Az epigenetika alapjai

Szüleinkől egyedi kódot kaptunk a DNS-ünkben tárolt genetikai információ formájában. Azonban nagyban mi magunk döntjük el, hogy ezek közül a gének közül melyek fognak valóban megnyilvánulni. Hogyan lehetséges ez, és milyen úton történik? Ezt próbálja megmagyarázni az epigenetika nevű tudományág.

Régen azt hittük, hogy a genetika előre meghatározza a sorsunkat. Miért van akkor az, hogy az egypetéjű ikrek, akiknek ugyanaz a DNS-ük, és gyermekkorukban szinte megkülönböztethetetlenek, felnőttkorukban gyakran másképp néznek ki, más betegségek gyötrik őket, és más életkort érnek meg?

És mi van a méhekkel – mindegyikük, aki egy kaptárban él, ugyanazt a genetikai információt hordozza, mégis vannak közöttük apró, meddő munkások, akik csak néhány hetet élnek, és nagy királynők, akik több évet élnek, és több ezer petét raknak. Hogyan lehetséges ez?

A válasz abban rejlik, hogy nem minden gén a DNS-ben egyformán aktív. Néhány be van kapcsolva, így azok alapján fehérjék keletkeznek, mások ki vannak kapcsolva, ami szinte ugyanaz, mintha egyáltalán nem lennének a DNS-ben, mert azok alapján fehérjék nem keletkezhetnek. Az, hogy melyik gén kapcsolódik be és melyik kapcsolódik ki, számos tényező határozza meg, amelyek ránk hatnak a méhen belüli fejlődés során, majd egész életünkben.

A legtöbb ilyen hatás meglehetősen hétköznapi, mindennapi döntéseinkből (mit eszünk, mozogunk-e), de érzelmeinkből, a ránk ható stresszből, az általunk fogyasztott vagy belélegzett vegyi anyagokból is származik. Mindezek a hatások egy sor kémiai reakciót indítanak el, amelyek képesek be- vagy kikapcsolni az egyes géneket a DNS-ünkben.

Mi történik a sejtben?

Az emberek, állatok és növények mind sejtekből állnak. Ezek a sejtek ugyan nem egyformák, de mindegyikük tartalmaz egy magot, amelyben genetikai felszereltségük rejtőzik – ez a genetikai kód, a DNS, amely minden sejtben azonos egy testben.

A genetikai kód univerzális. Minden sejt (néhány vírus kivételével) azonos összetevőkből álló DNS-t tartalmaz: négyféle bázist (adenin, timin, citozin, guanin), cukrot (dezoxiribóz) és foszforsavmaradékot. Az egyes állat- és növényfajok sejtjei azonban a DNS-ben található bázisok sorrendjében különböznek egymástól.

A DNS bizonyos szakaszait génnek nevezzük – ez mindig az a rész, amely alapján egy fehérje képződik a szervezetben.

DNS – az élet fonala

Minden emberi sejt magjában 23 kromoszómapár található, amelyek valójában hosszú DNS-szálak, amelyek fehérjék, az úgynevezett hisztonok köré tekerednek. Az egyik 23 kromoszómából álló készletet apánktól, a másikat anyánktól örököltük. 22 pár egyformán néz ki, egy pár pedig az X és Y kromoszómák kombinációjából áll, amelyek meghatározzák nemünket: ha két X kromoszóma kapcsolódik össze, kislány születik, ha X és Y, akkor fiú.

A DNS úgynevezett kettős spirálból áll, amelyben mindig két szál kapcsolódik össze. Az, hogy ezek a szálak hogyan kapcsolódnak össze, alapvetően fontos – ez ugyanis a négyféle bázis párosításától függ. Az adeninnak az egyik szálon mindig a timin párosul a másik szálon, a citozin pedig a guaninnal. Ezt báziskomplementaritásnak nevezik. Ez garantálja, hogy amikor a szálak szétválnak (ami a sejtek osztódásakor történik), mindegyik mentén a megfelelő bázisok sorakoznak fel, és ugyanolyan szál keletkezik, mint korábban.

A gének titka

A DNS-szálakon találhatóak az egyes gének – különböző hosszúságú szakaszok, amelyek alapján a test fehérjéket termel. Két alapvető gén típus létezik:

szerkezeti – kódolják a testünk építőköveit képező fehérjéket, mint például a kollagént;

szabályozó – ezek alapján képződnek a testünkben zajló folyamatokat befolyásoló fehérjék, például az enzimek részét képező fehérjék.

És éppen ebbe a folyamatba, amelyben a gének szerint fehérjék képződnek, avatkoznak be a fent említett epigenetikai reakciók, amelyek teljesen blokkolhatják a gének átírását.

A DNS milliárdnyi bázist tartalmaz, de csak 1,5 %-a kódol fehérjéket. A szál többi részéből számunkra fontosak az úgynevezett promóterek, azaz azok a szakaszok, amelyek minden gén előtt találhatók.
Pontosan ezekhez a promóterekhez kötődnek az úgynevezett transzkripciós faktorok, amelyek elindítják a gén átírását ribonukleinsavra (RNS).

A transzkripció (átírás) a fehérje keletkezésének első lépése. A második lépés a transzláció (lefordítás).

A transzkripció során RNA keletkezik. Az RNA és a DNS közötti különbség csupán a cukortípusban (ribóz helyett dezoxiribóz) és egy bázisban van: az RNA timin helyett uracilt tartalmaz. A transzláció során az így keletkezett RNA alapján fehérje képződik.

Az RNA-nak több fajtája létezik:

mRNS (messenger) – hordozza a fehérje kialakulásához szükséges gén átírását;

tRNS (transzfer-RNS) – részt vesz a transzlációban, amelynek során az mRNS szálhoz eljuttatja azokat az aminosavakat, amelyekből a végső fehérje képződik.

rRNS (riboszómális) – a riboszómák, a sejtekben található kis fehérje-gyárak részét képezi.

Az RNS keletkezése – transzkripció

A transzkripció, vagyis a megfelelő gén promóterére történő átírás során az enzim RNA-polimeráz kapcsolódik a promóterhez, amelyet transzkripciós faktorok különböző erősségű vonzással kötnek a promóterhez. Ezután megkezdődik a DNS átírása RNS-re, amely a bázisok komplementaritása (azaz párosodása) alapján történik. Az egyetlen változás a új DNS képződésének folyamatához képest az, hogy itt az adeninnel a timin helyett egy uracil nevű bázis párosul. Így keletkezik az mRNS, tRNS, rRNS és más típusú RNS-ek.

Fehérje keletkezése – transzláció

A transzkripciót (átírás) a transzláció, vagyis a fordítás követi. Ez az a folyamat, amelynek során az mRNS-en lévő bázisok sorrendje lefordul az adott fehérjét alkotó aminosavak sorrendjévé. Ez a riboszómákban, a sejtjeinkben található kis fehérje-gyárakban történik. Ez is a komplementaritáson alapul, mert az aminosavak is az mRNS szálára a bázisok sorrendje szerint kapcsolódnak. Ezúttal azonban nem párosításról van szó, mert egy adott aminosav, amelyekből összesen 20 fajta van a testünkben, mindig egy adott három bázis kombinációjára (ún. triplett) kapcsolódik. Az így sorba rendezett aminosavak peptidkötéssel kapcsolódnak össze, és így jön létre a fehérje.

Hogyan működik az epigenetika

Mint már említettük, a fehérjék nem az összes gén alapján képződnek, hanem csak azok alapján, amelyek be vannak kapcsolva. A be- és kikapcsolás három alapvető reakcióval történik, amelyek lefolyását az epigenetika vizsgálja.

Az „epi” görögül „felett” jelent, tehát „valami a genetika felett”. A genom, azaz a DNS-ben található bázisok sorrendje mellett létezik az úgynevezett epigenom is – egy sor kémiai változás, amely meghatározza az egyes gének aktivitását. Ez elsősorban a gének metilációját, a hisztonok módosítását és a mikroRNS-sel történő szabályozást jelenti.

Ezek közül néhány változás öröklődő is, de gyakorlatilag mindegyik visszafordítható. A genommal, azaz a DNS saját szerkezetével ellentétben az epigenom instabil, és életmódunkkal befolyásolhatjuk. Ezzel például növelhetjük vagy éppen csökkenthetjük a betegségek kialakulásának esélyét.

Gének metilációja

A DNS metilációja során metilcsoport (CH3-) kapcsolódik a citozin és a guanin bázisokhoz – elsősorban azokhoz, amelyek az egyes gének promótereiben találhatók. Ha a promóter metilálódik, a gén kikapcsolódik – a transzkripciós faktorok és a megfelelő enzimek nem találják meg, és a transzkripciós folyamat nem indulhat el. A demetiláció után a gén bekapcsolódik.

Ha például a tumor szupresszor gének, amelyek feladata, hogy megvédjenek minket a daganatok kialakulásától, túlzottan metilálódnak, akkor jelentősen megnő a rák kialakulásának kockázata.

Hisztonok módosítása

A hisztonok gömb alakú fehérjék, amelyekre a DNS szálak tekerednek, hasonlóan a cérnához a tekercsen. Ahhoz, hogy a transzkripció megkezdődhessen, a megfelelő gén szakaszát először le kell tekerni a hisztonokról. A lecsévélés és az újracsévélés több reakcióval történik, amelyek közül a legfontosabb a hisztonok acetilálása és deacetilálása.

Amikor a hiszton acetileződik, a szál felszabadul belőle, és megkezdődhet a gén leolvasása. A deacetilezéssel pedig újra feltekeredés következik be.

Szabályozás mikroRNS segítségével

Egy másik epigenetikus mechanizmus, amely a két előzőtől eltérően nem a transzkripció, hanem a transzláció szintjén történik, a mikroRNS-sel történő szabályozás. Ezek rövid, egyláncú RNS-molekulák, amelyek nem kódolnak semmit, de képesek az mRNS-re kapcsolódni, és így megakadályozzák a transzlációt és a fehérje keletkezését.

Jelátviteli útvonalak

Az epigenetika által vizsgált utolsó terület az úgynevezett jelátviteli útvonalak, amelyek alapvetően befolyásolják a sejten belüli folyamatokat. Segítségükkel a sejt jeleket fogad a környezetéből, vagy információkat továbbít a sejt különböző részeinek.

Az információk úgynevezett jelátvivő molekulák, például hormonok segítségével jutnak el a sejthez. Az információ bejutásának módja ezek tulajdonságaitól függ. A sejtfal ugyanis zsíros anyagokból áll, amelyeken a zsíroban oldódó anyagok problémamentesen átjuthatnak. A vízben oldódó anyagok azonban nem jutnak be. Számukra azonban létezik egy másik hírvivő rendszer. Ennek során a jelátvivő molekula először egy specifikus helyhez, a receptorhoz kötődik, majd a sejt belsejében más anyagok, más hírvivők kezdenek kialakulni, amelyek az információt eljuttatják a sejtmagig. Ezután például megkezdődik vagy befejeződik az egyes gének átírása.

Számos betegséget éppen a jelátviteli útvonalak zavarai okoznak. Az egyes jelek ugyanis normális körülmények között időben korlátozottak. Ha például a sejt osztódási jelet kap, elkezdi a szaporodást, és ha a jel megszűnik, az osztódási folyamat is befejeződik. Ha azonban a jel nem szűnik meg, például azért, mert a megfelelő receptor megsérült, vagy mert a jelzőmolekulákat termelő sejt „megbolondul”, akkor gyors, ellenőrizhetetlen osztódás következhet be, amely a daganatos szaporodás alapjává válik.