Koliko puta ste čuli ili pomislili: „Ma, to je sve genetika“? Ovakvi stavovi su široko prihvaćeni, ali istovremeno mogu izazvati zabunu i dovesti do nesporazuma. Masovnost njihove upotrebe ne treba da nas čudi, s obzirom na to da su naše okruženje i medijski prostor svakodnevno preplavljeni pričama koje navode da je upravo genetika osnova ili uzrok raznih osobina, ponašanja ili bolesti. Takođe, ni ovakva sveopšta oduševljenost genetičkim mehanizmima i fenomenima ne treba da nas čudi, s obzirom na to da su dinamičan razvoj genetike i njegovi ishodi zaista umnogome olakšali život ljudi i pružili preko potrebna objašnjenja. Međutim, kada se prisetimo već pomenutih zabuna, valjalo bi objasniti zašto do njih dolazi. U idealnoj situaciji, za neku osobinu bio bi odgovoran jedan ili mala grupa gena ili bolje rečeno jedna ili mali broj promena u genetičkom materijalu. Međutim, brzo se zaključilo da je nemoguće objasniti mnoge pojave samo preko jednog gena ili male grupe gena. Šta kada „ista genetika“ ne dovodi do istog ishoda? Usled takvog razvoja situacije neminovno je da se nametne pitanje: Postoji li nešto, recimo, „iznad“ genetike?
Sve pojave i mehanizmi koji se nalaze „iznad“ genetike danas su obuhvaćeni pod pojmom epigenetika. Polako, ali sigurno, naslove koji su pominjali pojedinačne gene ili promene zamenjuju naslovi koji ovoga puta pominju epigenetičke promene. I zaista, ako odemo do grčkog porekla ove reči, uviđamo da prefiks epi- znači iznad. Da li nam to govori da sva dosadašnja znanja treba zanemariti i da genetika sama po sebi treba da bude zamenjena epigenetikom? Odgovor je svakako ne. Hajde da premotamo priču na početak, i to baš sam početak, kako epigenetike, tako i biološkog razvoja. Termin epigenetika nastao je pre svega u nastojanju da se objasne razvojni procesi, tj. kako od oplođene jajne ćelije nastane odrastao (višećelijski) organizam, vrlo kompleksan u svojoj strukturi. Kako je put naučnih otkrića pun „skretnica i prolaznica“, tako se i definicija epigenetike u skladu sa tim menjala, postajući uža i određenija. Osnovi za razvoj epigenetike postavljeni su još u 19. veku, a konkretna ideja i podaci iz epigenetike onakve kakvom je znamo danas počeli su se pojavljivati polovinom 20. veka. Tvorac samog termina epigenetika je Konrad Vodington (Conrad Waddington), koji je prvi put diskutovao o epigenetičkim promenama u svom naučnom članku, u časopisu Evolution 1956. godine, u kom je nastojao da objasni komplikovanu vezu između sredine i gena. Pored Vodingtona svakako ne treba zaboraviti niti zanemariti naučnike koji su svojim radom neminovno doveli do razvoja epigenetike (npr. Ernst Hedorn, Dejvid Nani i mnogi drugi).
Premotajmo priču još jednom na početak, ali ovoga puta ne istorijski, već biološki. Pre svega, od izuzetne je važnosti da se prvo razume šta je genetička promena, kako bismo otišli „iznad“. Kompletan nasledni materijal sadržan je u molekulima DNK (dezoksiribonukleinske kiseline). Molekuli DNK, u okviru ćelijskog jedra, zajedno sa određenim proteinima čine hromatin, koji se u određenom trenutku dalje pakuje u konačne strukture poznate kao hromozomi (nasledni materijal mitohondrija i hloroplasta ćemo ovog puta zanemariti). Jedinica nasleđivanja naziva se gen i svaki gen ima svoje mesto (lokus) na hromozomu. Molekul DNK podrazumeva niz sastavljen od osnovnih gradivnih jedinica – nukleotida. Dakle, nasledni materijal možemo zamisliti kao veoma dugačak niz slova (nukleotida), koji sadrži kompletnu informaciju o nekoj individui. U zavisnosti od inicijalnog izbora slova koja čine tu veoma dugačku rečenicu, njihovog rasporeda i načina na koji se ona čitaju, dolazi do različitih ispoljenih osobina. Mehanizam koji dovodi do promene u početnoj „rečenici“ naziva se mutacija (spontana ili indukovana). Određene mutacije (na nivou pojedinačnog gena ili celih hromozoma) dovešće do promene „slova“ (zamena, gubitak, umnožavanje), njihovog rasporeda ili načina čitanja i ovakve tipove promena smatramo genetičkim promenama. Dakle, promene u okviru gena su zapravo promene u nizu nukleotida i (samo) njima se bavila oblast genetike, sve do momenta dok se nije uvidelo da mehanizmi promena nisu dovoljni da se pojedine pojave objasne.
Preko „klasične“ genetike stižemo do epigenetike. Sve (somatske ili telesne) ćelije jednog (višećelijskog) organizma sadrže kompletan i isti genetički materijal, tj. sve gene odjednom. Uprkos tome, nisu sve ćelije organizma iste pošto nemaju iste funkcije, tačnije, nisu svi geni podjednako i u isto vreme aktivni u svim ćelijama. Danas znamo da postoje izvesne razlike između, recimo, nervne ćelije i ćelije jetre. Dakle, postoji nešto što upravlja time koji će geni, u kojoj meri i u koje vreme biti (ne)aktivni u zavisnosti od zahteva organizma. Takođe, možete pretpostaviti da postoje različite potrebe organizma u različitim razvojnim fazama, npr. pre rođenja i u pubertetu. Pored sktriktno razvojnih potreba organizma, (ne)aktivnost gena može biti izmenjena tokom života posredstvom izvesnih uticaja iz spoljašnje sredine ili sredine u kojoj se ćelija/e nalaze; zahtevi organizma nisu isti, na primer, u potpuno smirenom ili krajnje stresnom stanju. Konačno, dolazimo do jednog opšteg zaključka o epigenetičkim promenama: epigenetičke promene podrazumevaju promene koje ne menjaju samu sekvencu nukleotida i reverzibilne su, a mogu se prenositi sa ćelije na ćeliju i, u određenim slučajevima, na narednu generaciju. Da bi promene bile nasledne, moraju se javiti u reproduktivnim ćelijama, pri čemu postoji proces pod nazivom reprogramiranje, koji podrazumeva da se većina postojećih (roditeljskih) epigenetičkih obrazaca briše (pri čemu je i dalje nepoznato u kojoj meri se to dešava), kako bi plod mogao pravilno da se razvije i ponovo uspostavi pomenute obrasce u momentu kada su potrebni. Odatle i prefiks epi-, tj. iznad, dakle promene koje su „iznad“ sekvence nukleotida. Sada postaje jasno da i dve individue sa (skoro) istom sekvencom nukleotida mogu ispoljiti različite osobine. Epigenetičke promene odgovorne su, stoga, kako za pravilno razviće organizma, tako i za odgovaranje na pozitivne (npr. fizička aktivnost) i negativne (npr. izloženost zagađivačima) uticaje iz okruženja.
Kako se epigenetičke promene dešavaju? Postoje tri glavna mehanizma epigenetičkih promena, a to su: hemijska modifikacija samog molekula DNK - (de)metilacija DNK, hemijska modifikacija proteina (histona) koji pomažu da se molekuli DNK pakuju u hromozome i delovanje određenih klasa molekula RNK (ribonukleinske kiseline) koji imaju regulatornu ulogu, a svaki od ovih mehanizama ima za cilj da određeno mesto u naslednom materijalu, tj. gen, učini dostupnim ili nedostupnim za ekspresiju/ispoljavanje (stvaranje proteinskog produkta) u zavisnosti od trenutnog stanja i potreba organizma. Da bismo razumeli način na koji ovi mehanizmi čine određene gene (ne)dostupnim za ekspresiju, treba da se setimo pakovanja naslednog materijala. Dakle, postoji utvrđen način na koji se molekuli DNK kombinuju sa određenim proteinima (zamislimo nit (DNK) koja se namotava oko kuglica (proteina) kako bi nastao hromatin (s obzirom da veoma dugačak nasledni materijal treba spakovati u veoma malo ćelijsko jedro). Od izuzetne važnosti za regulaciju gena je način na koji je taj hromatin raspoređen u prostoru. Upravo na ovome počivaju sva tri mehanizma epigenetičkih promena, dakle, oni restruktuiraju hromatin na različite načine kako bi njegov određeni deo bio izložen ili sakriven za ekspresionu „mašineriju“ ćelije.
U okviru (epi)genetičkih istraživanja većinski se koriste model-organizmi (najčešće vinska mušica i određene vrste miševa). No, bez obzira da li se radi o humanoj ili nekoj drugoj populaciji, postoje mnogi ilustrativni primeri za epigenetičke promene. Za početak možemo navesti jedan primer koji važi za ženke sisara, a zove se inaktivacija X-hromozoma. Naime, pomenute ženke imaju dve kopije polnog X-hromozoma, dok mužjaci imaju samo jednu kopiju tog hromozoma. Ukoliko bi kod ženki obe kopije bile aktivne, došlo bi do duplo veće količine proteinskih produkata gena kod ženki u odnosu na mužjake. Upravo epigenetički mehanizmi sprečavaju navedenu neusklađenost između polova, tačnije dešava se inaktivacija jedne od kopija X-hromozoma kod ženki (inaktivisani X-hromozom naziva se Barovo telo). Inaktivacija jedne kopije X-hromozoma kod ženki dešava se kombinovanjem sva tri navedena epigenetička mehanizma, međutim najupečatljiviji korak jeste taj gde se na kopiji određenoj za inaktivaciju sintetiše molekul RNK pod nazivom Xist koji će posredovati u samoj inaktivaciji. Ceo proces dešava se nasumično u svakoj ćeliji, tako da neke ćelije imaju aktivnu majčinsku, a neke očinsku kopiju X-hromozoma, što je uzrok mozaicizma (prisustva genetički različitih ćelija u okviru istog organizma), a ovaj tip mozaicizma najbolje se ogleda u krznu kaliko mačaka (različiti delovi krzna su različito obojeni u zavisnosti od toga koja kopija X-hromozoma je aktivna).
Kada pričamo o humanoj epigenetici u kontekstu razvoja, možemo dati primer humanog hemoglobina. Hemoglobin je protein koji prenosi kiseonik u krvi. Prvobitna embrionalna forma hemoglobina sastoji se od dva epsilon i dva zeta polipeptidna lanca (obe varijante su kodirane zasebnim genom, kao i druge varijante lanaca hemoglobina). Nakon što embrion pređe u stadijum fetusa, hemoglobin se sastoji od dva alfa i dva gama lanca. Fetusu je potreban hemoglobin sa veoma visokim afinitetom za vezivanje kiseonika, kako bi preuzimanje kiseonika iz placente bilo adekvatno. Međutim, treba uzeti u obzir da se nakon rođenja i početka samostalnog disanja menja način snabdevanja kiseonikom, te je potreban drugačiji hemoglobin. Pred rođenje i nakon rođenja hemoglobin počinje da dobija svoju adultnu formu od dva alfa i dva beta lanca. Promena različitih varijanti lanaca hemoglobina, kako bi adekvatna forma bila prisutna u određenom razvojnom stadijumu, dešava se (između ostalog) zahvaljujući epigenetičkim promenama; oni geni koji su potrebni su „aktivirani“, dok su oni, koji više nisu potrebni, „utišani“ određenom kombinacijom hemijskih modifikacija.
Pored razvojnih prelaza, ne treba zaboraviti na to da epigenetičke promene imaju ulogu i u nastanku određenih bolesti, kao što su razni tipovi kancera. Kod velikog broja tumorskih ćelija, u okviru gena odgovornih za nastanak kancera – onkogena, prisutno je stanje hipometilacije DNK (nedostatak metil-grupa), što dovodi do aktivacije ovih gena. Istovremeno, geni koji nastoje da spreče nastanak kancera, tumor-supresorski geni, su hipermetilovani, što uzrokuje njihovo utišavanje. Naravno, kod nastanka kancera, ne treba zanemariti ni genetičke promene kao dodatne faktore podložnosti, kao ni uticaje sredine, koji se kombinuju međusobno i sa epigenetičkim promenama. Takođe, potrebno je imati u vidu da su epigenetička istraživanja omogućila i razvoj lekova koji deluju upravo na epigenetičke mehanizme, što će svakako nastaviti da se dešava, ukoliko se i takva istraživanja nastave. Iako se čini da su primeri epigenetičkog delovanja više u negativnom delu spektra, ne treba prevideti činjenicu da i pozitivni uticaji iz sredine (npr. redovna fizička aktivnost ili umerena i balansirana ishrana) mogu epigenetičkim putem, npr. aktivacijom tumor-supresorskih gena, dovesti do očuvanja i unapređenja zdravlja. Zapravo, moglo bi se reći da su ovakvi pozitivni stimulusi sredine veoma važni za održanje redovnog i zdravog stanja organizma, između ostalog preko epigenetičkih promena.
Kada su u pitanju epigenetička istraživanja u humanim populacijama, ne smemo zaboraviti značaj jednojajčanih (monozigotnih) blizanaca. Usled činjenice da ovaj tip blizanaca podrazumeva osobe koje dele kompletan genetički materijal u kontekstu sekvence nukleotida (pa i genetičkih promena), smatra se da razlike u njihovim osobinama (koje sasvim sigurno postoje) jesu posledica različitih sredinskih uslova kojima su izloženi. Kao što je pomenuto, mnogi sredinski faktori mogu delovati na čoveka upravo preko epigenetičkih mehanizama, a svakako da postoji potreba da se znanje o tom uticaju poveća. Trenutno je na globalnom nivou aktuelan veliki broj istraživanja koja se tiču epigenetičkih promena, od kojih takođe veliki broj podrazumeva ispitivanje blizanaca, tako da u bliskoj budućnosti, uz prateći razvoj tehnologije, možemo očekivati još dužu listu edukativnih primera uticaja epigenetičkih promena na naš život i zdravlje. Projekat GENIUS je upravo usmeren na ovakva istraživanja.
Za kraj, vratimo se na trenutak na pitanje u kom smislu je epigenetika „iznad“ genetike. Bez prethodnog razmatranja može se doći do zaključka da reč ispred implicira da ove dve grane iste oblasti ne idu zajedno i da je jedna nekako važnija od druge. Istina je u ovom slučaju na skroz drugoj strani. Ukoliko se fokusiramo samo na nasleđivanje svojstava kod ljudi, možemo reći da mnoge osobine zavise od mnogo gena čiji se efekat kombinuje, kao i da mnoge osobine zavise, pored gena, i od uticaja spoljašnje sredine. Čak i ako razmatramo osobine zavisne od samo jednog gena, nikako ne smemo iskljulčiti značaj epigenetičkih promena. Dakle, jedna grana bez druge ne može dati kompletan produkt. Genetičke promene ne isključuju epigenetičke promene i obrnuto; komplementarnost je ključna kada razmatramo pojmove genetike i epigenetika. U svakom slučaju, koliko god godina da je prošlo od začetka genetike, pa i epigenetike, ovo su i dalje oblasti koje obeležava vrtoglavi razvoj i možemo samo da sa nestrpljenjem iščekujemo nova saznanja i nove odgovore vezane za nasleđivanje. Pitate se gde su scenarista i reditelj iz naslova? Sve vreme su tu. Hajde da za kraj nađemo način kako vrlo lako i brzo zapamtiti jedan kompleksan pojam, kao što je to epigenetika. Zamislimo organizam sa svim svojim osobinama („dobrim i lošim“) kao jedan film. Za početak, bili bi nam potrebni producenti. Producenti su ćelijske organele na čelu sa jedrom. Dalje, hromatin bi bio scenografija, određeni proteini bi bili kostimi, a sami geni bili bi glumci. Na kraju, kao srž samog filma treba nam scenario, tj. genetički materijal sa svojim genetičkim promenama („promenama u slovima“), a na vrhu jedne ovako sofisticirane organizacije nalazi se režija, tj. epigenetika koja ovom našem filmu daje završnu formu i čini ga jedinstvenim.
Aleksandra Milutinović, master biolog – molekularni biolog
asistent na Medicinskom fakultetu u Novom Sadu