Vítáme vás u prvního článku z našeho zbrusu nového seriálu o epigenetice.
Pokud v oboru teprve začínáte a chcete se dozvědět, co to epigenetika vlastně je, jaké otázky mohou zodpovědět epigenetické studie a jak se provádí epigenetický výzkum, pak jste tu správně!
V prvním příspěvku popíšeme, co je epigenetika, čím se liší od genetiky, a také vám nabídneme přehled různých typů možných epigenetických modifikací.
Co je to vlastně epigenetika?
Stručně řečeno, epigenetika se zabývá studiem dědičných změn funkcí genů, které nesouvisejí se změnou v sekvenci genomu.
Zatímco obor genetiky se zabývá studiem genů a tím, jak mohou změny v sekvenci genomu vést ke vzniku dědičných a ireverzibilních fenotypů, epigenetika řeší, jakým způsobem dochází ke změnám fenotypu řízenou aktivací či deaktivací genů beze změny základního kódu.
V minulosti byla epigenetika spojována se studiem evoluce a vývoje organismů a tento pojem se volně užíval k popisu v té době málo známých procesů, jimiž se oplodněná vajíčka (zygoty) vyvíjejí ve zralé, složité organismy. Pokroky ve výzkumu a technologiích, které nám umožňují podrobně zkoumat molekulární mechanismy uvnitř buněk, podnítily rozvoj epigenetiky jako moderního a dynamického oboru, který se snaží hledat odpovědi na složité otázky a nacházet řešení v oblasti základního výzkumu vzniku onemocnění, jejich diagnostiky a léčby.
Fantastickým příkladem epigenetiky v praxi je metamorfóza housenky v motýla. Motýl má tentýž genom jako housenka, z níž se vyvine. Epigenetika v průběhu metamorfózy zajišťuje expresi správných genů ve správný okamžik tím, že některé geny řízeně aktivuje a jiné umlčuje.
Jak dochází k epigenetickým změnám?
Slovo epigenetika pochází z řeckého ἐπι (epi), jež znamená „nad, mimo, kolem“, což je vcelku trefné, neboť epigenetika se projevuje vlastnostmi, které se vyskytují „nad rámec“ tradičního genetického základu dědičnosti, nebo „navíc“ k tomuto rámci.
K epigenetickým změnám dochází několika cestami: Metylací DNA a RNA, modifikací histonů a expresí mikroRNA. K nim se v našem seriálu ještě vrátíme. Nyní se však podívejme na to, jakým způsobem jsou uspořádány nebo v jádře uloženy chromozomy, které obsahují genomickou DNA, neboť právě to je klíčem k pochopení základního principu epigenetiky.
Chromozomální DNA je ovinuta kolem jádra tvořeného histony. Histony jsou kladně nabité proteiny se silnou vazbou na záporně nabité molekuly DNA. Vytvářejí komplexy zvané nukleozomy.
Každý nukleozom se skládá z úseku DNA, který je přesně 1,65krát ovinut kolem osmi histonových proteinů. Nukleozomy se skládají do chromatinových vláken způsobem, který připomíná korálky na šňůrce. Ty se dále stlačují a formují, až vznikne vlákno o šířce 250 nm, které je pevně svinuto do chromatidy chromozomu.
Ale co to má co dělat s epigenetikou? Zjednodušeně řečeno DNA, která je pevně ovinuta kolem histonů, nelze přepsat, protože transkripční mechanismus k ní nemá přístup, a příslušné sekvence/geny se tudíž jeví být tiché.
Opakované sbalování a rozbalování DNA
V průběhu embryogeneze a života každého organismu dochází k opakovanému zapínání a vypínání genů – rozbalováním a opětovným sbalováním genomické DNA, a to koordinovaným a řízeným způsobem, což umožňuje diferencovanou genovou expresi, která zajišťuje diferenciaci buněčných typů, orgánů a tělesných systémů se stejným genetickým kódem, ale odlišnými funkcemi, a to z jediné buňky – oplozeného vajíčka.
Epigenetické změny vyvolává celá řada faktorů včetně věku a vlivů životního prostředí, např. užívání léků, strava, cvičení a působení chemických látek, onemocnění, ale i behaviorální a psychologické faktory, včetně nálady, stresu, deprese, úzkosti atd.
Epigenetické změny se podílejí rovněž na vzniku onemocnění. Výzkum v posledních letech poukázal na roli epigenetiky u řady lidských nádorových onemocnění. Faktory ovlivňující epigenetiku představují široké výzkumné pole, jímž se v tomto seriálu už dále nebudeme zabývat, avšak zajímavé odborné články naleznete zde: soubor významných článků týkajících se epigenetiky a transkripce.
Mnoho druhů epigenetických změn
Výše jsme už zmínili, že k epigenetickým změnám dochází různými způsoby, mezi něž patří metylace DNA a RNA, modifikace histonů a exprese mikroRNA. Všechny tyto modifikace mají vliv na to, jak přístupný je chromatin transkripčnímu mechanismu, včetně transkripčních faktorů, polymeráz a dalších proteinů nezbytných pro transkripci. Podívejme se na hlavní typy možných epigenetických modifikací:
Metylace DNA:
Dochází k ní přidáním metylové skupiny k bázi, nejčastěji na pátý uhlík cytosinu. Metylace DNA je zdaleka nejintenzivněji sledovanou epigenetickou modifikací. Metylace na pátém uhlíku cytosinu je ve vědecké literatuře označována jako 5-metylcytosin (5-mC).
5-mC má na metylovanou oblast tlumivý účinek a obecně platí, že čím je v dané genové sekvenci vyšší stupeň metylace, tím nižší je úroveň exprese tohoto genu. Související modifikací je 5-hydroxymetylcytosin (5-hmC) – jemuž se v posledních letech dostalo mnoho pozornosti, avšak není dosud plně pochopen – který může jako pomocný marker vést spolu s dalšími procesy k aktivní demetylaci cytosinu, a dříve metylovanou oblast tak opět zapnout.
Přidání metylové skupiny do cytosinu katalyzují DNA metyltransferázy (DNMT) s využitím S-adenosylmethioninu (SAM) jako substrátu. SAM je hlavním metylačním činidlem u savců a je produktem methioninového cyklu. Další třída enzymů, tet metylcytosindioxygenázy (TET), zprostředkovává při tvorbě 5hmC oxidaci metylovaného cytosinu v DNA.
Metylace DNA je důležitá při embryonálním vývoji, inaktivaci chromozomu X* a genomickém imprintingu**, probíhá celý život a je ovlivněna stárnutím, expozicí okolnímu prostředí, životním stylem i onemocněními.Obrázky použity se svolením společnosti Epigentek.
* Inaktivace chromozomu X je proces, ke kterému dochází během časné embryogeneze, kdy je jeden z chromozomů X u žen (XX) umlčen, a tudíž se počet chromozomů X u mužů (XY) a žen vyrovnává.
** Genomický imprinting je fenomén genového označování, který se u savců vyskytuje v zárodečné linii a má za následek maternální nebo paternální expresi vybrané podskupiny genů. Genomický imprinting je důležitým aspektem normálního vývoje u savců, ale vzhledem k tomu, že imprinting genu činí organismus pro tento gen z hlediska fenotypu haploidním, mutace exprimovaného genu mohou vést ke vzniku onemocnění.
Metylace RNA:
Metylace RNA je reverzibilní posttranslační modifikace, která probíhá u mnoha různých druhů RNA včetně mRNA, tRNA, rRNA, tmRNA, snRNA, snoRNA, miRNA a virální RNA. Metylaci RNA katalyzují RNA metyltransferázy, přičemž nejrozšířenějšími a nejčastěji studovanými markery jsou N6-metyladenosin (m6A) a 5-metylcytosin (5-mC). Samotný m6A stojí za 80 % veškeré metylace RNA v eukaryotech a někdy bývá označován za „pátou bázi RNA“, jež se rozsáhle podílí na regulaci embryonálního vývoje a osudech buněk. Výzkum ukazuje, že metylace RNA ovlivňuje regulaci mnoha biologických procesů, jako je stabilita a translace mRNA, přičemž důsledkem abnormální metylace RNA je mnoho lidských onemocnění včetně nádorových.
Modifikace histonů:
Existuje pět hlavních typů histonů (H), které dohromady tvoří devět různých histonů H1–H5, H2A, H2B, H3 a H4. Hlavní epigenetické modifikace se vyskytují u histonů H3 a H4. Tyto modifikace zahrnují přidání částí metylu, acetylu, fosfátu nebo ubikvitinu do zbytků fixovaných aminokyselin přítomných na konci sekvencí histonových proteinů.
Obrázek použit se svolením společnosti Epigentek.
Studium epigenetiky
V dalších třech článcích vás seznámíme s různými přístupy ke studiu epigenetiky.
Existuje mnoho způsobů, jak analyzovat epigenetické modifikace, a tak abychom si tento na první pohled nelehký úkol zjednodušili. Rozdělíme ho podle analyzovaných molekul, tj. RNA, DNA, histonu, chromatinu, enzymů, nebo transkripčních faktorů účastnících se mediace epigenetických modifikací, příp. celkového cíle analýzy, tj. zda je cílem zaměřit se na globální, nebo lokální epigenetické změny.
(Převzato od společnosti Nordic BioSite, redakčně upraveno.)
Druhý díl cyklu si můžete přečíst ZDE.