Epigenetyka - ujawnia prawdziwe funkcjonowanie DNA

Epigenetyka, nowa dziedzina badań naukowych, chce ujawnić prawdziwe funkcjonowanie DNA. Jest prawie tyle samo metafor, aby opisać geny, ile jest istniejących genów. Jedną z najbardziej znajomych i z najtrudniejszych do zapomnienia pozostaje metafora „modelu” czystego i precyzyjnego.

Jest ona zarazem bardzo uspokajająca (z faktu jej przejrzystości) oraz przytłaczająca swoim determinizmem: genom ma być niczym więcej jak tylko planem reprezentującym naszą wewnętrzną architekturę. Ma on organizować i zarządzać rozwojem naszego ciała, determinować nasz wzrost, nasze zdrowie, idąc aż do naszego nastroju – i to nawet zanim się jeszcze urodzimy.

Kartografia genomu, źródło wiedzy

Nie ma więc w tym nic zadziwiającego, iż uważamy kartografię genomu za źródło wiedzy – nie tylko na temat nas samych, ale być może również na temat naszej przyszłości. Być może przypominacie sobie nadzieje, które zrodziły się z „Projektu genomu ludzkiego” w latach dziewięćdziesiątych XX wieku?

Kartografia genetyczna jest dzisiaj prawie kompletna, ale sporej części informacji i tak nam jeszcze brakuje. W Epigenetics: The Ultimate Mystery of Inheritance, profesor Richard Francis śledzi pojawianie się alternatywnego paradygmatu genetycznego (paradygmat to zbiór teorii i pojęć, które stanowią podstawy danej nauki).

Profesor Francis dostarcza nam więc konkluzje, wyciągnięte przez naukowców prowadzących bardzo zaawansowane, szczegółowe badania: ich zdaniem, jeśli nawet nasze DNA kształtuje nasz byt, to jednakże daleko mu do bycia ustalonym planem, do bycia nieelastyczną, niezmienną wyrocznią. DNA bowiem również możemy ukształtować. Siły, które wpływają na nasze przeznaczenie, mogą być wpisane jedynie w prosty, szczegółowy plan. Na dobre i na złe.

DNA jest również kształtowany

Popularyzujące dzieło profesora Francisa przedstawia nam nową dziedzinę badań, której korzenie poprzedzają rozwój genetyki czysto deterministycznej. W jaki sposób jest kształtowany DNA? Już pod koniec XIX wieku w zasadzie niektórzy naukowcy zaczęli stawiać sobie to pytanie. A Hans Driesch jest jednym z nich; badania, które przeprowadził więc na embrionach jeżowców, ujawniają centralną rolę administrującą, którą odgrywają komówki w rozwoju organizmu.

Hans Driesch odkrył, że jeśli usunie się komórki ze ściśle określonego regionu embrionu (na przykład, z regionu, gdzie pojawią się w przyszłości kolce), i jeśli przemieści je się następnie gdzieś indziej (powiedzmy, w miejsce przyszłej jamy gębowej), to ich funkcja się zmienia: żaden kolec nie pojawi się w jamie gębowej tego stworzenia; jego jama gębowa pozostanie normalna. Tożsamość komórki nie wynika więc z przepisu genetycznie predeterminowanego. Fundamentalnie, to właśnie sygnały emitowane przez komórki sąsiadujące determinują ekspresję genów, które ta komórka zawiera.

Cień Lamarcka ciągle krąży nad tą dziedziną

I to właśnie ten proces dał sygnał do rozpoczęcia badań w dziedzinie epigenetyki. Poza eksploracją sposobu, w jaki komórki kontrolują geny, które w sobie zawierają, dyscyplina ta ma na celu również zrozumienie, w jaki sposób zmodyfikowane geny są przenoszone, kiedy komórki się reprodukują – i to w trakcie jednej egzystencji; ale również, co jeszcze bardziej niewiarygodne, poprzez pokolenia. Jeśli więc tutaj pomyśleliście o innej, historycznej postaci, macie w zupełności rację.

Cień Lamarcka, niegdyś fantastycznego przedmiotu drwin, krąży nad tą nową dziedziną. Jean-Baptiste de Lamarck, francuski biolog, który w XVIII wieku sugerował, że jeśli dana żyrafa stale wyciąga swoją szyję, aby dosięgnąć liści na drzewach, to jej małe urodzą się z dłuższymi szyjami.

Idee Lamarcka, jeśli chodzi o nabywanie i transmisję cech charakterystycznych, były z całą pewnością głównie błędne. Ale, jego podstawowa idea, według której wydarzenie przeżyte w ciągu życia przez jednego rodzica może się przekształcić w podstawową cechę u dziecka (na bardzo długi czas porzucona na śmietniku biologii), odżyła. Poszukiwania epigenetyczne polegają na odkrywaniu w jaki sposób elementy chemiczne, które towarzyszą genom, zarządzają przeznaczeniem jednostki, modyfikując długoterminowo ekspresję genów.

Koniec teorii genów kontrolerów

Jeśli koncept regulacji komórkowej ekspresji genów może wydawać się skomplikowany, to właśnie dlatego, że taki jest – co wyjaśnia (również nasze przekonanie o modelu predeterminowanym, kierującym naszym życiem), dlaczego domena epigenetyki rozwija się tak szczególnie powoli.

Badania, które się akumulują od dziesiątków lat, burzą ideę genów kontrolerów, które są albo „zapalone”, albo „wygaszone”. Profesor Richard Francis odkrywa przed nami różne sposoby, w jakie nasza osobowość i nasze zdrowie mogą się manifestować poprzez nasze geny, nie będąc zakodowanymi jednak w DNA.

Autor pokonuje etap po etapie. Nic bardziej normalnego: jesteśmy na ziemi nieznanej. Idea, według której siły środowiskowe mogłyby być determinujące na planie genetycznym, nie przeciwwstawia się konceptom „wrodzonego” i „nabytego”, dwóm kategoriom solidnie zakotwiczonym w naszych umysłach.

Regulacja genetyczna „zwykła”

Profesor Richard Francis zaczyna od wyjaśnienia działania regulacji genetycznej krótkoterminowej, albo „zwyczajnej” (a nie epigenetycznej), która dokonuje się poprzez androgeny (testosteron...) w trakcie normalnego rozwoju, ale również w sytuacjach anormalnych; kiedy atleta nadużywa steroidów, na przykład.

Normalny poziom testosteronu zmienia ekspresję genów, ale wysoki poziom testosteronu zmienia ją w sposób przesadny: mięśnie bardziej rozwinięte, mniejsze jądra i agresja nie podlegająca żadnej kontroli. Jeśli zażywasz sterydy, dotkną one niektórych komórek twojego ciała. Aktywność genetyczna komórek jest zmodyfikowana, a twoje ciało się zmienia.

Modyfikacje regulacji genetycznej „zwyczajnej” zatrzymują się na komórkach, których to dotyczy, i na twojej własnej osobie. Kiedy komórki się dzielą, nie przenoszą one anormalnej aktywacji genetycznej. Dzieci osoby naużywającej sterydów odziedziczą geny swoich rodziców, ale nie odziedziczą zmian przyniesionych ekspresji genów przez steroidy synetyczne.

Zobacz również:

Związki społeczne mogą również zmieniać ekspresję genów

Ale ekspresja genów nie zmienia się tylko i wyłącznie pod wpływem zaabsorbowanych substancji chemicznych. Związki społeczne mogą również ją zmodyfikować. W latach dziewięćdziesiątych XX wieku, naukowcy zaczęli badać wpływ, jaki może mieć statut socjalny na genetykę. Badania odniosły się na przykład do gatunku pielęgnic w Afryce, gdzie istnieją dwa typy samców.

Pierwsze królują jako władcy swojego terytorium; są one obdarzone pięknymi łuskami o żywych i błyszczących barwach, mają wielkie jądra i neurony, i mają również nadmiar testosteronu, który mogłyby wręcz sprzedawać. Drugi typ samców z kolei nie ma terytorium; i jest o wiele mniej imponujący. Dysponują one jedynie niewielką ilością testosteronu i nie mogą się rozmnażać.

Naukowcy odkryli, że mogli manipulować statusem socjalnym tych ryb, ich poziomem testosteronu (i wszystkim, co za tym idzie), zadowalając się jedynie modyfikacją ich „kręgu znajomych”. Jeśli umieszczali oni „dominującego” samca w akwarium, gdzie znajdowały się inne samce dominujące, ale w o wiele większym rozmiarze, były reproduktor tracił swoje kolory; jego jądra i neurony się skurczały i przekształcał się on – dosłownie – w samca niedominującego. I na odwrót, kiedy naukowcy umieszczali małego nieśmiałego samca w akwarium goszczącym samice oraz samce w mniejszych rozmiarach, samiec przekształcał się w dominatora.

Jak zauważa to profesor Richard Francis, nie możemy oczywiście przeprowadzać takich doświadczeń na istotach ludzkich. Ale badania te udowadniają jednakże, że kontekst może zmienić funkcjonowanie genów.
Modyfikacje epigenetyczne poddają w wątpliwość nasz sposób postrzegania genów.

Zmiany, które wynikają ze standardowej regulacji genetycznej, są krótkoterminowe, ale modyfikacje epigenetyczne zmieniają sposób, w jaki geny reagują na świat przez dłuższy okres czasu – nawet kiedy oryginalna przyczyna już zniknęła. I to właśnie ten wpływ przez długi czas, który jest co najmniej zaskakujący, sprawia, że epigenetyka jest jednym z najbardziej pociągających zwrotów – i przerażających – w naszym sposobie patrzenia na geny.

Modyfikacje epigenetyczne mogą się pojawić w wieku dorosłym, w dzieciństwie, a nawet in utero (zjawisko wyjaśnione w dziele Origins, napisanym przez Annie Murphy Paul). W konsekwencji, dane wydarzenie z twojego dzieciństwa może zmienić sposób, w jaki geny reagują w innej sytuacji w wieku dorosłym. Mogło się wydawać nieco naiwnym przypuszczanie, że jesteśmy zaprogramowani przez nasze geny, ale ta idea była naznaczona dziwnym egalitaryzmem: rodziliśmy się z różnymi genami, ale doświadczaliśmy ich działania w taki sam sposób.

Zachowanie genów zmodyfikowane przez substancje chemiczne

Wraz z konceptem modyfikacji epigenetycznej, stajemy się wszyscy natychmiast uczestnikami przymuszonej loterii genetycznej, ale również ofiarami sił środowiskowych; sił, których nie możemy zobaczyć albo kontrolować, ale które zaburzają nasz materiał genetyczny i które zmieniają nasze przeznaczenie.

Na poziomie DNA, modyfikacja genetyczna pojawia się, kiedy określone substancje chemiczne utwierdzają się na danym genie, zmieniając jego zachowanie. Pierwsza z tych fiksacji, która została odkryta, dotyczy grupy metylowej i pozostaje do dzisiejszego dnia najbardziej znaną.

W latach osiemdziesiątych XX wieku, odkryto, że różne stopnie metylacji mogły uszkadzać ekspresję genów na wiele sposobów, oraz że demetylacja mogła również spowodować wiele uszkodzeń. W zależności od genów, których to dotyczy, można sprowokować spontaniczne podziały komórkowe, inaczej mówiąc: nowotwory.

Fiksacje genetyczne mają wiele przyczyn, a badania wskazują, że mogą one iść od zanieczyszczenia atmosferycznego aż do stresujących interakcji społecznych. Badania przeprowadzone nad długoterminowymi efektami złego odżywiania u kobiet ciężarnych pozwalają myśleć, że jedzenie przyjmowane przez przyszłą matkę może ukształtować geny jej przyszłego dziecka. I jest to również prawdziwe dla jedzenia, którego kobieta nie je.

Historyczny głód pozwala zbadać ten proces

Najbardziej precyzyjne dane, do których mamy dostęp, jeśli chodzi o modyfikacje genetyczne długoterminowe, pochodzą z okresu potwornego głodu w Holandii, w 1944 roku; naziści przerwali dowóz produktów pokarmowych, zniszczyli transport oraz zalali tereny rolnicze na zachodzie kraju. Sytuacja ta pozwoliła przeprowadzić badania referencyjne w tej dziedzinie. I dzięki nadzwyczajnej jakości archiwów holenderskich, które pozwoliły badaczom uzyskać solidne podłużne dane na temat licznych i głębokich reperkusji głodu.

U dzieci, które w okresie głodu były w trakcie rozwoju płodowego, stwierdzono zaostrzone ryzyko schizofrenii, osobowości antysocjalne, a także zaburzenia psychologiczne; pięćdziesiąt lat później, zaobserwowano nawet większe zagrożenie otyłością. Na pierwszy rzut oka, można by uwierzyć, że wszystkie te dzieci odziedziczyły po prostu słabe zdrowie.

Ale nie jest to takie proste. Wpływ zależy od ściśle określonego okresu, w którym płód doświadczył efektów głodu, wyjaśnia profesor Francis. Kobiety, których matki cierpiały głód w pierwszym trymestrze ciąży są bardziej zagrożone zachorowaniem na raka piersi; a w drugim trymestrze ciąży – zaburzeniami płuc oraz nerek.

To właśnie amerykański lekarz Clement Smith przeprowadził takie badania i to jemu zawdzięczamy te odkrycia. W 1945 roku, lekarz ten został wysłany do Holandii, aby pomógł populacji lokalnej; a odkrył on tam prawdziwą kopalnię danych, którą są archiwa holenderskie. Zdał on więc sobie sprawę z tego, że dzieci urodzone w okresie głodu są o wiele mniejsze niż dzieci urodzone przed tym okresem.

Liczne zespoły badawcze powróciły więc do tych danych, które zostały zaktualizowane w przeciągu ostatnich dziesięcioleci: zespoły te odkryły, że głód wpływał jeszcze na życie Holendrów nawet dzisiaj, nawet na życie tych, którzy zostali urodzeni po tych wydarzeniach.

FCI2, gen modyfikowany przez głód

Badania stały się epigenetycznymi już dwadzieścia lat temu, kiedy naukowcy oddali się poszukiwaniu genów zmodyfikowanych u osób, które przetrwały okres głodu, aby dowiedzieć się, czy zmodyfikowane DNA może wyjaśniać istniejące różnice między tymi, którzy przeżyli. W 2009 roku, pewna ekipa rzuciła światło na jeden z najbardziej ekscytujących wyników: analizując niektóre komórki krwi osób dorosłych, które przeżyły głód in utero, badacze odkryli anormalne fiksacje epigenetyczne na genie, który koduje hormon nazywany „insulinopodobnym czynnikiem wzrostu typu 2” (FCI2).

Hormon ten odgrywa główną rolę w rozwoju, przede wszystkim w rozwoju płodu. Stwierdza się, że gen FCI2 osób, które ucierpiały z powodu głodu, jest metylowany w pewien sposób; w sposób inny niż zachodzi metylacja zaobserwowana u osób, które nie cierpiały z powodu głodu.

Naukowcy nie są jeszcze pewni tego, czy udało im się wyśledzić specyficzny łańcuch przyczynowy między fiksacjami epigenetycznymi, genami oraz życiem osób, których to dotyczy; ale te fiksacje stanowią namacalny dowód istnienia modyfikacji epigenetycznej in utero, a także prawdopodobnej przyczyny problemów zdrowotnych, które pojawiły się wiele dziesięcioleci później.

Modyfikacje, które mogą objąć całe pokolenia

Jest coś jeszcze o wiele bardziej fascynującego – i niepokojącego: może się wydawać, że konsekwencje modyfikacji epigenetycznej mogłyby dotykać wiele generacji. W pewnym szwedzkim miasteczku, które również dysponuje archiwami zbiorów rolniczych z wielu setek lat, odkryto, że wnukowie (ze strony ojca) mężczyzn, którzy ucierpieli wcześniej z powodu głodu, byli mniej narażeni na problemy sercowo-naczyniowe niż wnukowie mężczyzn, którzy takiego głodu nie poznali.

Ale poczekajcie jedną minutę: według powszechnej opinii, jedynie geny mogą być przeniesione z jednego pokolenia na drugie. Większość fiksacji epigenetycznych jest usuwanych z genów w momencie powstawania spermy i komórek jajowych. A jednak, wydaje się, że ślad pewnych fiksacji genetycznych został przeniesiony, i odtworzony w genomie embrionu. Co oznacza, że dane wydarzenie z życia waszych rodziców, przeżyte jeszcze przed waszym poczęciem, może dzisiaj wpływać na funkcjonowanie waszych genów.

Inaczej mówiąc, grzechy ojców mogą być obecne w kwasie dezoksyrybonukleinowym ich synów. Ale do jakiego stopnia wasze córki i wasi synowie są kowalni? Mechanizmy, o których mowa, są niewiarygodnie subtelne. Badacze zaczynają właśnie rozumieć funkcjonowanie – i powód – tego procesu.

Epigenetyka do badań nad nowotworami

Byłby naprawdę powód, aby żałować dawnej prostoty determinizmu genetycznego, który pozwalał nam przynajmniej myśleć, że nasze przeznaczenie genetyczne pozostanie takie same przez całą długość naszego życia. Na szczęście, epigenetycy obiecują nam, że wydarzenia pozytywne z naszego życia również mogą być przeniesione.

Profesor Richard Francis wyjaśnia, że badacze w dziedzinie medycyny mają wielką nadzieję na odwrócenie efektów anormalnej epigenezy. Może się zdarzyć na przykład, że szkody spowodowane przez pewną liczbę nowotworów mogą być epigenetyczne. Jeśli te fiksacje epigenetyczne mogłyby być zmodyfikowane, byłoby być może możliwe przerwanie progersji procesów nowotworowych.

Cała gama problemów cielesnych, które mogą wynikać z faktu fiksacji epigenetycznych, ma nadzwyczajny rozmiar – ale nie obejmuje ona jednak wszystkich chorób. Niektóre specyficzne zaburzenia podążają jeszcze drogą determinizmu. Jeśli masz więc pecha, iż wyciągnąłeś los z mutacją genetyczną choroby Huntingtona w loterii genetycznej, zostaniesz śmiertelnie ugodzony przez tę chorobę.

Komórka jako miejsce w budowie

Profesor Richard Francis podkreśla – słusznie zresztą – cuda epigenetyki, a także rygor molekularny, który epigenetyka przynosi idei, według której życie jest procesem twórczym; procesem, który nie jest już predeterminowany przez nasz genom czy przez Boga. Ale jeśli poszukiwania epigenetyczne zapraszają nas do marzeń o całkowitej kontroli – autostworzenie via manipulacja środowiskowa – to podkreślają one również naszą kowalność.

Ciężko jest więc znaleźć metaforę dla tego skojarzenia. Genom nie jest modelem, ale może komórka jest miejcem w budowie: dynamiczna, zmieniająca się i kompleksowa. Geny są materiałami budowlanymi, kształtowanymi przez komórki, które tworzą z kolei materiały używane w komórkach. Ta budowa nigdy się nie zatrzymuje; dlatego też, każda mała aberracja może mieć ograniczony efekt, albo rozprzestrzenić się w całym systemie, aż do jego zablokowania.

Miejmy więc świadomość, że nasze ciało jest jedynie całością trwających budów, uwikłanych jedna w drugiej, w sposób mniej lub bardziej metodyczny. Kowalność? Nie mniej niż ciągły taniec z chaosem. I równie niewiarygodne jak mogłoby się to wydawać, ten taniec działa…