Bardzo długo byliśmy uczeni, że zapis w podwójnej helisie przesądza o naszym biologicznym losie. Wygląd, zdolności, charakter oraz predyspozycje chorobowe – wszystko to miałoby być zdeterminowane zestawem genów, jaki przypadł nam w udziale. Tę nieco smutną ze względu na swój determinizm wizję od jakiegoś już czasu podważa epigenetyka i jej odkrycia. Ta stosunkowo młoda dziedzina nauki informuje nas o tym, że poza genomem mamy w komórkach epigenom stanowiący nadbudowę nad kodem genetycznym. Właśnie on sprawia, że geny mogą być aktywowane lub dezaktywowane w odpowiedzi na sygnały ze środowiska. W praktyce oznacza to, że każdy człowiek czynnie uczestniczy w tworzeniu swojego życia – wszelkie sygnały docierające ze środowiska, a dokładniej nasza ich percepcja i interpretacja decydują o tym, czy pewne geny się uaktywnią, czy nie. Poprzez dokonywane przez nas wybory, czy to w sferze diety, nawyków, nastawienia psychicznego czy też decyzji odnośnie tego, jakimi metodami zdecydujemy się leczyć nasze dolegliwości, aktywnie kształtujemy siebie i swoje zdrowie. Co więcej, ponieważ nasze doświadczenia zapisane w formie informacji epigenetycznych mogą być przekazane kolejnym pokoleniom, wpływamy nie tylko na nasz własny los, ale również na życie naszych dzieci i wnuków.
Czym jest epigenetyka?
Epigenetyka jest to dziedzina nauki zajmująca się badaniem cech dziedzicznych wprowadzonych do sekwencji DNA za pomocą modyfikacji biochemicznych. Grecki przedrostek –epi oznacza „ponad”, „w dodatku do” i wskazuje, że epigenetyka zajmuje się badaniem wykraczających poza DNA zmian, które warunkują zmienność ekspresji poszczególnych genów. Chociaż przyszliśmy na świat z zestawem genów odziedziczonych po rodzicach nie oznacza to, że zawarta w nich informacja musi zostać aktywowana. O wszystkim przesądza dopiero ekspresja genów. Podobnie jak w przypadku komórek naszego organizmu, które na poziomie genetycznym są identyczne – każda zawiera tę samą kopię DNA. Jak to się zatem dzieje, że te komórki (a jest ich ponad 200 rodzajów) różnią się od siebie i pełnią odpowiednie funkcje? To właśnie mechanizmy epigenetyczne warunkują tę specjalizację, najpierw na poziomie komórek, a dalej tkanek i narządów. Właśnie dlatego komórka skóry rożni się od komórki mózgowej. Obie mają to samo DNA, ale ekspresja genów jest odmienna, co zapewnia im różnorodność. Wiele spośród tych zmian aktywności genów, choć nie obejmują one zmian w kodzie genetycznym, jest przekazywana następnym pokoleniom.
Modyfikacje ekspresji genów, czyli metylacja i modyfikacje histonów
Metylacja i modyfikacja histonów są to dwa główne mechanizmy zmiany ekspresji genów. Zgodnie z powszechnym przekonaniem metylacja jest najtrwalszą z modyfikacji epigenetycznych. Jej głównym celem (choć nie zawsze) jest transkrypcyjne wyciszanie genów. Polega na przyłączaniu grupy metylowej do nukleotydów. Im intensywniejsza metylacja, tym mniejsza ekspresja genu, im niższa, tym większa aktywność danego genu.
Jeśli chodzi o modyfikacje histonów to zmieniają one dostępność nici DNA dla czynników transkrypcyjnych. Histony to białka na które nawinięte są nici DNA (bez nich łańcuchy DNA byłyby zbyt długie, by zmieścić się w komórce). Jeśli DNA jest nawinięte na histony ciasno, staje się niedostępne dla przeprowadzenia replikacji lub transkrypcji. Modyfikacje, które „rozluźniają” DNA nawinięte na histony, udostępniają je dla odpowiednich czynników transkrypcyjnych.
Przekazywanie zmian epigenetycznych z pokolenia na pokolenie
Naukowcy wciąż badają fenomen przekazywania zmian epigenetycznych. Większość zmian epigenetycznych wydaje się być wymazywana w momencie, kiedy tworzy się zapłodniona komórka jajowa. Proces ten zwany jest „reprogramowaniem” (ang. reprogramming). Ten reset zapewnia płodowi niejako „czystą kartę” i możliwość wprowadzania własnych zmian epigenetycznych. Jednak coraz częściej podkreśla się, że niektóre ze zmian epigenetycznych zapisanych w materiale przekazanym od rodziców wymykają się procesowi reprogramowania i zostają przekazane potomstwu. Co ciekawe, owo dziedziczenie pozagenowe miałoby dotyczyć nie tylko typowo somatycznych dolegliwości, ale również dotykać sfery psychicznej – traumy przeżyte przez naszych przodków miałyby wyciskać piętno na późniejszych pokoleniach w postaci, na przykład, zmienionej gospodarki neurohormonalnej.
Wpływy środowiskowe a epigenetyka
Potencjalnie każdy odbierany ze środowiska bodziec może wywołać określone modyfikacje epigenetyczne. Niektóre z tych czynników zewnętrznych zostały dokładniej przebadane. Na przykład:
Wszystko, co spożywamy, zostaje rozłożone na substancje dostępne dla organizmu na drodze różnorakich procesów metabolicznych. Jeden z takich procesów jest odpowiedzialny za tworzenie grup metylowych, które – o czym nadmienialiśmy – prowadzą do wyciszenia niektórych genów. Kluczowymi substancjami w tym procesie są witaminy z grupy B, kwas foliowy oraz SAM-e. Diety obfitujące w te składniki mogą dość szybko zmienić ekspresję genów, zwłaszcza w początkowych fazach rozwoju (czyli w trakcie życia płodowego oraz wczesnego dzieciństwa). I właśnie dlatego dieta kobiety ciężarnej jest tak ważna – może ona wpłynąć na epigenom dziecka determinując jego profil metaboliczny jako osoby dorosłej. W przypadku dorosłych dieta uboga w grupy metylowe wpływa hamująco na metylację DNA, jednak tutaj zmiany są odwracalne – optymalna dieta szybko je koryguje.Wpływ diety na ekspresję genów obrazuje doświadczenie na myszach przeprowadzone przez badaczy z Duke University. W eksperymencie wykorzystano myszy o wysokiej ekspresji genu agouti odpowiadającego za żółte zabarwienie futra, cukrzycę oraz tendencje do otyłości. Jedną grupę ciężarnych samic żywiono karmą bogatą w kwas foliowy i witaminę B12, druga zaś otrzymywała pożywienie ubogie w te związki. W pierwszej grupie, gdzie dzięki metylacji gen agouti został wyciszony, myszy nie chorowały na cukrzycę ani nie były otyłe, a ich ubarwienie pozostawało szare podczas gdy w drugiej pojawiło się żółte zabarwienie oraz wspomniane problemy zdrowotne. Kolejnego przykładu dostarcza analiza doktora Larsa Bygrena z Karolinska Institute w Sztokholmie przeprowadzona w latach 80-tych na mieszkańcach pewnej osady w Norrbotten. Badacz przyjrzał się wpływowi diety rodziców (obojga) na długość życia ich potomków, a dokładniej zależności pomiędzy obfitością zbiorów a zdrowiem kolejnych pokoleń mieszkańców Överkalix. Okazało się, że potomkowie mężczyzn, których dzieciństwo przypadło na lata dostatku, a ich dieta stała się obfitsza, żyli krócej (średnio o 32 lata). Wcześniejsza śmierć była w ich wypadku spowodowana cukrzycą bądź chorobą serca. W późniejszych latach podobną korelację zaobserwowano w linii żeńskiej.Skoro dostarczanie organizmowi odpowiednich składników odżywczych może w sposób znaczny wpłynąć na ekspresję genów – co obrazuję powyższe przypadki – pamiętajmy, by wybierać produkty bogate w kwas foliowy i witaminę B12 zapewniające zdrowy profil metylacji DNA i mogące cofnąć niekorzystne zmiany.
- Wpływ substancji toksycznych
Metale ciężkie (takie jak arsen, nikiel, kadm) zaburzają metylację DNA oraz acetylację histonów w związku z czym łączone są z wieloma chorobami takimi jak nowotwory, zaburzenia neurologiczne oraz choroby autoimmunologiczne.
Bisfenol A (BPA) to substancja chemiczna wykorzystywana do produkcji plastiku. Jest bardzo powszechny i znajduje się, między innymi, w butelkach dla dzieci, smoczkach, kubkach-niekapkach czy puszkach z mlekiem w proszku. Używa się go również w przemyśle spożywczym jako przeciwutleniacz oraz w tańszych kosmetykach. Niezwykle niebezpieczna jest ekspozycji na ten związek w czasie ciąży, kiedy to bezbronny organizm płodu nie jest w stanie poradzić sobie z przenikającym do niego BPA. Okazuje się, że wśród różnorakich mechanizmów odpowiedzialnych za szkodliwe działanie BPA mamy również mechanizmy epigenetyczne.
Palenie papierosów wywołuje zmiany epigenetyczne modyfikujące ekspresję genów. Między innymi może spowodować dezaktywację genów supresorowych (inaczej antyonkogenów). Właśnie dlatego palenie jest głównym czynnikiem mogącym aktywować karcynogenezę. Ciekawym odkryciem jest fakt, że nie tylko palenie papierosów przez matkę, ale również babcię, jest związane z chorobami pediatrycznymi jako rezultat zmian epigenetycznych w DNA i histonach.
- Stan psychiczny kobiety ciężarnej
Kondycja psychiczna kobiety ciężarnej okazuje się być również niezwykle ważna. W badaniach na szczurach zaobserwowano, że stres podczas końcowej fazy ciąży wpływa na epigenetykę sprawiając, że potomstwo jest bardziej narażone na choroby neurologiczne mogące pojawić się w krytycznym momencie rozwoju mózgu płodu. Ponadto przemoc domowa wywołująca u ciężarnych stres skutkuje zmianami epigenetycznymi receptora kortyzolu w DNA potomstwa obserwowanymi w wieku dojrzewania.
W okresie niemowlęctwa oraz dzieciństwa opieka matki oraz otaczające środowisko kształtują psychikę dziecka. Więź matki z dzieckiem ma duży wpływ na fizyczny oraz psychiczny dobrostan dziecka. W przypadku myszy brak opieki ze strony matki wpływa epigenetycznie na metylację DNA modyfikując ekspresję receptora glukokortykoidu. Prowadzi to do zwiększonej produkcji kortyzolu oraz nasila reakcję stresową. Ponadto małe, które doświadczyły częstego lizania i zainteresowania ze strony matki wykazują obniżoną odpowiedź stresową i niepokój w wieku dorosłym jako rezultat zmian epigenetycznych w obrębie receptorów kortyzolu.
Jej korzystny wpływ znany jest od dawna, jednak zgodnie z badaniami niektóre zmiany wywoływane aktywnością fizyczną przenoszą się z pokolenia na pokolenie jako zmiany epigenetyczne.
Czego o genach uczą nas bliźnięta
Badania przeprowadzone nad bliźniętami jednojajowymi, które mają identyczny materiał genetyczny, pokazały, że czynniki zewnętrzne mają ogromny wpływ na ich późniejsze życie. Można by się spodziewać, że takie bliźnięta będą miały podobne historie jeśli chodzi o choroby. Tymczasem okazuje się, że istnieją takie cechy osobowości oraz takie choroby, które są w większym stopniu uwarunkowane genetycznie oraz takie, które determinują czynniki środowiskowe. Dla przykładu schizofrenia występuje u 50 % bliźniąt jednojajowych i 10-15 % bliźniąt dwujajowych. W tym przypadku czynniki genetyczne wydają się dość istotne. Jednak fakt, że choroba nie dotyka obojga rodzeństwa w 100 % przypadków wskazuje na znaczenie czynników pozagenetycznych. W takich chorobach jak cukrzyca, stwardnienie rozsiane czy nowotwór piersi zapadalność obojga bliźniąt jednojajowych jest jeszcze mniejsza (ok. 20 %), co potwierdza, że geny o niczym jeszcze nie przesądzają.
Odwracalność zmian epigenetycznych naszą szansą
Zmiany epigenetyczne są ze swojej natury nietrwałe. Epigenom zmienia się o wiele szybciej niż względnie stały kod DNA. Oznacza to, że zmiana epigenetyczna wywołana czynnikami środowiskowymi może się cofnąć w momencie, gdy wpływ owych czynników ustąpi.
Dziedziczenie epigenetyczne stanowi ciekawy mechanizm w ewolucji. Genom zmienia się powolnie poprzez procesy przypadkowej mutacji i selekcji naturalnej. Potrzeba wielu pokoleń, aby jakaś genetyczna cecha stała się powszechna w danej populacji. Epigenom tymczasem może zmieniać się gwałtownie w odpowiedzi na sygnały ze środowiska. Ponadto zmiany te mogą się pojawić u wielu osobników zarazem. Niektóre z doświadczeń rodziców mogą zostać też przekazane kolejnym pokoleniom. Jednocześnie epigenom pozostaje podatny na modyfikacje w miarę transformacji zachodzących w środowisku. Dziedziczenie epigenetyczne pozwala organizmom nieustannie przystosowywać ekspresję genów aby dostosować się do środowiska nie zmieniając ich kodu DNA.
Warto też wspomnieć o tym, że aby sprowokować zmiany w metylacji genów wcale nie trzeba być wystawionym na działanie jakiegoś czynnika przez długi czas. Wystarczy już jedno doświadczenie. Dowodzą tego badania nad ofiarami zamachu na WTC.
Epigenetyka a trauma
Wśród tysięcy osób, które stały się bezpośrednimi ofiarami zamachu na WTC, było około 1700 ciężarnych kobiet. Dr psychiatrii Rachel Yehuda z Bronx Veterans Affairs Medical Center odpowiedzialna za projekt Traumatic Stress Studies, wykładowczyni z Mount Sinai School of Medicine specjalizująca się w zespole stresu pourazowego (ang. Post Traumatic Stress Disorder, PSTD) postanowiła przyjrzeć się efektom tej traumy na ciężarne kobiety oraz ich potomstwo. W 1993 r. dr Yehuda przeprowadziła podobne badania nad ofiarami Holocaustu i możliwością przekazywania podatności na PTSD kolejnym pokoleniom. Okazało się, że na każdą osobę będącą bezpośrednią ofiarą Holocaustu zgłaszało się pięć potomków ofiar uskarżających się na te same objawy PTSD. Yehuda potwierdza, że bardzo duża część dzieci oraz wnuków osób, które były ofiarami Holocaustu, przejawiało symptomy PTSD. Opowiadały o tych samych koszmarach i atakach paniki co ich rodzice czy dziadkowie. Początkowo psychiatra podejrzewała, że takie reakcje były spowodowane przebywaniem dziecka w otoczeniu chorego rodzica, który opowiadając latami o doznanych traumach mógł w sposób negatywny kształtować psychikę potomka. Ale wraz z upływem czasu nabierała przekonania, że w grę wchodzić muszą inne czynniki, najprawdopodobniej przedurodzeniowe, których piętno jest tak silne, że odciska się również na kolejnych pokoleniach. I te domysły potwierdziły zebrane przez nią później fakty.
Wcześniejsze badania dr Yehudy pokazały, że niski poziom kortyzolu stanowi marker większej podatności na PTSD. Kortyzol jest hormonem wytwarzanym w reakcji na stres, a jednym z jego zadań jest zatrzymywanie reakcji stresowej wraz z ustaniem czynnika wyzwalającego. U ludzi z niższym poziomem tego hormonu ustąpienie bodźca nie wyłącza reakcji stresowej. Co ciekawe, również potomstwo rodziców z niskim poziomem kortyzolu ma ten sam deficyt. Aby dowiedzieć się, co jest odpowiedzialne za taki mechanizm dr Yehuda poddała badaniu 38 kobiet, które w trakcie zamachu na WTC były w ciąży. Okazało się, że kobiety, u których wystąpiło PTSD miały niski poziom kortyzolu, podobnie jak ich dzieci. Taki rezultat dotyczył dzieci kobiet, które doświadczyły katastrofy w trzecim trymestrze ciąży. Dr Yehuda wyjaśnia, że „ten wyjątkowo silny efekt przekazywania tendencji do PTSD obserwowany po wybuchu u kobiet w trzecim trymestrze ciąży każe brać pod uwagę raczej czynniki przedurodzeniowe, a nie genetyczne”. Dr Yehuda zaznaczyła również, że analiza ofiar Holocaustu z PTSD pokazała, że wpływ na rozwinięcie się u dzieci PTSD miały doświadczenia Holocaustu u matki, nie ojca, sugerując, że „tradycyjne mechanizmy genetyczne nie są jedynymi metodami przekazywania”. Pamiętajmy zatem, że nasza reakcja na trudne doświadczenia może pozostawić ślady nie tylko na naszym zdrowiu, ale również na zdrowiu naszych dzieci.
Z punktu widzenia ewolucji takie międzypokoleniowe zmiany mogą być ważne dla przetrwania. „Mogą przygotować kolejne pokolenia na podobne warunki ponieważ, dla przykładu, oś zawiadująca hormonami stresu jest już dostosowana do określonych i niekorzystnych warunków środowiskowych – wyjaśnia dr Torsten Klegel, psychiatra i badacz z McLean Hospital. – Ale jeśli przyjdzie nam żyć w innych warunkach, a hormonalna reakcja na stres pozostanie nieadekwatna, może to doprowadzić do dysregulacji osi HPA i wywołać dysfunkcje psychiczne”, takie jak niepokój czy depresja.
Korzyści z traumy?
Warto zdać sobie sprawę, że efekty traumy doświadczonej przez członków naszej rodziny wcale nie muszą pozostać negatywne. „Jesteś po prostu bardziej wrażliwy, nie przegrany”, podkreśla dr Yehuda. Jeśli któreś z naszych rodziców doświadczyło traumy to prawda, że w pewnych aspektach życia najprawdopodobniej będziemy bardziej podatni na zranienia, ale w innych dzięki temu możemy okazać się bardziej twórczy. Wraz z dziedziczeniem efektów traumy przejmujemy również pewną wrażliwość pozwalającą nam wyczuć oznaki zbliżającego się niebezpieczeństwa i sprawić, że będziemy mieli szansę zareagować w przemyślany i korzystny dla nas sposób. Domena biologii jest sferą niezwykle dynamiczną dlatego nie powinniśmy ulegać wierze, że traumy naszych rodziców – podobnie jak bardziej namacalne zmiany epigenetyczne – odciskają na nas piętno nieodwracalne. Możemy przetransformować negatywne doświadczenia ponieważ nasza biologia nam to umożliwia. Już sama świadomość trudnych doświadczeń, jakie dotknęły naszych przodków, zamiast ograniczać nasze pole manewru powinna raczej skierować nas na drogę samorozwoju i kreatywnego wykorzystywania pozornych ograniczeń. Pamiętajmy, że na nic tak naprawdę nie jesteśmy skazani poza więzieniem naszych przekonań. Które na szczęście można zmienić.
Nowa biologia
Warto wspomnieć jeszcze o nieco – dla niektórych – skrajnym nurcie epigentetyki, za której ojca możemy uznać dr Bruce’a Liptona. Ten biolog z wykształcenia w latach 60-tych prowadził badania nad klonowaniem komórek macierzystych. Przeprowadzając eksperymenty zaobserwował, że rozwój identycznych komórek macierzystych o tym samym genomie jest kontrolowany przez środowisko – to, czy dane komórki staną się komórkami mięśniowymi czy tłuszczowymi zależało od pożywki wykorzystanej w hodowli. To przełomowe (zwłaszcza jak na owe czasy) odkrycie nie pozostawiło Liptonowi wyboru i kazało mu porzucić mury uniwersyteckie (wykładał klasyczną teorię, że to geny kontrolują biologię) by stworzyć alternatywny nurt określany mianem „biologii przekonań”. W swoich publikacjach ten amerykański „heretyk” (koledzy po fachu już od samego początku określali Liptona tym mianem ponieważ jego poglądy kolidowały z powszechnie akceptowanym dogmatem) podkreśla, że geny jedynie odpowiadają na nasze spostrzeżenia odbierane ze środowiska przez błonę komórkową. Taka perspektywa zrywa z mechanistycznym postrzeganiem ciała jako urządzenia podkreślając wielowymiarowość istoty ludzkiej – jej psychiczny i duchowy aspekt. I to właśnie umysł i duch miałyby przesądzać o naszym materialnym wymiarze. Lipton podkreśla bowiem, że sygnały płynące ze środowiska są za każdym razem aktywnie przez nas interpretowane. I to właśnie dlatego kontrolującym nas „środowiskiem” są nasze myśli i przekonania, a nie same, obiektywne zdarzenia wydarzające się w świecie zewnętrznym. Zatem jeśli w naszym życiu dzieje się coś niepożądanego to uwagę powinniśmy skierować nie tyle (albo chociaż nie tylko) na zewnątrz, co do naszego wnętrza, w nim szukając przyczyny, ale również odpowiedzi.
Z radykalną wizją Liptona nie każdy pewnie się zgodzi, ale jedno jest pewne – optymizm i twórcze podejście do życia raczej nam nie zaszkodzą. A skoro jest szansa, że mogą nam pomóc, to może warto wyjść jej naprzeciw…
Bibliografia:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16891597
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2891396/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4020004/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26237076
http://learn.genetics.utah.edu
http://www.tabletmag.com/jewish-arts-and-culture/books/187555/trauma-genes-q-a-rachel-yehuda
http://biotechnologia.pl/biotechnologia/artykuly/epigenetyka-w-pigulce,14881
http://discovermagazine.com/2010/oct/11-how-did-9-11-affect-pregnant-mothers-children/
Lipton B., „Biologia przekonań”, BMG Publishnig, 2010
Grupa badaczy z University of Michigan Medical School’s Kresge Hearing Research Institute skutecznie przywróciła słuch u myszy cierpiących na jego utratę spowodowaną hałasem stosując bardzo ważne dla rozwoju układu nerwowego białko neutrofinę 3 (NT3). Okazało się, że to białko pełni niezwykle istotną rolę w utrzymywaniu komunikacji pomiędzy uszami a mózgiem. NT3 jest kluczowe dla ustanowienia bardzo szybkiego połączenia pomiędzy komórkami włoskowatymi ucha a komórkami nerwowymi – połączenie nazwane przez naukowców synapsą wstążkową (ang. ribbon synapse). Synapsy te mogą ulec uszkodzeniu w wyniku ekspozycji na hałas lub jako rezultat procesu starzenia. Naukowcy zidentyfikowali komórki ucha wewnętrznego odpowiedzialne za produkcję NT3 i stosując odpowiednią metodę rekombinacji genów zwiększyli produkcję tego białka. Okazało się, że po zaledwie dwóch tygodniach myszy, u których produkcja NT3 została zwiększona, odzyskały słuch.
