Tragom zvezda

Epigenetika: Da li je ona zaista revolucija u evoluciji?

Svakoga dana čujemo vest o nekoj novoj naučnoj studiji u kojoj se spominje epigenetika i uticaj okruženja na gene. Znamo li uopšte šta je ona i kako to okruženje “deluje na gene”?  Senzacionalizam kojim mediji objavljuju naučne vesti poslednjih godina – vođeni željom za što većom čitanošću – su doveli do situacije u kojoj je epigenetika postala okružena ogromnim talasom pseudonaučnika koji u ime epigentike prodaju sve i svašta.

Ovde se pojam „epigenetika“ (slično pojmu „kvantne medicine“) koristi prosto kao ukras – da bi prosečnom čoveku tekst zvučao „dovoljno naučno,“ i da time dobije kakav takav kredibilitet. Na osnovu tako stečenog (ili, tačnije, ukradenog) poštovanja, prodaju se spiritualne knjige u kojma se nude razne nadrilekarske metode lečenja teških bolesti. Taj deo “epigenetičara” često će tvrditi da je epigenetika dovela do opšte revolucije u medicini i da je “bacila genetiku na kolena,” te da su geni  daleko manje važni nego što se ranije mislilo. Neki pojedinci čak tvrde da epigenetika pokazuje da se geni mogu “menjati” mislima.

Da stvar bude još gora, tu je i značajan broj pristalica inteligentnog dizajna, koji su spremni da prihvate bilo šta što (bar po njihovom razumevanju) govori protiv teorije evolucije i prirodne selekcije. Bilo šta što će potvrditi da geni nisu ti koji “upravljaju”. Pa tako pristalice inteligentnog dizajna često direktno zloupotrebljavaju epigenetiku tvrdeći da standardni model populacione genetike više ne važi, da je ceo Darvinistički pogled na živi svet pogrešan, da su čak i Mendelovi zakoni genetike pobijeni, što je potpuni apsurd i posledica opšteg nerazumevanja epigenetskih mehanizama i njenog uskog i kompleksnog odnosa sa genima.

Sve ove stvari koje su se u zadnjoj deceniji okupile oko epigenetike zamagljuju pogled i otežavaju ljudima koji bi o istoj želeli da možda nauče nešto više. Upravo je to svrha ovog teksta, da pruži jedan realniji uvod u ovu veoma zanimljivu oblast i omogući čitaocu da lakše prepozna manipulacije na tom polju.

Egpigenetika i diferencijacija ćelije

Razgovor o epigenetici počinje od priče o diferencijaciji ćelija. Nekoliko nedelja nakon što je vaš otac oplodio vašu majku vi ste bili samo maleni embrion tj. grupa embrionalnih matičnih ćelija koje su krenule u masovno samokopiranje kako bi formirale novi organizam. Na tom putu od embrionalnih matičnih ćelija do odrasle jedinke koja čita ovaj tekst umrlo je i rodilo se na milijarde i milijarde ćelija. Ćelije se i dan danas kopiraju u vama, žive i umiru dok ovo čitate. Bela krvna zrnca žive svega oko 13 dana, ćelije u gornjem sloju epidermalnog tkiva žive oko 30 dana, crvene krvne ćelije oko 120 dana a ćelije jetre dostignu čak i do 18 meseci. U proseku, odrasla osoba gubi oko 96 miliona ćelija po minuti.

Vaše embrionalne matične ćelije imale su unutar svog jezgra potpuno isti DNK kao i današnje ćelije u vašem telu, sa tom razlikom što su matične ćelije bile u stanju da koristeći taj DNK naprave bilo koju drugu ćeliju potrebnu za izgradnju vašeg tela. Pa su tako neke postale koštane ćelije koje grade skelet koji nosi vaše telo, neke su postale nervne ćelije, neke ćelije kože, neke bela krvna zrnca a neke samo duguljaste mišićne ćelije. To je normalan prirodan proces koji biolozi zovu ćelijska diferencijacija.

Ova sposobnost ćelije da se umnožava i da pravi ćerke ćelije koje mogu postati bilo koji tip – naziva se ćelijska potentnost. Embrionalne matične ćelije su u stanju maksimalne moguće potentnosti (tzv. totpipotentno stanje). Kako potentnost tokom izgradnje organizma opada, dolazi do pluripotentnog stanja (ovo su još matične ćelije koja se mogu duplirati u nekoliko tipova ali ipak više ne u sve tipove) i konačno skala potentnosti jednoga dana završava na unipotentom stanju u kojem ćelije mogu da daju samo jedan isti tip ćerki ćelija.

Dakle, danas kada su jasno specijalizovane za svoje poslve – iako sve i dalje imaju potpuno isti DNK u svom nukleusu – „knjigu recepata“ po kojoj bi znale kako da funkcionišu kao nervna ili bilo koja druga ćelija – iz nekog razloga povratak (reverzija) u embrionalno stanje više nije moguć. Ćelijska potentnost je trajno izgubljena. Od koštane ćelije nastaće uvek samo koštana, nikada više krvna ili mišićna. Da ne bude zabune, u vašem telu ima još matičnih ćelija ali one su locirane samo na tkivima koja se moraju često regenerisati, i njihova sposobnost diferenciranja je poprilično ograničena, ni blizu one koju je imala početna grupa embrionalnih ćelija. Pitanje do kojeg ovde dolazimo je sledeće: Šta usmerava ćelije da preuzmu određenu ulogu i šta to zabranjuje njihovu reverziju?

Začetak epigenetike i evo-devo

Gornje pitanje o tome šta utiče na put i sudbinu ćelije je jedno od centralnih pitanja kojim se tokom prošlog veka počela baviti ćelijska i razvojna biologija, a koja je podstakla i razvoj epigenetike. Zapravo, sam termin epigenetika je skovao embriolog i evolucioni biolog C. H. Waddington još daleke 1942. godine, kako bi opisao faktore koji utiču na proces diferenciranja ćelija od njihovog početnog (totipotentnog) stanja koje imaju u embrionu.

Epigenetika je počela kao oblast koja izučava način na koji geni (i DNK od koje su ti geni sačinjeni) bivaju prevedeni u konačnu strukturu tela i fiziologiju organizma. Drugim rečima, kojim mehanizmima se od jednodimenzionalnog genetskog koda (genotipa) dobija trodimenzionalno telo (fenotip). Ova grana se zatim odvojila u zasebnu oblast evolucione biologije poznatiju kao evoluciona razvojna biologija, ili kraće evo-devo. Evo–devo je veoma uzbudljiva oblast i dan danas i okuplja veliki broj istraživača.

Waddington je bio ne samo cenjen embriolog, nego i jedna od retkih osoba koja je bila svesna značaja genetike u razvoju, ili, još preciznije, veze između aktivnosti  u jezgru i onoga što se događa u citoplazmi. Njegov tim je postavio hipotezu o mogućoj nadopunjivosti epigeneze (stari naziv za embriološki rast i diferencijaciju) tvrdeći da “…su sve karakteristike odraslog organizma prisutne u oplođenoj jajnoj ćeliji, ali se moraju ispoljiti i razviti”. Na temelju te ideje, razvoj se zaista može smatrati epigenetičkim događajem.

Waddington je preminuo 1975. Njegove su ideje, često nepotpuno razrađene, ostale “uskladištene” tokom velikog broja godina, neprepoznate kao skriveno blago koje je ponovo otkriveno u razvojnoj biologiji novog doba. Kako je vreme proticalo, termin epigenetika je sve češće pominjan i postao je neka vrsta sinonima za sve one “negenetičke nasledne faktore” koji su zbunjivali genetičare.

Koji molekularni mehanizam usmerava ćelije?

Osnovni mehanizam koji na molekularnom nivou upravlja diferencijacijom jeste regulacija gena. Ovaj proces reguliše koji geni će biti aktivni (tj. imati ekspresiju putem koje će se sintetisati genski produkti koji su najčešće proteini) a koji geni će ostati neaktivni (bez ekspresije). Zaista, većina onoga što ćelija radi tokom svog života svodi se na stalnu proizvodnju proteina na osnovu genetskih uputstava zapisanih u njenom genomu.

Primera radi, uzmimo ćelije koje proizvode dlake, recimo kosu na glavi. Te ćelije trajno proizvode keratine, proteine koji čine glavnu strukturu dlake. Da bi ih proizvele, u njihovim jezgrima se tokom stalnih procesa transkripcije čita deo DNK gde su locirani geni KRT familije, koji se zatim složenim procesima translacije prevode u proteine bitne za razvoj dlake. Drugi tipovi ćelija ne prave keratine, unutar njihovog jezgra nema transkripcije KRT gena koji služe za njegovu proizvodnju. Dakle, proizvodnja keratina je specifična za diferenciranje ćelije dlake. Samo one ćelije koje treba da formiraju dlaku čitaju to poglavlje “DNK knjige“, dok ga ostale ćelije nikad ne otvaraju. Ovakav model regulacije je biološki duboko ukorenjen što potvrđuje i činjenica da je prisutan na virusima, prokariotima i eukariotama. U njegovoj osnovi leži evoluciona uloga da povećava varijabilonst i adaptivnost organizma.

„Klasična“ vs. „nasledna“ regulacija gena

Postoji jako veliki broj faktora koji mogu uticati na bilo koju fazu u ekspresiji gena.Dobar deo njih nalazi se već ukodiran unutar same DNK (tzv. regulatorni regioni DNK).Pošto je proces regulacije sastojan od više nivoa, tako se i ovi faktori dele prema određenim nivoima na kojima rade. Pa tako neki deluju tokom inicijalnog čitanja DNK u kojoj je zapisan gen, neki tokom dalje obrade novoformirane RNK, neki tokom post-translacionih modifikacija proteina, itd. Celu ovu grupu faktora neformalno nazivamo „klasična regulacija“. Za nju je karakteristično to što je jednaka unutar iste vrste. Prethodno spomenuti gen za keratin bio bi čist primer klasične regulacije. On će uvek biti uključen u ćelijama dlake, dok će biti isključen u belim krvnim zrncima i nervnim ćelijama. To je pravilo koje će biti trajno prisutno kod svih ljudi, bez obzira kako i gde bili odgajani, bez obzira ko im je otac ili majka. Pravilo koje se neće menjati od generacije do generacije niti će bilo kakvi spoljni faktori (iz okruženja) bitnije uticati na njega.

Nasuprot ovoj klasičnoj regulaciji, postoje određene situacije kada i faktori iz okruženja mogu uticati na regulaciju gena. Tom vrstom faktora, koji se nalaze van DNK primarne sekvence (tj. u njenom direktnom okruženju) bavi se epigenetika. Jedan od neformalnih naziva za ovu grupu je „nasledna regulacija“. Zašto nasledna?
Pa pored toga što se aktivnost gena može promeniti u skladu sa spoljnim uticajima, u određenim situacijama, kao što ćemo videti, ove promene se mogu preneti i na narednu generaciju. Teorijski, ovo bi značilo da dve jedinke koje su nasledile isti roditeljski genotip mogu razviti različite karakteristike jer je jedna od njih nasledila „drugačiju“ regulaciju. Ovako nasleđena regulacija je ipak privremena i može varirati od osobe do osobe i od jedne generacije do sledeće i (gotovo uvek) ima mnogo manji efekat na fenotip jedinke od onog koji ima klasična regulacija. Tipičan primer nasledne regulacije je često spominjani Holandski eksperiment („Dutch famine of 1944“) gde su majke u Holandiji tokom rata 1944. godine bivale izložene izgladnjivanju od strane nacista, zbog čega su se rađale bebe sa znatno manjom težinom od proseka. Međutim, druga generacija majki koje nisu gladovale opet su rodile bebe sa manjom težinom.

Kako se odvija klasična regulacija gena u normalnoj ćeliji?

Iako bi prema naslovu teksta logičan sled bio da sada pređemo na dublje detalje o naslednoj regulaciji i epigenetskim mehanizmima, odlučili smo se da bi to bio još jedan prevelik skok koji prave tekstovi ovog tipa. Umesto toga, prvo ćemo krenuti od klasične regulacije (koja ne zavisi od spoljašnjeg uticaja) i videti kako ona funkcioniše pa tek onda preći na epigenetiku. Drugim rečima, smatramo da je fer da prosečnog čitaoca upoznamo sa time kako to DNK “sama sebe” može da reguliše pre nego što krenemo govoriti o tome kako i kada okruženje može da reguliše nju.

Kao što smo rekli, klasična regulacija nalazi se već ukodirana unutar same DNK (tzv. regulatorni regioni DNK). Savremena genetika je ove regulatorne regione podelila u više različitih grupa. Primera radi, znamo da postoje pojačivači (engl. enhancers) koji su kratki regioni DNK koji se mogu vezati za protein povećavajući nivo transkripcije određenog gena. Zatim aktivatori koji utiču na promotere gena a koji takođe mogu da povećavaju ekspresiju određenog gena ili celog seta gena. A tu su i silenceri, represori i brojni slični elementi koji umanjuju ili pojačavaju transkripciju; a povrh svega, tu su transkripcioni faktori, jako važni jer menjaju aktivnost gena u skladu sa signalima koje ćelija prima.

Često i sami geni direktno deluju na povećanje ili smanjenje ekspresije drugih gena. Prema zvaničnim rezultatima Human Genome Project, genom čoveka ima između 20,000 – 25,000 kodirajućih gena. Smatra se da otprilike 10% ovih gena (oko 2500 njih) deluju kao transkripcioni faktori. Štaviše, geni su često okruženi sa nekoliko veznih mesta za različite transkripcione faktore, i efikasna ekspresija tih gena zahteva združeno dejstvo nekoliko različitih faktora.

http://2.bp.blogspot.com/-lRg_b5vkZts/UyPT4uGmsAI/AAAAAAAABHo/_9dafLvrIV4/s1600/epigenetika-regulacija-gena.jpg
Primer klasične regulacije: Metabolizam laktoze

Dok čitate ovaj tekst, na hiljade transkripcija se obavlja u vašim ćelijama. Ovo genetsku transkripciju čini ozbiljnim trošačem energije. Regulacija transkripcije stoga ima i dodatni zadatak – da štedi energiju i proizvodi one proteine i enzime koji su zaista potrebni organizmu. Zbog toga i ne čudi činjenica da se primarna i najvažnija kontrola ekspresije gena nalazi baš na samom početku proizvodnje proteina – u inicijaciji transkripcije. Prostije rečeno, dobar način da štedite energiju je da u samom startu i ne počinjete vršiti proizvodnju proteina koji vam nisu potrebni.

Jedan veoma slikovit primer kako ovaj mehanizam incijacije i regulacije funkcioniše je – jedan redovan stanovnik ljudskih creva – bakterija E. coli (Escherichia coli). Pošto nastanjuje takvo mesto, E. coli mora biti u stanju da se prilagodi raznim izvorima hrane i naglim hemijskim promenama u svom okruženju. Njen domaćin može uneti jednu vrstu namirnice a onda za nepun sat potpuno drugu. Ova varijacija predstavlja ogroman metabоlički izazov za bakteriju. Mikrobiolozima je poznato da je glukoza njen preferiran izvor energije jer je glukoza šećer kojeg metabolizam bakterije najlakše obrađuje.

Međutim, u ljudskoj ishrani može se iznenada naći i mleko u kojem dominira šećer laktoza. Tada nivo glukoze naglo opada, što zahteva od bakterije da počne metabolizam laktoze. Da bi bila u stanju da metaboliše laktozu potrebna su joj tri proteina za čiju izgradnju je potrebno transkriptovati tri različita gena:

  • b-galactoside permease – ovaj protein služi kao “nosač” koji ima ulogu ga prebaci šećer od njenog ćelijskog zida u unutrašnjost bakterije.
  • b-galactosidase – proteinski enzim koji katalizuje hidrolizu laktoze
  • b-galactoside transacetylase – takođe važan za metabolizam laktoze

Kada su naučnici uzgajali E. coli bakteriju u okruženju koje nema laktoze ova tri proteina bi bila prisutna u veoma maloj količini, gotovo odsutni. Ukoliko se, međutim, okruženje promeni tako da laktoza preovlađuje, bakterija odmah počinje izradu ova tri enzima i njihov nivo se naglo povećava dok istovremeno nivo uobičajenih enzima koji metaboliše glukozu naglo opada. Čim se laktoza ponovo ukloni iz okruženja i glukoza vrati, bakterija odmah prestaje sa proizvodnjom enzima za laktozu i viši nivo glukoznih enzima je opet prisutan.

Dakle, laktoza je jedinjenje koje u ovom slučaju nekako inicira transkripciju određenih gena. Ovi geni se jako malo ili sasvim ne transkriptuju sve dok laktoza ne postane prisutna. Takva jedinjenja koja iniciraju transkripciju nazivaju se induktori. Da bismo bolje razumeli kako to laktoza indukuje transkipciju gena siđimo na momenat u strukturu DNK.

Tri prethodno opisana gena koja bakterija koristi za obradu laktoze nalaze se bukvalno jedan pored drugog. Ovakav raspored nije slučajan, DNK sva tri gena transkriptuje se u jedan celovit mRNK. Ako samo jedan od tri gena nije pročitan, potrebni protin se neće formirati. Stoga, sva tri gena su jednako važna i sva tri dele jedan isti promoter (označen crvenom bojom).

http://1.bp.blogspot.com/-iB8qFpba9V4/UyPUWVndXwI/AAAAAAAABHw/8xqTRZJFmko/s1600/operon-lac-strukturni-geni-dnk.jpg

Tri gena za laktozu nalaze se jedan pored drugog i dele isti promoter.

Kako rade promoteri, operatori, represori?

Pre nego nastavimo dalje sa primerom, podsetimo se da inicijacija transkripcije počinje u promoterima. Promoter, je specijalan tip DNK sekvence za kojeg se čvrsto vezuje enzim RNK polimeraze koji obavlja transkripciju. Promoteri su zbog ovoga važne kontrolne sekvence koje pružaju tri bitne informacije:

  • Na kom mestu početi sa transkripcijom?
  • U kom smeru vršiti čitanje?
  • Koju stranu DNK lanca čitati?


Iako kod eukariota uglavnom svaki gen ima svoj promoter nisu svi promoteri identični. Neki promoteri su više a neki manje efektivni. Kod prokariotskih organizama kao što su bakterije, jedan promoter često aktivira celu grupu gena pa se i sam način inicijacije razlikuje.

Podsetimo se i činjenice da samu transkripciju DNK koda od kojeg ja sastojan gen, na molekularnom nivou sprovodi enzim RNK polimeraza. On je taj ključni „radnik“ u pogonu čiji je zadatak da se veže na promoter i da od njega krene sa kopiranjem molekula koji čine gen. Pošto je i RNK polimeraza zapravo protein i kao i svi ostali proteini sačinjen od aminokiselina koje su takođe proizvedene po naredbama te iste DNK, onda slobodno možemo reći da DNK ovime kontroliše i sopstvenu replikaciju.

Šta ovo još govori? Pa ukoliko bi se dogodilo da promoter nije slobodan (recimo da je neka druga vrsta proteina već vezana za njega) tada RNK polimeraza neće biti u stanju da započne transkripciju, ceo posao će „pasti u vodu“ i gen ostati neiskopiran. Upravo ovo i jeste način kako je priroda osmislila ovaj molekularni on/off prekidač. Jednostavno i veoma efikasno: ukoliko gen nije potreban – dovoljno je samo blokirati njegov promoter umesto bespotrebno trošiti energiju i deaktivirati kasnije čitav niz poluproizvoda koji nisu potrebni.

Šta i kako blokira promoter?

Kod procesa blokiranja posebno je bitan jedan mali deo DNK između promotera i samog gena. Taj deo se naziva operator. Na operator se (označen ljubičastom bojom na gornoj slici) vezuju određeni proteini koji se nazivaju represori a koji onemogućavaju RNK polimerazi da se ispravno veže na promoter. I represori su još jedan primer kako DNK sama sebe reguliše jer i oni takođe nastaju transkripcijom gena tj. od posebne vrste gena koju smo ranije spomenuli – regulatornih gena.

Ako sumiramo ovo do sada, za našu priču sa laktozom ovo znači sledeće: Ukoliko je promoter za tri lac gena slobodan, za njega bi se mogao vezati enzim RNK polimeraza i došlo bi do transkripcije. Za obrnut slučaj – kada je potrebno isključiti gen – dovoljno je određenim molekulima blokirati operator (što uzrokuje da i promoter ostane blokiran). U realnom svetu, ovo znači da će genom tokom najvećeg dela života (sve dok je glukoza dostupna u okruženju) držati operator za ova tri gena blokiranim i oslobađati ga samo u prisustvu laktoze.

Cela ova jedinica sastojana od tri strukturna gena i kontrolnih sekvenci naziva se operon. Operon za laktozu (lac operon) o kojem govorimo ovde je takođe i prvi operon kojeg su genetičari otkrili i opisali. François Jacob i André Michelsu su za taj istraživački poduhvat 1965. god. dobili Nobelovu nagradu. Kasnije, osim na prokariotama, operoni su pronalaženi i na eukariotama pa čak i na virusima.

Pogledajmo šta se događa kada u okruženju ima povećane laktoze.

Svaki represor ima dve vezne tačke. Jednu na kojoj se vezuje za operator i drugu na koju se za njega vezuje (još mnogo manji molekul) induktor. Kada je nivo laktoze povećan tada se molekuli laktoze kao induktori vezuju na represor. Kada se povežu na represor oni mu promene oblik. Ova promena u obliku onemogućava represoru da se veže za operator. Kao rezultat toga operator ostaje slobodan i RNK polimeraza može slobodno da se veže na promoter i otpočne transkripciju.

Šta se događa kada nivo laktoze opet opadne? Nestankom laktoze iz okruženja nestaju i laktozni induktori. Sada kada nema induktora, represori zadržavaju normalan oblik i vezuju se za operatore. RNK polimeraza ne uspeva da se veže za promoter i geni za laktozu ostaju bez transkripcije. Kao što vidimo i na donjoj slici, sve što je potrebno je prisustvo (ili odsustvo) laktoze da indukuje ili blokira transkripciju i time reguliše rad sva tri gena.

Pored promotera i represora, dva druga tipa regulatornih DNK sekvenci dodatno pojačavaju (engl. enhancers) ili smanjuju (engl. silencers) transkripciju. Kao što njihov naziv kaže, ove sekvence rade u suprotnosti jedna prema drugoj. Sekvence koje smanjuju transkripciju ostvaruju to time što se vezuju za prethodno opisane represore – čime onemogućavaju enzimu RNK polymerase da se veže za promoter i dalje inicira transkripciju a što dovodi do toga da gen ne ostvari svoju ekspresiju.

Pojačivači rade potpuno suprotno, trans delujući proteini koji se vežu na njih povećavaju nivo transkripcije gena. Zanimljivo je i to da pojačivači ne moraju biti obavezno blizu gena na koji deluju, u nekim slučajevima pronalaženi su i do 20,000 baznih parova udaljeni od svog gena a nekada čak i na potpuno drugom hromozomu od onog na kojem je gen.

http://4.bp.blogspot.com/-nrieh7CApnQ/UyPUvdi_3gI/AAAAAAAABH8/vH_ZATwaxT0/s1600/operon-lac_regulacija-gena-laktoza-prisutna.jpg

Sve dok ima laktoze u okruženju i dok se njeni induktori vezuju na represor,
geni za laktozu će biti transkriptovani i omogućiti metabolizam laktoznih šećera.

Klasična regulacija: Uloga gena u formiranju strukture tela

Evoluciona biologija je došla do mnogih fantastičnih otkrića kao što je recimo prisustvo homebox gena i upotreba istih u upravljanju i formiranju strukture tela tokom embrionalnog razvića. Ovi geni deluju na principu da jedan gen uključuje drugi, a ovaj uključuje naredni. Kod ljudi homeobox familja gena sadrži oko 235 funkcionalnih gena. U njima se nalaze instrukcije za kreiranje jako važne proteinske strukture poznatije kao homeodomain a koja sadrži transkripcione faktore. Drugim rečima, homeodomain omogućava genima da sami regulišu i aktiviraju druge gene oko sebe.

Posebno je zanimljiv linearan raspored gena kod voćne mušice (Drosophila melanogaster) gde se možda najbolje vidi ovaj multigenetički “prekidač” na delu. Kod ove mušice se na istom hromozomu nalazi grupacija od osam homeotskih gena.

Svaki od ovih 8 gena utiče na različiti deo mušice. Veoma zanimljivo je da su geni poređani istim redosledom kao i delovi tela na koji utiču. Prvi gen utiče na usta, drugi na lice, treći na vrh glave, četvrti na vrat, peti na grudni koš, šesti na prednju polovinu abdomena, sedmi na zadnju polovinu abdomena i osmi na razne druge delove abdomena. I ne samo da prvi gen definiše prednji deo, a poslednji zadnji deo tela mušice, nego su svi – bez izuzetka istim redosledom povezani duž hromozoma. Ukoliko zbog mutacija ili sličnih greški u kopiranju DNK dođe do neaktivnosti bilo kog od ovih gena rodiće se potpuno deformisana jedinka.

http://2.bp.blogspot.com/-kyys3hHPifQ/UyMIW7n58ZI/AAAAAAAABHY/ydO0LunY5a0/s1600/homeobox-geni-izgradnja-tela-genetika-drosophila.png

Miševi takođe imaju grupacije homeobox gena, i to četiri. Oni su takođe poređani određenim redosledom – prvo za glavu, a na kraju za rep. Ustanovljeno je i da ljudska bića takođe imaju slične homeobox grupacije kao miševi.

Ovo su važna saznanja koja su nam omogućila da danas imamo precizniju sliku kako je evolucija gradila tela i kako ih i danas gradi putem slučajnih genetičkih varijacija i dobre stare prirodne selekcije. Dok nauka bude napredovala u budućnosti mi ćemo dobijati sve bolju i precizniju sliku tog procesa, ali ta slika po svemu sudeći neće biti drastično različita u odnosu na ovu koju danas imamo.

Klasična regulacija: Tkiva usmeravaju razvoj svojih susednih tkiva

Način kako se geni isključuju i uključuju, kako evoluiraju i regulišu jedni druge naravno da ne zavisi samo od DNK ali ne zavisi ni samo od okruženja. Kao što ćemo videti, to je miks i jednog i drugog. Brojni eksperimenti vršeni na razvoju embriona jasno su potvrdili da u mnogim slučajevima sudbina pojedinih tkiva biva određena interakcijom njegovih ćelija sa ćelijama susednih tkiva.Ovaj fenomen, poznat kao indukcija, se ostvaruje biohemijskom komunikacijom među ćelijama što kao posledicu opet ima aktivaciju ili gašenje određenih gena u njima.

Jedan od tipičnih primera ovakve indukcije je razvoj oka kod kičmenjaka i formiranje tkiva koje će postati sočivo. Primera radi, kod embriona kokoške ovaj proces se odvija na sledeći način. Tokom svog razvitka prednji mozak počinje da se širi i postaje ispupčeniji na obe strane formirajući tako dve optičke vizikule. Optičke vizikule nastavljaju da se šire sve dok ne dođu u kontakt sa ćelijama na površini glave. Kada se ovo dogodi, površinsko tkivo u regionu kontakta počinje da se zadebljava formirajuči rani oblik sočiva. Tokom daljeg razvoja sočivo nastavlja da se zakrivljuje ka unutra nakon čega se potpuno odvaja od postalog dela površinskog tkiva formirajuči tako potpuno zasebnu celinu.

Kada bi se u posebnim eksperimentima ćelije optičkih vizikula sprečile veštačkim putem da dodirnu površinu glave tj. da ne indukuju susedno tkivo, sočivo se nikad ne bi formiralo. Ovakva istraživanja potvrđuju da tkivo na površini glave, od kojeg se zapravo formira sočivo, mora ipak da primi određeni biohemijski signal od susednog tkiva da bi otpočelo sa formiranjem. Ovaj “dijalog” nije samo jednosmeran već dvosmeran. Razvijajuće sočivo takođe šalje signal nazad određujući veličinu očne jabičice u kojoj će oko biti smešteno, a koje se formiraju od optičkih vizikula prednjeg mozga. Sočivo takođe indukuje i susedno površinsko tkivo na sebi od kojeg će dalje nastati rožnjača (cornea). Rožnjača je providna struktura kroz koju može prolaziti svetlost i ulaziti unutar oka.

http://4.bp.blogspot.com/-1mS_tJOSqIs/UyPVysUtMTI/AAAAAAAABIM/ATPU2HQqzeU/s1600/razvojj-sociva-kicmenjaka.jpg

Dakle, lanac indukcije učestvuje u celom procesu izgradnje delova oka. Svaka karika u tom lancu pokreće ekspresiju određenih gena u ćelijama susednog tkiva. I u ovom primeru je dobar broj naučnih studija potvrdio da postoje ključni redosled gena koji su uvek mora uključiti bez obzira na okruženje, ishranu ili bilo koje nasledne faktore koji su možda uticali na naše roditelje. Recimo, gen Pax6 je esencijalni regulatorni gen za razvijanje oka kod svih kičnjenaka i beskičmenjaka. Nakon njegove aktivacije, sledeći ključan je Sox2, a nakon kojeg slede ostali prikazani na donjoj mapi. Redosled aktivacije svakog od njih je ukodiran i ključan za normalan i zdrav razvoj oka. Kao i kod homeobox gena, ukoliko usled mutacije bilo koji od ovih gena ostane neaktivan životinja neće razviti bitne delove oka.

http://2.bp.blogspot.com/-sWO1d7hETrw/UyPWPn_F_rI/AAAAAAAABIU/qxN8TRNcIlo/s1600/razvojj-sociva-kicmenjaka-kokoska-faze.jpg
Epigenetika: Šta predstavlja okruženje?

Konačno – dolazimo ovde do naše teme – kod eukariotskih organizama postoji jedna zasebna grupa faktora (epigenetskih faktora) koja utiče na to da određeni geni mogu imati ekspresiju u zavisnosti od okruženja u kojem se taj DNK nalazi. Ono što je važno ovde naglasiti jeste pojam okruženje. Za primarnu DNK sekvencu, sve što je van nje predstavlja okruženje, pa tako čak i način na koji je DNK umotan oko histona unutar jezgra ćelije kao i njihov međusobni položaj predstavlja okruženje. Zbog toga se kaže da epigenetički procesi jesu posledica “okruženja” ili još preciznije, posledica strukture hromatina.

http://3.bp.blogspot.com/-RyQYXROJWrg/UyPYUGs34jI/AAAAAAAABIk/XEWVZjEdV8I/s1600/epigenetika-ekspresija-gena-DNK-metilacija.jpg
Šta je hromatin? Kako njegova struktura utiče ne ekspresiju gena?

Evo o čemu se radi. Genom nije samo običan lanac od kombinacije ACTG slova, kako ga većina ljudi zamišlja. On je daleko kompleksnija hemijska struktura koja je obmotana oko drugih proteinskih struktura koje nazivamo histoni (loptice na donjoj slici). Cela ta mreža, smeštena u jezgru ćelije a u kojoj je DNK obmotana oko gomile histona naziva se hromatin. Hromatin je ono sa čimе ćelije rade kada je potrebno da kreiraju proteine tj. izvrše neki genetički program.

Lanac DNK (prikazan u plavoj boji) umotan oko jednog histona predstavlja jedinicu koju genetičari zovu nuclesome. Međusobni položaj histona i način na koji je DNK umotan oko njih može da utiče na to da određeni deo tog DNK lanca ostane trajno nedostupan za čitanje. Upravo je to ono na šta utiču epigenetski procesi. Te epigenetske procese možemo podeliti u dve najvažnije grupe: DNK metilacija i modifikacija histona. Ono što je važno napomenuti, na krajnjem nivou, ni jedan od ovih procesa ne manja genetsku sekvencu već samo utiče na njenu čitljivost.

Zaista, sve bajne i sjajne priče koje možete danas pročitati o epigenetici se većim delom svode na ova dva molekularna procesa. Oni su na samom dnu cele mašinerije. A princip po kojem oni rade govori jasno da epigenetika i nema baš puno toga “iznad gena” kao što može da zbuni grčka reč u njenom nazivu epi– (Greek: επί- iznad, preko). Epigenetika ne pravi neke nove DNK sekvence, niti može da menja postojeće i unosi nove mutacije u kod. Sve što ona može da uradi, i što svaki dan radi, jeste da onemogući ili omogući već postojećim DNK sekvencama da budu pročitane ili nepročitane. Kao što ćemo videti, ni ovo nije mala stvar, ali ju je ipak važno naglasiti.

DNK metilacija i modifikacija histona nisu dakle genetske već vangenetske informacije, ipak, ćelije imaju mehanizme da kopiraju ove epigenetske informacije tokom deferencijacije. Na žalost, najveći deo ovih epigenetskih informacija trajno nestaje sa jedinkom nakon njene smrti zato što svaki put kada majčin i očev DNK kreiraju embrion, promene u DNK metilaciji se resetuju. Kao što ćemo videti, postoje posebni slučajevi kada se neke epigenetske promene mogu sačuvati i privremeno preneti sa roditelja na potomke. To jeste tačno. Ali zašto kažemo privremeno? Zato što takve promene najčešće ne ostaju dugo u potomcima već najčešće nestaju nakon 3 ili 4 generacije.

Tek sada nam je verovatno jasnija i definicija epigenetike koja glasi:


“Epigenetika predstavlja nasledne promene na fenotipu koje nisu zavisne od primarne DNK sekvence već od njenog okruženja”


Hajde da sada upoznamo malo bolje i ključne epigenetske procese.

DNK Metilacija

DNK metilacija je biohemijski proces kod kojeg najčešće dolazi do vezivanja metil grupe na citozin (C) nukleotide unutar DNK. Tačnije, na specifične CpG lokacije (na kojima se citozin nalazi pored guanina). Na ovaj način, metil grupe onemogućavaju transkripciju određenog gena u ćeliji time što limitiraju kompleks RNK polymerase II da se veže na DNK. Termin “metilisana DNK” se dakle odnosi na “ućutkanu DNK”.

DNK metilacija se smatra veoma važnom za proces diferencijacije ćelije o kojoj je bilo reči. Kako se ćelije mitozom dele od embrionalnih matičnih ćelija ka deferenciranim i specifičnim tkivima tako se metil grupe nakupljaju na genima. Rezultat tih nakupljanja je obično trajna i jednosmerna promena u načinu rada ćelije, što dovodi do toga da reverzija biološki ostaje zaključana, sprečavajući ćeliju da postane opet matična ćelija ili neka druga vrsta tkiva.

Još jedna važna uloga metilacije leži i u tome što ona po istom principu “isključuje” i parazitske delove DNK – delove koji su potekli uglavnom od pradavnih retrovirusnih infekcija (retrovirusi su posebna vrsta virusa sposobnih da se integrišu unutar DNK domaćina). Upravo zbog te svoje osobine ovi su paraziti ostavili snažan uticaj i na evoluciju. Bez metilacije oni bi bili u stanju da ponovo prave sopstvene kopije i integrišu sebe u druge delove genoma. Kod sisara је recimo 80-90% svih CpG lokacija metilisano dok kod gljiva svega 0.5%. Kod biljaka je stvar još zanimljivija, umesto samo na citozinu, biljke mogu metilisati DNK i na drugim nukleotidima.

Modifikacija histona

Histoni (prikazani kao kuglice na slici) su građeni od proteina i prisutni se kod svih eukariotskih ćelija. Bez histona, obmotan DNK u hromozomima bi bio veoma dug (oko 1,8 metara). Pošto malene ćelije nemaju prostora za bacanje taj DNK je dobro obmotan oko histona čime zauzima svega 90 mikrometara prostora.

Međutim, histoni nisu pravilne kuglice (kao što su prikazani na donjoj slici) već imaju N-terminalske repove koji takođe mogu biti metilisani ali i acetilisani putem kovalentnih veza. Te promene na repu mogu uticati na to koliko gusto ili labavo je DNK lanac namotan i upakovan u hromatinu. Kod slabo pakovanog hromatina, DNK je više dostupna i aktivnija, dok kod gusto pakovanog hromatina, DNK je češće neaktivna.

Da stvar i ovde bude još zamršenija, nisu ni svi histoni isti, pa tako postoje:H2A, H2B, H3, H4 koji su noseći i H5 i H1 koji su samo povezujući histoni. Neke varijante histona olakšavaju a neke otežavaju transkripciju.

Konkretni primeri epigenetike

Tipičan primer epigenetske modifikacije – koja se prenosi unutar jedne iste jedinke – je isključivanje X hromozoma. Isključivanje X hromozoma je na primeru mačijeg krzna je dobar primer. O čemu se radi? Kao što znamo, ženke sisara imaju dva X hromozoma dok mužjaci imaju jedan X i jedan Y. Ako bi oba X hromozoma kod ženke bila aktivna to bi dovelo do toga da one imaju duplo veći nivo svih gena koji se nalaze na X hromozomima, što bi stvorilo problem poznat kao “razlika u doziranju” (za više detalja pogledati dosage compesation). Kao rešenje za taj problem, evolucija je odlučila da na ženkama uvek isključuje jedan X hromozom. A to se ostvaruje upravo DNK metilacijom histona na datom hromozomu. Dakle, isti onaj X hromozom koji je početna embrionska ćelija isključila, isključivaće i sve njene buduće ćerke ćelije koje se budu kopirale.

Može li se i na koji način epigenetska informacija preneti na potomke?

Sve ovo do sada o čemu smo govorili se uglavnom odnosilo na epigenetske procese koji se odvijaju unutar jedne iste jedinke to jest od momenta kada njene embrionalne ćelije krenu u dupliranje do momenta kada od njih ne nastanu usko specijalizovana tkiva i organi.

Kada se dogodi da ovakve epigenetske informacije završe i na polnim ćelijama one se mogu u određenim slučajevima preneti i na potomke, tada nastaje nešto što zovemo transgeneracijsko epigenetsko nasleđivanje. Naučnici su do sada otkrili nekoliko takvih primera. Ipak, ovo nasleđivanje, i dalje nije ni blizu za porediti sa klasičnim nasleđivanjem opisanim prema Mendelovim zakonima nasleđivanja. Epigenetsko nasleđivanje je bolje rečeno – specijalan slučaj nasleđivanja – jer broj generacija na koji se može preneti je izuzetno mali. Zašto? Zato što kod ovog nasleđivanja postoji jedna ozbiljna prepreka koju je sama priroda postavila.

O kakvoj biološkoj prepreci je reč?

Nakon ulaska spermatozoida u jajnu ćeliju i njene oplodnje nastaje novo formirani pronukleus u kojem su smešteni hromozomi od majke i oca. Priroda je ovde uredila stvari tako da ubrzo nakon nastajanja, pronukleus ulazi u fazu potpunog gubitka DNK metilacije čime se sve epigenetske informacije brišu. Savremenoj genetici je ovaj fenomen poznat kao global DNA demethylation ili tzv. reprogramiranje. Od faze blastocista pa dalje tokom razvoja fetusa, DNK metilacija se opet kreće nakupljati iz početka. Dakle, proces reprogramiranja pravi ozbiljnu prepreku koja onemogućava ogromnom delu epigenetskih informacija da se probiju u ostanu u genomu potomka.

Međutim, genetičarima je poznato da postoje i specifični slučajevi da se neke metilacije ipak prenesu i “prežive” resetovanje. Jedan od takvih slučajeva je tzv. genomski imprinting ili genomsko utiskivanje (o kojem će biti više reči u daljem tekstu). Na žalost i genomski imprintane promene mogu da opstanu svega nekoliko generacija. Samo mali broj njih uspe da se probije i do 4. kolena a da ne bude obrisan tokom neke naredne oplodnje jajne ćelije i novog reprogramiranja genoma.

Da li epigenetika ovime menja teoriju evolucije?

Reprogramiranje genoma postaje još ozbiljniji problem ako želimo da pričamo o epigenetskim promenama (promenama koje su izvan DNK) a koje bi ostavile ozbiljnijeg traga na evoluciji. Četiri, osam, pa čak i da kažemo deset generacija (čiji slučaj još nije zabeležen) nam je i dalje premalo da bismo pričali o nekim iole ozbiljnim evolucionim promenama. Potreban nam je mnogo pouzdaniji sistem koji će trajno prenositi informacije i preko desetine hiljada ili stotina hilljada generacija. Kad je u pitanju evolucija putem klasičnog DNK nasleđivanja, taj posao se odlično obavlja. Primera radi, mi danas imamo javno dostupne baze gena gde bukvalno možemo da izdvojimo neki gen, (recimo gen INSR, insulinski receptor) i vidimo da osim na čoveku isti gen imamo i na drugim vrstama primata. Na kojiim vrsta i na kom hromozomu tačno. Tu su i genome-wide studije koje potvrđuju i konvergentnu evoluciju, itd. Ovako preciznih i nedvosmisleno jasnih rezultata sa klasičnim DNK prenosom imamo na hiljade i to je verovatno nešto čemu epigenetika nikada neće moći da parira.

Još jedna važna stvar je i činjenica da su mnoge epigenetske promene – na samom molekularnom nivou – ukodirane u DNK. Šta ovo znači? Pa, istina jeste da oblik i struktura histona može da utiče na epigenetske promene ali šta ćemo sa tim što ipak postoje i geni koji definišu proteinsku strukturu i oblik histona zbog kojeg može biti otežana čitljivost DNK koda? Da li se onda za te promene može reći da su van-DNK ako su uzroci tih promena kodirani u DNK?

Stvari ovde postaju kompleksne i još jednom se uviđa da ne postoji jasna granica gde prestaje uticaj gena i počinje epigenetika. Zapravo, samoj evoluciji tako striktno razdvajanje i nije toliko bitno jer i jedno i drugo predstavljaju samo neke od brojnih složenih mehanizama koje je ta ista evolucija stvorila i koje koristi.

Ili kako je to profesor biologije Jerry Coyne jednom rekao:

Things get methylated because the nucleotide bases in DNA code for that methylation. How can “nongenetic” changes in DNA reside in the DNA? Here’s one way. There are genes whose DNA sequence tells them to do this: “put methyl groups on another bit of DNA if you detect that you’re in the body of a male. Don’t do that if you’re in the body of a female.” Males and females would thus have the same DNA code, but it would be used differently depending on the DNA’s “environment”—for example, different hormone titers in males vs. females. The two sexes would then have produce different types of modified DNA even though their primary DNA sequences were identical. These modifications usually last only one generation, and then are reset when the DNA finds itself in a new body that could be of a different sex.


Zaista, granica gde su epigenetske promene potpuno van primarne DNK sekvence je toliko tanka da se povremeno i gubi. Mnoge epigenetske promene su u nekom posrednom smislu opet ukodirene u DNK bez obzira da li su u pitanju sami geni ili samo regulatorni delovi DNK. I to nija nikakva misterizona paradigma već činjenica koja još jednom potvrđuje da je regulacija gena zaista kompleksan proces i da jasno razdvajanje regulacije gena na van DNK i DNK gubi svoj smisao.

Problem veštačke dihotomije

Bitan problem koji pravi konfuziju kod epigenetike jeste i to što mi ljudi uglavnom pokušavajuću da napravimo jasnu podelu i odvojimo gen koji može biti predstavljen brojevima (merljiv) i time mapiran kao jasan matematički niz u bazu podataka koji možemo predstaviti na računaru. A na drugu stranu stavljamo sve te zamršene ćelijske procese (u koje spada i epigenetika) a koji određuju šta će taj gen raditi u ćeliji.

Ovakvom podelom mi pravimo nešto što se zove veštačka dihotomija (engl. artificial dichotomy). Što je ista stara debata o “nature vs. nurture”. Međutim, realnost je složenija i biologija ne funkcioniše na ovako jednostavnim konceptima. Nema svrhe praviti jasnu podelu ne nečemu što je nedeljivo. Činjenica je da mi nismo ni samo produkt naših gena, niti smo samo produkt okruženja već – produkt interakcije i gena i njihovog okruženja.

Epigenetski vs. genetski uzroci raka

Iz ovoga do sada, jasno je da su DNK metilacija i histonske modifikacije izuzetno važne za normalan razvoj jedinke. Postoje i studije koje pokazuju da poremećaj u metilaciji mogu biti uzrok nekih oboljenja raka. Na žalost, kao što to često biva u prirodi, realnost je dosta složenija od onoga što se na prvi pogled čini. Rak nije jedna bolest već je svaka vrsta raka specifična bolest i čini priču za sebe. Svaka vrsta se drugačije dijagnostikuje, zahteva različit tretman, itd. Na molekularnom nivou još je veći haos. Primera radi, možemo pogledati studiju istraživanja genoma raka prostate i videti strahovitu kompleksnost i obim rearanžiranja koji je zapažen na samo 7 različitih primera raka prostate. Ovo je ozbiljan problem koji je verovatno jedan od ključnih razloga zašto do dan danas nemamo lek protiv ove teške bolesti.

Epigenetski načini lečenja raka jesu “vruća” tema među naučnicima, to nije sporno. Primera radi, HDAC inhibitori – jedinjenja koja mogu da utiču na deacetilaciju histona i time blokiraju određene gene na kancerogenim ćelijama – nude obećanja u tom smeru. Ali to i dalje ne znači da možemo danas tvrditi da su i uzroci bolesti isključivo epigenetske prirode. Tako nešto je čisto preterivanje. Uzroci raka jesu i epigenetskog i genetskog porekla.

Prader–Willi sindrom: Redak genetski poremećaj
kod kojeg 7 gena sa
hromozoma 15 ostaje isključeno
kao posledica genetskog imprintinga
Genomsko utiskivanje (Genomic imprinting)

Kada smo ranije pričali o isključivanju X hromozoma kod ženke sisara nismo spomenuli da postoje i ostali hromozomi (a koji nisu polni) i koji takođe pokazuju razlike u metilaciji. Dobar primer je klaster gena na ljudskom hromozomu 15. Kod muškarca, određeni set gena na njemu je isključen dok je kod žena isključen potpuno drugi set. Isti taj obrazac isključivanja se prenosi i na jajne ćelije i spermu. Što će reći da spermatozoidi nose određene gene metilisane dok jajne ćelije imaju metilisane neke druge. Normalno, ovo ne treba da predstavlja problem za embrion. Tu je jedna očeva i jedna majčina kopija hromozoma 15, tako da još uvek ima jednu kopiju svakog gena koji je u potpunosti funkcionalan. Sve je u redu.

Međutim, postoje slučajevi u prirodi kada embrion mora da se osloni na samo jedan od ta dva hromozoma a tada već nastaje ozbiljan problem. Recimo, šta ako spermatozoid nosi očev hromozom 15 koji ima oštećene alele ili alele koji su se tokom greške u kopiranju potpuno obrisali? Tada embrion mora da se potpuno osloni na majčin hromozom 15 i koristi gene sa njega. Ali šta ako su ti geni na majčinskom hromozomu metilisani i isključeni? Tada će embrion definitivno ostati bez ekspresije tih gena.

Recimo, na hromozomu 15 se nalazi imprintovanih gena, koji su isključeni kod muškaraca. Ako muškarac nosi mutaciju u nekom od tih gena, njegova deca će biti normalna, pošto su ti oštećeni geni neaktivni. Ali ako su geni oštećeni kod majke, nastaje problem: dete ne može da koristi kopiju nasleđenu od oca, pošto je isključena. Kao rezultat, nastaje poremećaj nazvan Prader-Willi sindrom. Ovaj poremećaj ostavlja mentalnu retardaciju, gojaznost i nizak rast. Ovo je tipičan primer kako dve osobe mogu imati identične genetske faktore, a da jedina razlika bude u epigenetskoj modifikaciji njihovih hromozoma.


Dakle, jenostavno rečeno, genomski imprinting je situcija koja nastaje kada imate različitu DNK metilaciju na hromozomima nasleđenih od majke i oca. Hromozom koji ste dobili od majke ima metil grupe vezane na nekim sekvencama dok hromozom koji ste dobili od oca ima metil grupe vezane na nekim drugim sekvencama.
Do danas je pronađeno preko stotinu imprintanih gena. Pretpostavlja se da je blizu 1% svih naših gena imprintano. Primera radi, jedan od njih KCNK9 je posebno aktivan u mozgu i smatra se da problemi sa njim mogu uzrokovati bipolarni poremećaj i epilepsiju. Ili kao dodatni primer, DLGAP2 je gen neophodan za pravilnu konstrukciju sinapsi, i problemi sa njim mogu da dovedu do autizma. Detaljniju listu svih imprintanih gena možete pronaći na Geneimprint bazi.

Znamo li kako je evoluirao genomski imprinting?

Genomski imprinting je pronađen kod skoro svih placentalnih sisara. Jedna od najprihvaćenijih teorija evolucije genomskog imprintinga jeste hipoteza roditeljskog konflikta, poznata i kao “kinship theory of genomic imprinting”. Ona kaže da je nejednakost među majčinim i očevim genima rezultat suprotnih interesa svakog roditelja posmatranih iz ugla evolucione prednosti i fitnesa jedinke. U principu: za mužjaka, koji može da nakon što jedna ženka umre napravi više potomaka sa nekom drugom, se „isplati“ da svako pojedinačno dete odraste što brže i bude što veće i snažnije, čak i ako to potpuno iscrpi resurse majke; za majku, više se „isplati“ ako se resursi podele među više potomaka (pogledati Haig-ov rad Parental antagonism). Gašenje sopstvenih gena u potomku za rad aktiviranja onih na majčinoj strani i obrnuto je posledica dugotrajnih evolucionih imperativa.

Takođe, u evolucione prednosti metilacije treba dodati i isključivanje parazitske DNK, o kojoj je prethodno bilo reči, a koja bi bez metilacije opet bila u stanju da se replicira. Biolozima je poznato da čak i pčele metiliraju svoju DNK. Što ukazuje da je i naš zajednički predak sa insektima verovatno metilirao DNK. Međutim, kod pčela izgleda da metilacija nema ulogu u kontroli parazitske DNK što govori podatak da pčele imaju dosta ovakve parazitske DNK u svom genomu i ona je potpuno nemetilisana. Ovo govori u prilog hipotezi roditeljskog konflikta koja je verovatno bitniji razlog.

Holandski eksperiment sa izgladnjivanjem majki

Jedan od često pominjanih eksperimenata a koji se tiče transgeneracijskog epigenetskog nasleđivanja je, već spomenuti, Holandski eksperiment tzv. “Dutch famine of 1944”. O čemu se zapravo radi? Tokom 1944. godine, nacisti koji su u to vreme okupirali dobar deo Holandije presekli su kanale za isporuku hrane, goriva i ostalih resursa. Ogroman broj Holanđana bio je izložen dugotrajnoj gladi. Njih 22,000 je umrlo. Holanđani, međutim, su i dalje pažljivo zapisivali ko se rodio i ko je umirao, težinu svih rođenih beba, učestalost bolesti, itd. Sve to je omogućilo kasnijim epidemiolozima da istražuju efekte ove gladi na stanovništvo.

Izgladneli holandski dečak tokom  
1944 – 1945

Rezultati su pokazali da su trudnice koje su bile izgladnjivane rodile decu znatno manje težine, sa čestim srčanim problemima, dijabetesom tipa II, učestalim rakom dojki, itd. Ono što je bilo posebno zanimljivo, čak i njihovi unuci su počeli pokazivati slične poremećaje iako nisu bivali izloženi glađu. Dobar deo autora tekstova o epigenetici redovno pominje ovaj slučaj i navodi ga kao čist primer transgeneracijskog epigenetskog nasleđivanja na ljudima. Međutim, pojedini autori odlaze toliko daleko da u celu priču ubacuju i Lamarkizam. Hajde da i ovaj fenomen malo razjasnimo.

Posledice na unucima do kojih je ovde došlo, uzrokovane su promenama u metilaciji nekoliko regulacionih gena a što je uticalo na veliki broj drugih gena u telu. Ovo se na veoma komplikovane načine prenelo na sledeće generacije. Recimo – ako je žena bila izložena gladi u toku prva dva trimestra trudnoće. Ako je nakon toga rodila devojčicu i ako je ta devojčica imala normalnu telesnu težinu pri rođenju (u okviru normalnog proseka). Deca te devojčice ce imati manju telesnu težinu pri rođenju nego što je normalno. Razlog je dakle najverovatnije povezan sa proteinima poznatim kao faktori rasta, i sa njihovim nivoom metilacije. Dakle, ovo nije po ničemu drastična stvar i još jednom pokazuje da epigenetski efekti mogu biti od 10 do 10,000 puta manji od genetskih.

Epigenetika i buđenje Lamarkizma?

Pojedini tekstovi o epigenetici često manipulišu i time kako transgeneracijsko epigenetsko nasljeđivanje sve više vraća davno zaboravljeni Lamarkizam ponovo u igru. Da se podsetimo, Lamarkizam (nazvan po čuvenom francuskom zoologu Jean-Baptiste Lamarck, 1744 -1829) zastupa ideju da se stečene karakteristike mogu prenositi na potomke. Primera radi, čovek koji uporno vežba i dobije snažne mišiće a onda i njegovo dete nasledi takođe snažne mišiće (bez potrebe za prevelikim treningom). Lamark je slično tvrdio kada je u pitanju i dugački vrat žirafe. Savremena sinteza Darvinove evolucije odbacije Lamarkističke ideje dokazujući da se tokom niza generacija vrši prirodna selekcija među slučajnim varijacijama (što i jeste opšte-prihvaćeno naučno gledište danas).

Dalje, ako pažljivo razmotrimo prethodno opisani Holandski slučaj sa izgladnjivanjem primetićemo da to opet ne bi mogao da bude primer Lamarkizma. Zašto? Pa zato što epigenetika pokazuje da uslovi u kojima čovek živi mogu ostaviti samo privremene promene na genomu, koje mogu da se prenesu kroz sledeće dve-tri generacije, i koje (a što je ključno za Lamarkizam) imaju posledice sasvim drugačije od onih koje je čovek stekao usled svog iskustva. To jest, ovde čovek biva izložen gladovanju, a onda se njegovi unuci rode se manjom visinom i telesnom težinom. To ni blizu nije ishod stvari koji zastupa Lamarkizam. Ispravan ishod prema Lamarkizmu bi bio da deca i unuci izgladnjivanog čoveka budu barem nešto sposobniji na duže periode izgladnjivanja. Što ovde nije slučaj jer imamo sasvim drugi set karakteristika (kardiovaskularni problemi, manja težina, dijabetes, itd). koji se odražavaju na potomcima.

Zašto su posledice ovako nepredvidive? Posledice koje su u ovom slučaju prenete potomcima funkcionišu kroz mehanizme koji, kao nuzefekt, mogu povećati nivo mutacija na genetskim lokusima čija aktivnost je privremeno promenjena. Dakle, majka gladuje, njeni unuci imaju malo veću šansu mutacija u određenim metaboličkim genima. Efekt tih mutacija je potpuno nepredvidljiv – on može učiniti unuke otpornijim prema gladovanju, osetljivijim prema gladovanju, ili (najverovatnije) dovesti do metaboličkih poremećaja i u gladovanju i u normalnoj ishrani. Otud, najverovatnije se radi o neželjenom nuzefektu epigenetskih sistema, radije nego o sistemu nasleđivanja.

Zaključak

Sve ovo jasno potvrđuje da talas pseudonauke koji se nagomilao oko epigenetike i tvrdnje poput kojih je klasična genetika “bačena na kolena” zaista nemaju ikakvog smisla. Što je još žalosnije, niski kriterijumi i senzacionalizam kojim mediji dočekuju takve uzbudljive i „revolucionarne“ tekstove poslednjih godina (vođeni željom za što većim brojem čitalaca) nanose više štete nauci nego što joj koriste. Za takve pokušaje slobodno možemo reći da imaju samo jednu svrhu – manipulaciju.

Banalan primer, na sajtu jedne od najvećih svetskih novina, Guardian portalu, objavljuje se članak u kojem se glorifikuje (samo jedna u nizu) knjiga “The Epigenetics Revolution” autorke Nessa Carey, a koja navodno dokazuje i to da Darvinizam više ne važi. Cilj i motiv koji stoji iza odluke da jedna ovakva novinska kuća objavi tako nešto je jasan – ponuditi uzbudljiv tekst koji će pronaći nove čitaoce – jеr na žalost, svakako ih nećete pronaći ako budete pisali o tome da se klasična genetika iznova i iznova potvrđuje sa novim otkrićima.

Takođe, sa aspekta evolucione biologije, iz eksperimenata koje smo ovde videli, cela ideja o epigenetici kao „neprijatelju teorije evolucije“ je neozbiljna. Otkrića u epigenetici jesu veoma interesantna, i proširila su naše znanje o tome kako geni rade. Takva istraživanja jesu od koristi i trebaju biti nastavljena i u budućnosti, to niko ne spori. Ali ova epigenetska otkrića se potpuno uklapaju u modernu teoriju evolucije, koja podrazumeva evolucione promene putem prirodne selekcije, genetičkog drifta, slučajnih mutacija, specijacije, itd. Geni imaju centralnu ulogu u evoluciji i ta činjenica se ne može pobiti time što ćemo samo medijski preuveličavati značaj epigenetike i predstavaljati rezultat svakog njenog istraživanja kao revolucinarno čudo.

RSS
Follow by Email
Twitter