Το επιγένωμα

Το επιγένωμα

Δρ. Ελευθέριος Γεωργακόπουλος

Η επιγενωμική είναι ένα πεδίο στο οποίο οι ερευνητές χαρτογραφούν τις θέσεις και κατανοούν τις λειτουργίες όλων των χημικών αποτυπωμάτων που σηματοδοτούν το γονιδίωμα.

Το επιγένωμα είναι ένα πλήθος χημικών ενώσεων που μπορούν να πουν στο γονιδίωμα τι να κάνει. Το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι η πλήρης συναρμολόγηση του DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ)-περίπου 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων – που κάνει κάθε άτομο μοναδικό.

Το DNA κρατά όλες τις οδηγίες για την κατασκευή των πρωτεϊνών που εκτελούν μια ποικιλία λειτουργιών σε ένα κύτταρο.

Το επιγένωμα αποτελείται από χημικές ενώσεις και πρωτεΐνες που μπορούν να προσκολληθούν στο DNA και να κατευθύνουν ενέργειες όπως η ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση γονιδίων, ο έλεγχος της παραγωγής πρωτεϊνών σε συγκεκριμένα κύτταρα.

 Όταν οι επιγενωμικές ενώσεις προσκολλώνται στο DNA και τροποποιούν τη λειτουργία του, λέγεται ότι έχουν “επισημάνει” το γονιδίωμα. Αυτά τα σημάδια δεν αλλάζουν την αλληλουχία του DNA. Αντίθετα, αλλάζουν τον τρόπο που τα κύτταρα χρησιμοποιούν τις οδηγίες του DNA. Τα σημάδια αυτά μερικές φορές μεταβιβάζονται από κύτταρο σε κύτταρο καθώς αυτά διαιρούνται. Μπορούν επίσης να μεταβιβαστούν από τη μια γενιά στην άλλη.

Τι κάνει το επιγένωμα

Ένας άνθρωπος έχει τρισεκατομμύρια κύτταρα, ειδικευμένα για διαφορετικές λειτουργίες στους μυς, τα οστά και τον εγκέφαλο, και κάθε ένα από αυτά τα κύτταρα φέρει ουσιαστικά το ίδιο γονιδίωμα στον πυρήνα του. Οι διαφορές μεταξύ των κυττάρων καθορίζονται από το πώς και πότε τα διαφορετικά σύνολα γονιδίων ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται σε διάφορα είδη κυττάρων.

Τα εξειδικευμένα κύτταρα στο μάτι ενεργοποιούν γονίδια που κάνουν πρωτεΐνες που μπορούν να ανιχνεύσουν το φως, ενώ εξειδικευμένα κύτταρα στα ερυθρά αιμοσφαίρια παράγουν πρωτεΐνες που μεταφέρουν οξυγόνο από τον αέρα στο υπόλοιπο σώμα. Το επιγενώμα ελέγχει πολλές από αυτές τις αλλαγές στο γονιδίωμα.

Το επιγένωμα είναι το σύνολο των χημικών τροποποιήσεων στο DNA και τις πρωτεΐνες που σχετίζονται με το DNA στο κύτταρο, οι οποίες μεταβάλλουν την έκφραση των γονιδίων και είναι κληρονομικές (μέσω μειώσεως και μίτωσης).

Οι τροποποιήσεις συμβαίνουν ως φυσική διαδικασία ανάπτυξης και διαφοροποίησης των ιστών και μπορούν να μεταβληθούν ως απάντηση σε περιβαλλοντικές εκθέσεις ή ασθένειες.

Ποιες είναι σε μοριακό επίπεδο οι επιγενετικές τροποποιήσεις

1) Η μεθυλίωση DNA (η οποία συνήθως οδηγεί σε υπο-έκφραση ενός γονιδίου) ή απομεθυλίωση (με επακόλουθη υπερέκφραση ενός γονιδίου).

2) Οι τροποποιήσεις των ιστόνων (πρωτεΐνες που σχετίζονται με το DNA που ρυθμίζουν τη διαμόρφωση της χρωματίνης και την προσβασιμότητα σε παράγοντες μεταγραφής) ·

3) Η βιοσύνθεση μη-κωδικοποιητικών RNAs, ιδίως μικρο-RNAs που παρεμβαίνουν στη μετάφραση των RNA-αγγελιοφόρων (miRNAs, ncRNAS, lcRNAs, iRNAs κ.α.).

4) Η απλούστερη μορφή παραλλαγής DNA μεταξύ των ατόμων είναι η αντικατάσταση ενός μόνο νουκλεοτιδίου από ένα άλλο. Αυτός ο τύπος αλλαγής ονομάζεται ”μονονουκλεοτιδικός πολυμορφισμός” (SNP) και διαπιστώνεται ότι είναι πιο κοινός από άλλους τύπους πολυμορφισμών.

Ο πρώτος τύπος σήματος, που ονομάζεται μεθυλίωση DNA, επηρεάζει άμεσα το DNA σε ένα γονιδίωμα. Σε αυτή τη διαδικασία, οι πρωτεΐνες συνδέουν χημικές ετικέτες που ονομάζονται μεθυλικές ομάδες στις βάσεις του μορίου του DNA σε συγκεκριμένα μέρη. Οι μεθυλικές ομάδες ανάβουν ή απενεργοποιούν τα γονίδια επηρεάζοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του DNA και άλλων πρωτεϊνών.

Με αυτόν τον τρόπο, τα κύτταρα μπορούν να θυμηθούν ποια γονίδια είναι on ή off. Το δεύτερο είδος σήματος, που ονομάζεται τροποποίηση της ιστόνης, επηρεάζει έμμεσα το DNA. Το DNA στα κύτταρα τυλίγεται γύρω από τις πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες, οι οποίες σχηματίζουν δομές που μοιάζουν με καρούλια που επιτρέπουν στα πολύ μακρά μόρια του DNA να καταλήγουν τακτοποιημένα σε χρωμοσώματα μέσα στον πυρήνα των κυττάρων.

Οι πρωτεΐνες μπορούν να συνδέσουν μια ποικιλία χημικών ετικετών στις ιστόνες. Άλλες πρωτεΐνες στα κύτταρα μπορούν να ανιχνεύσουν αυτές τις ετικέτες και να καθορίσουν αν αυτή η περιοχή του DNA πρέπει να χρησιμοποιηθεί ή να αγνοηθεί σε αυτό το κύτταρο.

Κληρονομείται το επιγένωμα;

Το γονιδίωμα περνά από τους γονείς στους απογόνους τους και από τα κύτταρα, όταν διαιρούνται, στην επόμενη γενιά τους. Μεγάλο μέρος του επιγονιδώματος επαναρυθμίζεται όταν οι γονείς περνούν τα γονιδιώματά τους στους απογόνους τους.

Ωστόσο, υπό ορισμένες συνθήκες, ορισμένες από τις χημικές ετικέτες στο DNA και στις ιστόνες των ωαρίων και του σπέρματος μπορεί να μετακυλιστούν στην επόμενη γενιά.

Όταν τα κύτταρα διαιρούνται, συχνά μεγάλο μέρος του επιγονιδιώματος μεταβιβάζεται στην επόμενη γενιά κυττάρων, βοηθώντας τα κύτταρα να παραμείνουν εξειδικευμένα.

Τι είναι η αποτύπωση;

Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει δύο αντίγραφα κάθε γονιδίου -ενός αντιγράφου που κληρονομείται από τη μητέρα και ένα από τον πατέρα. Για ένα μικρό αριθμό γονιδίων, μόνο το αντίγραφο από τη μητέρα ενεργοποιείται. Για άλλους, μόνο το αντίγραφο από τον πατέρα είναι ενεργοποιημένο. Αυτό το μοτίβο ονομάζεται αποτύπωση.

Το επιγενώμα διακρίνει μεταξύ των δύο αντιγράφων των αποτυπωμένων γονιδίων και καθορίζει ποια είναι ενεργοποιημένη. Ορισμένες ασθένειες προκαλούνται από μη φυσιολογική αποτύπωση. Περιλαμβάνουν το σύνδρομο Beckwith-Wiedemann, μια διαταραχή που σχετίζεται με την υπερανάπτυξη του σώματος και τον αυξημένο κίνδυνο καρκίνου. Σύνδρομο Prader-Willi, που σχετίζεται με τον κακό μυϊκό τόνο και τη συνεχή πείνα, οδηγώντας σε παχυσαρκία. Το σύνδρομο Angelman, το οποίο οδηγεί σε διανοητική αναπηρία, καθώς και δυσκολίες κίνησης.

Μπορεί να αλλάξει το επιγένωμα;

Αν και όλα τα κύτταρα στο σώμα περιέχουν ουσιαστικά το ίδιο γονιδίωμα, το DNA που χαρακτηρίζεται από χημικές αποτυπώματα – ετικέτες στο DNA και τους ιστούς αναδιατάσσετε όταν τα κύτταρα γίνονται εξειδικευμένα. Το επιγενώμα μπορεί επίσης να αλλάξει καθ ‘όλη τη διάρκεια της ζωής ενός ατόμου.

Τι προκαλεί την αλλαγή του επιγενώματος;

Ο τρόπος ζωής και οι περιβαλλοντικοί παράγοντες (όπως το κάπνισμα, η διατροφή και οι μολυσματικές ασθένειες) μπορούν να εκθέσουν ένα άτομο σε πιέσεις που προκαλούν χημικές αντιδράσεις.

Αυτές οι απαντήσεις, με τη σειρά τους, συχνά οδηγούν σε αλλαγές στο επιγενώμα, μερικές από τις οποίες μπορεί να είναι επιβλαβείς.

Ωστόσο, η ικανότητα του επιγενώματος να προσαρμόζεται στις πιέσεις της ζωής φαίνεται να απαιτείται για τη φυσιολογική ανθρώπινη υγεία. Ορισμένες ανθρώπινες ασθένειες προκαλούνται από δυσλειτουργίες στις πρωτεΐνες που «διαβάζουν» και «γράφουν» τα επιγενωμικά σημάδια.

Πώς εξερευνούν οι ερευνητές το επιγένωμα;

Σε ένα πεδίο μελέτης γνωστό ως επιγενωμική, οι ερευνητές προσπαθούν να χαρτογραφήσουν τις θέσεις και να κατανοήσουν τις λειτουργίες όλων των χημικών ετικετών που σηματοδοτούν το γονιδίωμα.

Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι ανθρώπινες ασθένειες προκλήθηκαν κυρίως από αλλαγές στην αλληλουχία του DNA, μολυσματικούς παράγοντες όπως βακτήρια και ιούς ή περιβαλλοντικούς παράγοντες.

Τώρα, ωστόσο, οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι οι αλλαγές στο επιγένωμα μπορούν επίσης να προκαλέσουν ή να προκύψουν από την ασθένεια.

 Η επιγενωμική, λοιπόν, έχει γίνει ζωτικό μέρος των προσπαθειών για την καλύτερη κατανόηση του ανθρώπινου σώματος και τη βελτίωση της ανθρώπινης υγείας. Οι επιγενωμικοί χάρτες μπορεί κάποια μέρα να επιτρέψουν στους γιατρούς να καθορίσουν την κατάσταση της υγείας ενός ατόμου και να προσαρμόσουν την ανταπόκριση ενός ασθενούς στις θεραπείες.

Στο πλαίσιο του προγράμματος ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) -το οποίο στοχεύει στην καταγραφή των τμημάτων εργασίας του γονιδιώματος- το Εθνικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Ανθρώπινου Γονιδιώματος χρηματοδοτεί ερευνητές για την κατάρτιση επιγενωμικών χαρτών διαφόρων τύπων κυττάρων.

Άλλοι ερευνητές που υποστηρίζονται από το NIH (USA) έχουν αναπτύξει μια σειρά επιγενωμικών χαρτών από διάφορα ανθρώπινα όργανα και ιστούς. Αυτά τα έργα στο NIH αποτελούν μέρος μιας διεθνούς προσπάθειας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η επιγενωμική θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη πρόληψη, διάγνωση και θεραπεία ασθενειών.

Βιβλιογραφία

1. Bernstein, Bradley E.; Meissner, Alexander; Lander,Eric S. (February 2007). “The Mammalian Epigenome”. Cell. 128 (4): 669–681. doi:10.1016/j.cell.2007.01.033.
2. “Human Epigenome Project”. Archived from the original on 2011-07-16. Retrieved 2011-06-29.
3. Milosavljevic, Aleksandar (June 2011). “Emerging patterns of epigenomic variation”. Trends in Genetics. 27 (6): 242–250. doi:10.1016/j.tig.2011.03.001. PMC 3104125.
4. Aguilar, Carlos; Craighead, Harold (October 4, 2013). “Micro- and nanoscale devices for the investigation of epigenetics and chromatin dynamics”. Nature Nanotechnology. 8 (10): 709–718. Bibcode:2013NatNa…8..709A. doi:10.1038/nnano.2013.195.
5. “Time for the epigenome”. Nature. 463 (7281): 587. Feb 2010. Bibcode:2010Natur.463Q.587.. doi:10.1038/463587a.
6. Abbott, A (2010). “Project set to map marks on genome”. Nature. 463 (7281): 596–597. doi:10.1038/463596b.
7. Bae, JB (2013). “Perspectives of international human epigenome consortium”. Genomics Inform. 11 (1): 7–14. doi:10.5808/GI.2013.11.1.7.
8. “BioNews – Human Epigenome project launched”.
9. “France: Human epigenome consortium takes first steps” Archived 2015-07-08 at the Wayback Machine. 5 March 2010.
10. Eurice GmbH. “About IHEC”.
11. Kanai, Yae; Arai, Eri (2014). “Multilayer-omics analyses of human cancers: Exploration of biomarkers and drug targets based on the activities of the International Human Epigenome Consortium”. Frontiers in Genetics. 5: 24. doi:10.3389/fgene.2014.00024.
12. Zhu, J.; et al. (2013). “Genome-wide chromatin state transitions associated with developmental and environmental cues”. Cell. 152 (3): 642–654. doi:10.1016/j.cell.2012.12.033.
13. Harris, R Alan; Wang, Ting; Coarfa, Cristian; Nagarajan, Raman P; Hong, Chibo; Downey, Sara L; et al. (September 19, 2010). “Comparison of sequencing-based methods to profile DNA methylation and identification of monoallelic epigenetic modifications”. Nature Biotechnology. 28 (10): 1097–1105. doi:10.1038/nbt.1682.
14. National Human Genome Research Institute, USA, August 16, 2020 www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Epigenomics-Fact-Sheet