Τι είναι η επιγενετική κληρονομικότητα;

Επιγενετική είναι οι αλλαγές που γίνονται πάνω από το DNA (όχι στην κύρια αλληλουχία του DNA που περιέχει πληροφορίες). Οι επιγενετικές αλλαγές αλλάζουν το πότε και πού παράγονται ορισμένες πρωτεΐνες. Μερικές από αυτές τις αλλαγές μπορούν να μεταδοθούν από τους γονείς στους απογόνους.

Η απάντησή μου σε κάθε αγχωτική κατάσταση είναι απλή:Κάθομαι σε ένα ήσυχο μέρος μέχρι να καταλάβω καλύτερα τα συναισθήματά μου. Κάποια στιγμή συνειδητοποίησα ότι η δική μου μέθοδος αντιμετώπισης του στρες ήταν πολύ παρόμοια με αυτή της μητέρας μου. Καθώς μεγαλώνουμε, πολλοί από εμάς αρχίζουμε να συνειδητοποιούμε ότι οι καθημερινές μας συνήθειες μοιάζουν με τους γονείς μας. Αυτό περιλαμβάνει διατροφικές συνήθειες, μοτίβα άσκησης και συναισθηματικές αντιδράσεις στο στρες ή το άγχος.

Τέτοιες ομοιότητες οφείλονται σε επιγενετικούς παράγοντες. Η επιγενετική έχει κερδίσει μεγάλη προσοχή τις τελευταίες δεκαετίες λόγω της μη παραδοσιακής αρχής της μεταβίβασης συνηθειών και συμπεριφορών από γενιά σε γενιά.

Ο όρος επινοήθηκε πολύ πίσω το 1942, μια εποχή που λίγα ήταν γνωστά για τα γονίδια και τον κληρονομικό τους ρόλο. Σήμερα, νοείται ως ένας μηχανισμός που επηρεάζει τον τρόπο έκφρασης ενός γονιδίου χωρίς να αλλάζει την αλληλουχία του DNA. Οι επιγενετικοί παράγοντες αποφασίζουν ποιο γονίδιο σε ένα συγκεκριμένο κύτταρο θα εκφραστεί και ποιο θα αποσιωπηθεί.

Τι είναι η επιγενετική;

Η επιγενετική είναι ένας κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με φαινοτυπικές αλλαγές που εκδηλώνονται χωρίς αλλαγή της αρχικής αλληλουχίας DNA. Ένας φαινότυπος είναι η οπτική έκφραση του γονιδίου ή ενός χαρακτηριστικού. Ένας γονότυπος είναι το σύνολο των γονιδίων στο DNA που είναι υπεύθυνα για έναν συγκεκριμένο χαρακτήρα ή χαρακτηριστικό. Ένας φαινότυπος είναι σαν το εξωτερικό κάλυμμα ενός βιβλίου, ενώ ο γονότυπος είναι το πραγματικό περιεχόμενο του βιβλίου.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ DNA και κυττάρων. (Φωτογραφία:Nasky/Shutterstock)

Ποια είναι λοιπόν η διαφορά μεταξύ γενετικής και επιγενετικής; Ενώ η γενετική ασχολείται με τα γονίδια και τις γονιδιακές λειτουργίες, η επιγενετική εστιάζει περισσότερο στη γονιδιακή ρύθμιση. Με κυριολεκτική έννοια, σημαίνει «πάνω από» ή «επιπλέον» στη γενετική.

Τα περισσότερα κύτταρα στο σώμα μας περιέχουν τα ίδια σύνολα γονιδίων, αλλά είναι ανόμοια στην εμφάνιση και την έκφρασή τους. Αυτό οφείλεται στην επιλεκτική έκφραση και καταστολή των γονιδίων στο συγκεκριμένο κύτταρο. Γι' αυτό τα κύτταρα της καρδιάς σας φαίνονται πολύ διαφορετικά από τα κύτταρα που αποτελούν το μάτι σας. Ο μηχανισμός αυτής της διαφοροποίησης μέσω της γονιδιακής ρύθμισης ονομάζεται επιγενετική.

Πώς λειτουργεί η επιγενετική;

Τα κύτταρά μας περιέχουν ένα σύνολο γονιδίων που συνθέτουν το DNA μας. Τα γονίδια δεν κωδικοποιούν άμεσα τις πρωτεΐνες. είναι οδηγίες που κατευθύνουν το σχηματισμό πρωτεϊνών. Κάθε κύτταρο στο σώμα δεν εκφράζει όλα τα γονίδια. Μάλλον, ένας πολύ εξελιγμένος μηχανισμός ελέγχει την έκφραση των γονιδίων.

Υπάρχει ένα συγκεκριμένο σύνολο χημικών ενώσεων, που ονομάζονται «ετικέτες», που συνδέονται με γονίδια. Αυτές οι ετικέτες αποφασίζουν εάν μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη θα εκφραστεί ή θα αποσιωπηθεί. Η επιγενετική ελέγχει αυτήν την έκφραση και διασφαλίζει ότι τα όργανά σας διαθέτουν διαφοροποιημένα κύτταρα, παρά το ότι έχουν το ίδιο σύνολο γονιδίων.

Επιγονιδίωμα

Αυτό μας φέρνει σε έναν νέο όρο, επιγονιδίωμα . Το επιγονιδίωμα περιλαμβάνει όλες τις χημικές ετικέτες που υπάρχουν στο DNA ενός ατόμου. Οι χημικές ετικέτες δεν αποτελούν μέρος του αρχικού DNA, αλλά υπάρχουν μόνο πάνω από αυτό.

Μηχανισμός επιγενετικών τροποποιήσεων. (Φωτογραφία:Flickr)

Ένας μηχανισμός με τον οποίο λαμβάνει χώρα η επιγενετική τροποποίηση είναι η μεθυλίωση του DNA. Αυτή είναι η προσθήκη μιας μεθυλομάδας (CH3) στο DNA. Η παρουσία αυτής της μεθυλικής ομάδας ρυθμίζει την παραγωγή μιας πρωτεΐνης από το γονίδιο. Εάν το DNA ήταν μια πρόταση, η ομάδα μεθυλίου θα αποφάσιζε πού να προσθέσει τελεία.

Το DNA περιέχει 4 νουκλεοτίδια—αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη—τα οποία είναι κατανεμημένα σε όλη την έλικα του DNA. Ωστόσο, η ομάδα μεθυλίου δεν συνδέεται απλώς τυχαία σε οποιοδήποτε νουκλεοτίδιο του DNA. Η ομάδα μεθυλίου έχει μια ιδιαίτερα ισχυρή συγγένεια για το νουκλεοτίδιο κυτοσίνης που προηγείται ενός νουκλεοτιδίου γουανίνης. Υπάρχουν ορισμένες περιοχές στο DNA που περιέχουν μια μεγάλη έκταση περίπου 1000 νουκλεοτιδίων και έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα κυτοσίνης και γουανίνης. Αυτά ονομάζονται νησίδες CpG. Αυτά τα νησιά είναι κεντρικά σημεία για περιοχές που ξεκινούν τη διαδικασία σχηματισμού πρωτεϊνών, γνωστών ως προαγωγείς γονιδίων. Έτσι, η μεθυλίωση αυτών των νησιών μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη διακοπή του σχηματισμού πρωτεϊνών και, με τη σειρά της, τη σίγαση της γονιδιακής έκφρασης.

Τώρα, η μεθυλίωση του DNA δεν είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο λαμβάνουν χώρα οι επιγενετικές διεργασίες στο ανθρώπινο σώμα. Ένας άλλος πολύ ενδιαφέρον μηχανισμός που προκαλεί επιγενετικά αποτελέσματα είναι η τροποποίηση της χρωματίνης. Η χρωματίνη είναι μια σύνθετη δομή πρωτεϊνών που ονομάζονται πρωτεΐνες ιστόνης και του DNA. Η χρωματίνη είναι σφιχτά συσκευασμένη για να χωράει στον πυρήνα του κυττάρου. Οποιαδήποτε τροποποίηση στη δομή της χρωματίνης επηρεάζει την έκφραση των γονιδίων.

Το DNA είναι σφιχτά συσκευασμένο στη χρωματίνη με τη βοήθεια πρωτεϊνών ιστόνης, οι οποίες λειτουργούν σαν άγκυρες και επιτρέπουν στο DNA να τυλίγεται γύρω τους. Το DNA στη χρωματίνη μπορεί να είναι στενά ή χαλαρά συνδεδεμένο. Το DNA που είναι χαλαρά συνδεδεμένο εκτίθεται σε ένζυμα που βοηθούν περαιτέρω στο σχηματισμό πρωτεϊνών.

Δομή χρωματίνης στον πυρήνα. (Φωτογραφία:Mari-Leaf/Shutterstock)

Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε την παραπάνω ιδέα με τη βοήθεια ενός λαστιχιού. Μια στριμμένη λαστιχένια ταινία αντιπροσωπεύει κατάλληλα την έλικα του DNA στη χρωματίνη. Μπορείτε εύκολα να περάσετε το δάχτυλό σας γύρω από την ομαλή καμπύλη του λαστιχένιου ιμάντα, αλλά υπάρχει ένα μικρό σφάλμα όταν πλησιάζετε προς το στρίψιμο. Ομοίως, όταν τα ένζυμα αποκωδικοποίησης του DNA τρέχουν κατά μήκος του DNA, μπορούν εύκολα να διαβάσουν την ανοιχτή αλυσίδα, αλλά κολλάνε όταν φτάνουν στη συστροφή. Έτσι, όλα τα γονίδια που υπάρχουν σε αυτή τη συστροφή αποσιωπούνται αυτόματα.

Επιπλέον, η επίδραση μιας επιγενετικής αλλαγής δεν περιορίζεται σε μία μόνο γενιά. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι επιγενετικές τροποποιήσεις είναι κληρονομικές και, μερικές φορές, οφείλονται επίσης στο περιβάλλον ενός ατόμου.

Τι είναι η επιγενετική κληρονομικότητα;

Η επιγενετική κληρονομικότητα έρχεται σε αντίθεση με τη συμβατική ιδέα ότι η κληρονομικότητα περιορίζεται αυστηρά στο DNA. Η διαγενεακή επιγενετική κληρονομικότητα είναι η μετάδοση του επιγονιδιώματος ή των επιγενετικών δεικτών από τη μια γενιά στην άλλη χωρίς να επηρεάζεται η θεμελιώδης δομή του DNA.

Όταν το σπέρμα και το ωάριο συναντώνται, μεταφέρουν όλο το DNA τους στον ζυγώτη. Αυτό περιλαμβάνει το επιγονιδίωμα. Προτού μπορέσει ο νέος οργανισμός να αναπτυχθεί σε ενήλικα, όλες οι επιγενετικές ετικέτες αφαιρούνται με μια διαδικασία που ονομάζεται επαναπρογραμματισμός.

Η αφαίρεση των επιγενετικών ετικετών συμβαίνει δύο φορές όταν το έμβρυο βρίσκεται στη μήτρα, μία αμέσως μετά τη σύλληψη και ξανά κάποια στιγμή μεταξύ της έκτης και της δέκατης όγδοης εβδομάδας κύησης. Είναι μια προσπάθεια του σώματος να διασφαλίσει ότι το νεογέννητο θα ξεκινήσει με καθαρό σχιστόλιθο.

Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες περιπτώσεις όπου οι επιγενετικές ετικέτες μεταφέρονται ως έχουν. Αυτό αναφέρεται ως αποτύπωση, όπου διατηρούνται μερικοί επιγενετικοί δείκτες. Ως αποτέλεσμα, ίσως μόνο το αντίγραφο της μητέρας ή το αντίγραφο του πατέρα θα χρησιμοποιηθεί αργότερα για να σχηματιστεί η πρωτεΐνη.

Ο δεύτερος γύρος επαναπρογραμματισμού αφαιρεί τυχόν επαναλαμβανόμενες ετικέτες για να αποφευχθεί η ύπαρξη 2 αντιγράφων απενεργοποιημένων ή ενεργοποιημένων γονιδίων. Η δεύτερη φάση του επαναπρογραμματισμού δεν περιλαμβάνει μόνο την αφαίρεση παλαιών ετικετών, αλλά και την προσθήκη νέων επιγενετικών δεικτών.

Η προσθήκη επιγενετικών δεικτών επηρεάζεται επίσης από την περιβαλλοντική έκθεση, τις ορμονικές ανισορροπίες ως αποτέλεσμα του στρες και τα διατροφικά πρότυπα. Εάν η μεθυλίωση του DNA επηρεαστεί από οποιονδήποτε από αυτούς τους παράγοντες, η προσθήκη επιγενετικών ετικετών στα γονίδια θα επηρεαστεί κατά συνέπεια.

Γενετικά πανομοιότυπα ποντίκια με διαφορετικά πρότυπα μεθυλίωσης DNA. (Φωτογραφία:Emma Whitelaw/Wikimedia Commons)

Μια μελέτη που έγινε στο Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Ουάσιγκτον παρέχει κάποια σαφήνεια. Οι αρουραίοι χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη των επιδράσεων των φυτοφαρμάκων στο αναπαραγωγικό σύστημα. Η χημική ουσία εγχύθηκε σε έγκυους αρουραίους κατά τη διάρκεια της δεύτερης εβδομάδας της κύησης. Σχεδόν όλοι οι αρσενικοί απόγονοι είχαν μη φυσιολογικούς όρχεις που παρήγαγαν αδύναμο σπέρμα. Όταν αυτοί οι αρσενικοί απόγονοι ζευγαρώθηκαν αργότερα με θηλυκά κουτάβια, τα εγγόνια είχαν τα ίδια ελαττώματα στους όρχεις με τους πατέρες τους, παρόλο που δεν εκτέθηκαν άμεσα στη χημική ουσία.

Η χημική ουσία που προστέθηκε στην πρώτη γενιά επηρέασε το πρότυπο μεθυλίωσης του DNA τόσο στη δεύτερη όσο και στην τρίτη γενιά. Αυτή η επιγενετική ετικέτα για μη φυσιολογικούς όρχεις ήταν κληρονομική και υποστήριξε την υπόθεση ότι η έκθεση σε τοξίνες μπορεί να επηρεάσει τη μεθυλίωση του DNA σε ορισμένα κρίσιμα σημεία.

Εκτός από την περιβαλλοντική έκθεση σε χημικές ουσίες και τοξίνες, οι προσωπικές εμπειρίες ενός γονέα μπορούν επίσης να έχουν μόνιμη επίδραση στους επιγενετικούς παράγοντες.

Συμπέρασμα

Από την ανακάλυψή της το 1942, η επιγενετική έχει λάβει ισχυρή θετική ανταπόκριση από ερευνητές σε όλο τον κόσμο. Ωστόσο, λόγω έλλειψης ουσιαστικών στοιχείων, δεν είναι δυνατό να συνειδητοποιήσουμε όλες τις επιπτώσεις της επιγενετικής. Επιπλέον, οι επιγενετικές αλλαγές διέπονται από περιβαλλοντικές εκθέσεις και προσωπικές αλληλεπιδράσεις. Όταν αλλάζουν οι εκθέσεις, υπάρχει πιθανότητα να αντιστραφούν οι επιγενετικές αλλαγές.

Η επιγενετική μπορεί να προσθέσει μια άλλη προοπτική στον τρόπο με τον οποίο λαμβάνει χώρα η εξέλιξη. Η επιγενετική κληρονομικότητα θα μπορούσε να επιτρέψει σε έναν οργανισμό να αλλάζει συνεχώς τη γονιδιακή του έκφραση χωρίς να αλλάζει τον υποκείμενο γενετικό του κώδικα. Ωστόσο, όλα αυτά είναι απλώς εικασίες από την πλευρά μου. Θα πρέπει απλώς να περιμένουμε περαιτέρω έρευνα και ανακάλυψη προτού μπορέσουμε να αναγνωρίσουμε πλήρως τις τεράστιες δυνατότητες της επιγενετικής!