Základy epigenetiky

Od svých rodičů jsme získali unikátní kód v podobě genetické informace uložené v naší DNA. O tom, které z těchto genů se doopravdy projeví, však velkou měrou rozhodujeme my sami. Jak je to možné a jakými cestami se to děje? To se snaží objasnit vědní obor jménem epigenetika.

Kdysi jsme si mysleli, že genetika předurčila náš osud. Proč tedy jednovaječná dvojčata, která mají stejnou DNA a v dětství je téměř nelze odlišit, v dospělosti často vypadají jinak, trápí je jiné choroby a dožívají se jiného věku?

A co teprve včely – všechny, které žijí v jednom úlu, mají stejnou genetickou informaci, a přitom jsou mezi nimi jak drobné neplodné dělnice, které se dožívají pár týdnu, tak i velká královna, která žije několik let a snáší přitom tisícovky vajíček. Jak je to možné?

Odpověď spočívá v tom, že ne všechny geny v DNA jsou stejně aktivní. Některé jsou zapnuté, takže se podle nich vytvářejí bílkoviny, jiné jsou vypnuté, což je skoro stejné, jako kdyby v DNA vůbec nebyly, protože se podle nich bílkoviny tvořit nemohou. O tom, které z genů se zapnou, a které naopak vypnou, rozhoduje celá řada vlivů, které na nás působí v průběhu nitroděložního vývoje a poté i po celý život.

Většina těchto vlivů je přitom docela obyčejná, tvořená našimi každodenními rozhodnutími (co budeme jíst, jestli se budeme hýbat), ale i našimi emocemi, stresem, který na nás působí, chemikáliemi, které jíme či vdechujeme. Všechny tyto vlivy spouští série chemických reakcí, které dokáží vypínat či zapínat jednotlivé geny v naší DNA.

Co se děje v buňce?

Lidi, zvířata i rostliny, všichni jsme složeni z buněk. Tyto buňky sice nejsou stejné, každá z nich ale obsahuje jádro, ve kterém je schovaná její genetická výbava – je to genetický kód, DNA, která je totožná ve všech buňkách jednoho těla.

Genetický kód je univerzální. Všechny buňky (vyjma některých virů) obsahují DNA složenou ze shodných komponent: čtyř typů bazí (adenin, thymin, cytosin, guanin), cukru (deoxyribóza) a zbytku kyseliny fosforečné. To, v čem se buňky jednotlivých živočišných či rostlinných druhů liší, je ale pořadí bází, které DNA dané buňky obsahuje.

Určité úseky DNA se pak nazývají geny – jde vždy o tu část, podle které se v organismu vytváří jedna bílkovina.

DNA – vlákno života

V jádře každé lidské buňky se nachází 23 párů chromozomů, což jsou vlastně dlouhá vlákna DNA obtočená kolem bílkovin zvaných histony. Jednu sadu třiadvaceti chromozomů jsme získali od otce a druhou od matky. 22 párů vypadá stejně, jeden pár je tvořen kombinací chromozomů X a Y, které určují naše pohlaví: Když se spojí dva chromozomy X, narodí se holčička, když X a Y, tak se narodí chlapeček.

DNA je tvořena takzvanou dvoušroubovicí, v níž jsou spojena vždy dvě vlákna. Způsob, jakým jsou tato vlákna spojena, je přitom zásadně důležitý – záleží totiž na párování právě oněch čtyř druhů bází. Adenin na jednom vláknu se vždy páruje s thyminem na druhém vláknu a cytosin se zase páruje s guaninem. Říká se tomu komplementarita bází. Tím je zaručeno, že když se vlákna rozpojí (což se děje při dělení buněk), podél každého z nich se seřadí odpovídající báze a vznikne totožné vlákno, jaké tam bylo před tím.

Tajemství genů

Na vláknech DNA se nacházejí jednotlivé geny – různě dlouhé úseky, podle nichž tělo vytváří bílkoviny. Existují přitom dva základní typy genů:

strukturní – kódují bílkoviny tvořící stavební kameny našeho těla, jako je třeba kolagen;

regulační – podle nich se tvoří bílkoviny ovlivňující pochody v našem těle, například ty, které jsou součástí enzymů.

A právě do procesu, při kterém se bílkoviny podle genů tvoří, zasahují ony výše zmiňované epigenetické reakce, které mohou tento přepis genů zcela zablokovat.

DNA obsahuje miliardy bází, ale pouze 1,5 % kóduje bílkoviny. Z ostatních částí vlákna jsou pro nás důležité tzv. promotory, tedy úseky, které se nacházejí před každým z genů.
Právě na promotory se váží tzv. transkripční faktory, které zahajují přepis genu na ribonukleovou kyselinu (RNA).

Transkripce (přepis) je přitom prvním krokem procesu, v němž vzniká bílkovina. Tím druhým je translace (překlad).

Transkripcí vzniká RNA. Rozdíl mezi RNA a DNA je pouze v jiném typu obsaženého cukru (ribóza místo deoxyribózy) a jedné bázi – RNA obsahuje místo thyminu uracil. Při translaci se pak podle vzniklé RNA vytváří bílkovina.

RNA existuje několik druhů:

mRNA (messengerová) – nese vlastní přepis genu, ze kterého vzniká bílkovina;

tRNA (transferová) – účastní se procesu translace, při kterém k vláknu mRNA přináší aminokyseliny, jež budou tvořit výslednou bílkovinu.

rRNA (ribozomální) – je součástí ribozomů, malých továren na bílkoviny, které máme v buňkách.

Vznik RNA – transkripce

Při transkripce neboli přepisu na promotor příslušného genu nasedne enzym RNA-polymeráza, který je různou silou přitahován k promotoru pomocí transkripčních faktorů. Poté je zahájen přepis DNA na RNA, který probíhá na základě komplementarity bází (tedy podle jejich párování). Jediná změna, ke které dojde oproti procesu tvorby nové DNA, je, že se zde s adeninem místo tyminu páruje báze jménem uracil. Takto vzniká mRNA, tRNA, rRNA i další druhy RNA.

Vznik bílkoviny – translace

Na transkripci (přepis) navazuje translace neboli překlad. To je proces, kdy se pořadí bází na mRNA přeloží do pořadí aminokyselin, ze kterých je složena daná bílkovina. Děje se to v ribozomech, malých bílkovinných továrničkách v našich buňkách. A opět to probíhá na základě komplementarity, protože i aminokyseliny na vlákno mRNA nasedají podle pořadí jejích bází. Tentokrát ale nejde o párování, protože určitá aminokyselina, kterých ve v našem těle celkem 20 druhů, vždy nasedá na určitou kombinaci tří bází (tzv. triplet). Takto seřazené aminokyseliny se pak spojí peptidovou vazbou a bílkovina je na světě.

Jak funguje epigenetika

Jak už jsme ale uvedli, bílkoviny se netvoří podle všech genů, ale jen podle těch, které jsou zapnuté. Zapínání a vypínání se přitom děje pomocí tří základních reakcí, jejichž průběh zkoumá epigenetika.

„Epi“ znamená v řečtině „nad“, tudíž je to „něco nad genetikou“. Kromě genomu, tedy pořadí bazí v DNA, totiž existuje i tzv. epigenom – soubor chemických změn, které určují aktivitu jednotlivých genů. Jedná se především o metylaci genů, modifikaci histonů a regulaci pomocí mikroRNA.

Některé z těchto změn jsou dokonce dědičné, prakticky u všech ale platí, že je lze zvrátit. Na rozdíl od genomu, tedy vlastní struktury DNA, je epigenom nestálý a můžeme ho ovlivňovat třeba prostřednictvím našeho životního stylu. Tím můžeme například zvýšit či naopak sníž, jaké nemoci nás postihnou.

Metylace genů

Při metylaci DNA dochází k navázání metylové skupiny (CH3-) na báze cytosin a guanin – především pak na ty, které se nacházejí v promotorech jednotlivých genů. Když je promotor metylován, je gen vypnutý – transkripční faktory a příslušné enzymy ho nenajdou a proces transkripce nemůže být zahájen. Po demetylaci pak dojde k jeho zapnutí.

Pokud jsou například nadměrně metylovány tzv. tumorsupresorové geny, které mají za úkol nás chránit před nádorovým bujením, výrazně se zvyšuje riziko vzniku rakoviny.

Modifikace histonů

Histony jsou bílkoviny kulovitého tvaru, na nichž jsou namotána vlákna DNA podobně jako nit na cívku. Aby mohlo dojít k zahájení transkripce, musí se úsek, na kterém se nachází příslušný gen, nejprve z histonů odmotat. Odmotávání a zpětné namotávání se přitom děje pomocí několika reakcí, z nichž nejdůležitější je acetylace a deacetylace histonů.

Když je histon acetylován, vlákno se z něj uvolní a čtení genu může začít. Deacetylací pak dojde k opětovnému namotání.

Regulace pomocí microRNA

Dalším epigenetickým mechanismem, který se na rozdíl od dvou předchozích neděje na úrovní transkripce ale translace, je regulace pomocí microRNA. Jedná se o krátké jednovláknové molekuly RNA, které nic nekódují, dokáží ale nasednout na mRNA, a tím zabrání translaci a vzniku bílkoviny.

Signální dráhy

Poslední oblastí zkoumanou epigenetikou jsou tzv. signální dráhy, které zásadně ovlivňují děje uvnitř buňky. Jejich pomocí totiž buňka přijímá signály ze svého okolí, anebo se tak předávají informace mezi různými částmi téže buňky.

K buňce informace přicházejí pomocí tzv. signálních molekul, mezi něž patří například hormony. Na jejich vlastnostech pak závisí způsob, jakým se informace dostane dovnitř. Buněčná stěna je totiž tvořena látkami tukové povahy, přes něž mohou bez problémů pronikat látky rozpustné v tucích. Ty, které jsou rozpustné ve vodě, se dovnitř nedostanou. Pro ně je tady ale systém druhých poslů. Při něm se signální molekula nejprve naváže na specifické místo, receptor, a poté se uvnitř buňky začnou tvořit jiné látky, druzí poslové, kteří informaci donesou až k buněčnému jádru. Následně pak dojde například k zahájení či ukončení přepisu jednotlivých genů.

Řada nemocí je přitom způsobena právě poruchami v oblasti signálních drah. Jednotlivé signály jsou totiž za normálních okolností časově omezené. Když například buňka obdrží signál k dělení, začne se množit, a když signál ustane, ukončí se i proces dělení. Pokud ale signál ukončen není, třeba kvůli tomu že je příslušný receptor porušený, anebo se třeba „splaší“ buňka, která signální molekuly vytváří, může dojít k rychlému, nekontrolovatelnému dělení, které se stane základem nádorového bujení.