V genetike dlho prevažoval názor, že fenotyp jedinca je úplne závislý od sekvencie DNA v jeho genóme. Nový vedný odbor – epigenetika – však toto presvedčenie začína meniť.
Aktivita mnohých génov nie je pevne stanovená, výsledné fenotypy vznikajú v závislosti od toho, v akom prostredí daný jedinec vyrastá. Epigenetika študuje zmeny v expresii génov, ktoré sú nezávislé od sekvencie DNA.
Tieto zmeny môžu vznikať v dôsledku environmentálnych faktorov, akými sú napríklad potrava a fajčenie.
Pojem epigenetika zaviedol už v polovici minulého storočia britský biológ Conrad Waddington, ktorý ju definoval ako kauzálne interakcie medzi génmi a prostredím, ktoré umožňujú prejav znakov vo fenotype. Odvtedy sa definícia tohto pojmu menila tak, ako sa postupne objasňovala úloha epigenetiky v rôznych biologických procesoch.
V súčasnosti je epigenetika vednou disciplínou, ktorá sa zaoberá štúdiom dedičných zmien v expresii génov, ku ktorým dochádza nezávisle od zmien v primárnej sekvencii DNA.
Zjednodušene povedané, ide o stabilné zmeny v génovej expresii bez zmien v genetickom kóde (t. j. bez mutácií), ktoré sa môžu prenášať do ďalších generácií.
Organizácia genetického materiálu
Skôr než odpovieme na to, ako je možné, že dôjde k vypnutiu génu, je nutné pochopiť, ako je hmotný nositeľ genetickej informácie – molekula DNA – v bunke organizovaná. Aby bolo možné DNA zbaliť do bunkového jadra, ktorého priemer je len niekoľko mikrometrov, DNA eukaryotických organizmov interaguje s proteínmi a vzniká chromatín.
Základnou jednotkou chromatínu je nukleozóm, ktorý sa skladá zo 146 bázových párov DNA organizovaných okolo komplexu proteínov nazývaných históny.
Nukleozómové vlákno je ďalej kondenzované do vyšších chromatínových štruktúr. Najviac kondenzované chromozómy možno pozorovať pomocou svetelného mikroskopu v deliacich sa bunkách.
Chromatínová sieť
V období medzi dvoma deleniami, keď dochádza k expresii génov potrebných na fungovanie bunky, možno v jadre pozorovať len tzv. chromatínovú sieť.
Slovníček pojmov
Fenotyp: vonkajší vzhľad jedinca, ktorý je výsledkom spolupôsobenia genotypu a prostredia.
Genotyp: súbor všetkých génov organizmu.
Alela: určitá forma génu, napr. gén pre farbu kvetu môže mať alelu pre červenú farbu a alelu pre bielu farbu kvetu.
Genóm: genetický materiál organizmu.
Expresia génu: vyjadrenie genetickej informácie – úseku nukleovej kyseliny (DNA) – génu – do podoby finálneho produktu (väčšinou proteín alebo funkčná RNA).
Transkripcia: časť génovej expresie, prepis z poradia nukleotidov v DNA do poradia nukleotidov v mRNA.
Promótor: špecifická nukleotidová sekvencia, na ktorú sa viaže RNA polymeráza a označuje miesto štartu transkripcie.
Remodeling chromatínu: preusporiadanie chromatínu pomocou proteínových komplexov.
Onkogén: gén, ktorý reguluje procesy aktivujúce alebo urýchľujúce delenie buniek. Jeho mutácia môže viesť k vzniku nádorového ochorenia.
Tumor supresorový gén: gén, ktorý bráni vzniku nádorového ochorenia.
Štruktúra chromatínu je voľnejšia, čo umožňuje začať transkripciu. Podľa stupňa kondenzácie chromatínu rozlišujeme dve odlišné formy: euchromatín a heterochromatín. Pre euchromatín je typická voľnejšia štruktúra DNA, ktorá umožňuje nadviazanie a reguláciu transkripčnými faktormi, a teda aktívny prepis génov (transkripciu).
Heterochromatín, naopak, predstavuje vysoko kondenzovanú DNA, ktorá nie je prístupná transkripcii. Sú to hlavne oblasti, ktoré sú bohaté na repetitívne sekvencie a chudobné na gény. Heterochromatínové úseky sa nachádzajú aj v oblastiach s génmi, ktoré sa v danom vývinovom štádiu neexprimujú.
Prechod z euchromatínového do heterochromatínového stavu a späť je reverzibilne regulovaný epigenetickými mechanizmami.
Práve tento prechod zohráva hlavnú úlohu pri zapínaní alebo vypínaní niektorých génov. K regulácii mnohých dôležitých biologických procesov dochádza práve zapínaním a vypínaním niektorých génov. Ide najmä o procesy, ktoré sa spájajú s delením a diferenciáciou buniek.
Telo dospelého človeka obsahuje asi 100 miliárd buniek. Každá bunka obsahuje rovnaký genóm, t. j. rovnaké gény, a predsa sa bunky v ľudskom tele líšia a diferencujú na rôzne typy – svalové, nervové a pod. Bunka pečene obsahuje rovnakú DNA ako bunka mozgu, napriek tomu dokáže exprimovať iba proteíny potrebné na fungovanie v pečeni. V samičkách cicavcov vrátane človeka navyše dochádza k inaktivácii jedného celého chromozómu – pohlavného chromozómu X.
Táto inaktivácia je potrebná na kompenzáciu génovej dávky, pretože samičky majú dva X chromozómy, na rozdiel od mužov, ktorí majú len jeden X chromozóm (druhým pohlavným chromozómom mužov je chromozóm Y). Potreba mechanizmu, ktorý by vypínal a zapínal gény, je teda očividná. Zapínanie a vypínanie génov sa uskutočňuje rôznymi mechanizmami.
Medzi základné epigenetické mechanizmy patria metylácia DNA, kovalentné modifikácie histónov, chromatín remodelujúce faktory a nekódujúce RNA.
Tieto mechanizmy majú schopnosť medzi sebou komunikovať a takto vytvárať a udržiavať represívny alebo transkripčne aktívny stav chromatínu. Metylácia DNA je chemický proces, pri ktorom dochádza k pridaniu metylovej skupiny na molekulu DNA.
Trochu iné chvosty
Pri epigenetickej regulácii nastáva najčastejšie metylácia piateho uhlíka cytozínu, čím vzniká modifikovaná báza 5-metylcytozín.
