimi vedenjskimi in drugimi fiziološkimi motnjami. Na zvezo z epigenetskimi mehanizmi kažejo redke študije, ki dokazujejo vpletenost etanola v spremembe diferenciacije nevronskih celic ter drugih epigenetskih mehanizmov, kjer naj bi etanol inhibitorno vplival na metabolizem eno-karbonskih skupin, DNA metiltransferazo in metilacijo DNA ter modifikacije histonov in nekodirajočih RNA. Predpostavljeno je, da so te spremembe v epigenetskem programiranju lahko osnova teratogenih posledic uživanja večjih količin etanola tako pred kot tudi med nosečnostjo, kot je fetalni alkoholni sindrom. Dandanes je med drugim na voljo tudi vrsta različnih zdravil, ki delujejo kot inhibitorji funkcij določenih proteinov, pri tem pa je glavna tarča DNA saj je osnova za določanje njihove ekspresije. Zdravila se na DNA vežejo na različne načine. Lahko je to posredno z nadzorovanjem encimov in faktorjev vpletenih v transkripcijo ali pa z molekulami, ki se vežejo direktno na določene dele dvojne vijačnice in vplivajo na interakcijo med DNA in proteini. Tako neposredno delovanje zdravil na DNA ima pogosto neprijetne stranske učinke posledično pa so lahko pri tem na udaru tudi drugi, na primer replikacijski sistemi DNA, ki so ključni za nemoten razvoj celice. Droge, kot sta na primer kokain ali heroin sprožajo epigenetske spremembe v določenih možganskih predelih, kjer naenkrat vplivajo na stotine genov. Nekatere od teh sprememb ostanejo tudi po odstranitvi škodljive substance iz telesa in se verjetno tudi trajno zapisujejo v epigenetski kod. Obstajajo tudi študije, ki namigujejo, da je povečana metilacija DNA lahko predispozicija za očutljivost posameznika na razvoj odvisnosti. Stanje hipermetilacije je lahko poleg dednega prenosa preko genomskega podvojevanja tudi posledica drugih življenjskih dogodkov. V končni fazi pa dolgoročno uživanje takšnih substanc tudi samo po sebi vpliva na epigenetski status.

Viri

1. Jonathan M. Levenson and J. David Sweatt, Epigenetic mechanisms in memory formation, Nature February 2005 volume 6 108-118 http://neuroschool.univ-lille1.fr/mes_documents/reul/levenson_and_sweatt_nat_neurosci_rev_2005.pdf
2. Nasser H. Zawia, Debomoy K. Lahiri and Fernando Cardozo–Pelaez, Epigenetics, oxidative stress and Alzheimer’s Diseas, Free Radic Biol Med. Author manuscript PMC 2010 May 1 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2673453/
3. Tania L. Roth, Farah D. Lubin, Monsheel Sodhi and Joel E. Kleinman, Epigenetic mechanisms in schizophrenia, Biochim Biophys Acta. Author manuscript PMC 2010 September 1 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2779706/
4. David Berreby, Environmental Impact, The scientist Volume 25 Issue 3 Page 40 http://www.the-scientist.com/article/display/58009/
5. Philip C. Haycock, Fetal Alcohol Spectrum Disorders: The Epigenetic Perspective, Biology of Reproduction October 1 2009 vol. 81 no. 4 607-617 http://www.biolreprod.org/content/81/4/607.long