Epigenetyka – nauka zajmująca się badaniem zmian ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Ekspresja ta może być modyfikowana przez czynniki zewnętrzne i podlegać dziedziczeniu.

Wyraz epigenetyka składa się ze słów epi – poza czymś, w dodatku do, oraz genetyka. Wymyślenie tego terminu przypisuje się Conradowi H. Waddingtonowi, który w swojej pracy z 1939 użył terminu „epigenetyczny” tłumacząc, dlaczego komórki embrionalne różnicują się w zupełnie odmienne tkanki, mimo że posiadają identyczny materiał genetyczny.

Epigenetyka a genetyka Choć wszystkie komórki organizmu wielokomórkowego zawierają praktycznie identyczną informację genetyczną, identyczny genotyp, to jednak komórki różnych tkanek znacznie się różnią, wykazują odmienny fenotyp. Ta różnorodność wynika z różnego wykorzystania tej samej informacji genetycznej, dzięki czemu w przypadku organizmu człowieka powstaje około 200 różnych typów komórek. To właśnie mechanizmy epigenetyczne umożliwiają powstanie stałych wzorców ekspresji genów dla danej zróżnicowanej komórki, a jednocześnie umożliwiają krótkotrwałe, odwracalne zmiany w ich ekspresji. Dzięki nim inicjowane są i utrzymywane procesy związane z różnicowaniem komórek.

U ssaków ważne procesy reprogramowania epigenetycznego zachodzą na etapie gametogenezy oraz przed implantacją zarodka. W rozwoju osobniczym następują rozmaite zmiany w ekspresji genów w wyniku przeprogramowań epigenetycznych, które wpływają na fenotyp. Gromadzone są one przez całe życie i wraz z uszkodzeniami komórkowymi oraz zmniejszoną zdolnością do ich naprawy są jednym ze zjawisk kojarzonych ze starzeniem się.

Konsekwencje różnic epigenetycznych Epigenomem określa się zestaw modyfikacji DNA i białek histonowych, które regulują strukturę chromatyny, a przez to kontrolują ekspresję genów, replikację i naprawę DNA oraz inne funkcje komórkowe. Epigenom może sterować potencjałem genomu, określać, które geny będą aktywne, programować funkcje komórek, rozwój. Różnice epigenetyczne mogą tłumaczyć różnice między fenotypami bliźniąt jednojajowych mimo takiego samego genomu. Rozbieżności te są większe, jeśli bliźnięta były wychowywane w różnych środowiskach. Co więcej, epigenetyka pogłębia również różnice między zupełnie odmiennymi gatunkami mimo dużych podobieństw w genomie. Przykładowo prawie każdy gen człowieka ma swój odpowiednik w genomie myszy (tzn. nie pojawiły się nowe geny od czasu wspólnego przodka 50 milionów lat temu).

Narzędziami epigenomu są tzw. przełączniki (mechanizmy) epigenetyczne. Działanie mechanizmów epigenetycznych jest bardziej stałe niż działanie represorów, naznaczenie może przetrwać replikację i podział komórki. Wykazują one także dużą elastyczność – przeprogramowanie komórek może potencjalnie być wywołane przez takie czynniki jak m.in. wychowanie, pożywienie, stres, traumy, klimat. Przykładowo u pszczół królowa i robotnice mogą być identyczne pod względem genetycznym, a jednak zupełnie różne pod względem morfologicznym. Aby wyhodować królową, larwa karmiona jest mleczkiem pszczelim przez cały okres stadium larwalnego oraz dalej w okresie dorosłym, podczas gdy larwy robotnic tylko w początkowym okresie stadium larwalnego (potem odżywiane są pyłkiem i nektarem). Odmienna dieta wystarczy dla przeprogramowania epigenetycznego, które pozwala królowej na pełne wykształcenie jajników i odmienną ekspresję ponad jednej piątej genów zarejestrowaną w komórkach mózgowych w porównaniu z komórkami robotnic.

Innym przykładem są niektóre zwierzęta (np. wiele gadów jak krokodyle), u których o płci przyszłego zwierzęcia decyduje temperatura otoczenia podczas wrażliwej fazy inkubacji jaja, a mechanizmem odpowiedzialnym za to zjawisko może być epigenetyka. Również na organizmy ludzi środowisko może wpływać znacznie silniej niż się to przypuszcza. Ponadto sugeruje się, że w tworzeniu różnic w rozwoju mózgu pod wpływem hormonów płciowych u kobiet i mężczyzn, w powstawaniu różnic w zachowaniu mogą pośredniczyć mechanizmy epigenetyczne.

Ze względu na to, że niewiele wiadomo o tym, jakie czynniki mogą wywoływać przeprogramowanie epigenetyczne, ani jakie może mieć ono konsekwencje, rośnie liczba badań w tym kierunku. Niektórzy naukowcy jak Rudolf Jaenisch czy Thomas Jenuwein twierdzą nawet, że nastał czas „postgenomicznego” myślenia w biologii.

Mechanizmy epigenetyczne 350px|thumb|Mechanizmy epigenetyczne

Rozwinięty DNA jest bardzo długi i musi zostać silnie skondensowany, by zmieścić się w strukturach komórki. U eukariotów DNA jest upakowany w niewielkim jądrze komórkowym dzięki tworzeniu kompleksów z białkami histonowymi i tworzeniu chromatyny, której podstawową jednostką strukturalną jest nukleosom. Zbudowany jest on z oktameru histonów H2A, H2B, H3 i H4, na który nawinięty jest fragment helisy DNA. Między nukleosomami występuje łącznikowy DNA. Rozluźniony sznur nukleosomów jest łatwo dostępny dla aparatu transkrypcyjnego (czynników transkrypcyjnych, polimerazy RNA). Chromatyna w takim stanie nazywana jest euchromatyną. Ekspresja genów w takich warunkach jest wzmożona. Kiedy chromatyna jest ściśle upakowana, staje się ona nieaktywna transkrypcyjnie, a ekspresja genów zahamowana. Chromatynę w takim stanie nazywa się heterochromatyną. Stan heterochromatyny może utrzymywać się przez wiele generacji komórek, będąc przekazywany przy podziałach komórkowych. Na stan chromatyny wpływają zarówno modyfikacje histonów, jak i metylacja DNA.

Modyfikacje histonów Białka histonowe podlegają różnym modyfikacjom. Najlepiej zbadaną modyfikacją jest mechanizm acetylacji histonów. Acetylacja histonów polega na przyłączeniu grupy acetylowej do reszty lizyny na N-końcu histonu rdzeniowego. Końce te tworzą wystające ogony, a ich acetylacja zmniejsza powinowactwo histonów do DNA, rozluźniając strukturę chromatyny. W heterochromatynie histony są przeważnie nieacetylowane. W acetylacji biorą udział acetylotransferazy histonowe (HAT). Proces odwrotny – deacetylację katalizują deacetylazy histonów (HDAC).

Do innych modyfikacji histonów należy: metylacja reszt lizynowych i argininowych na N-końcach histonów H3 i H4; fosforylacja reszt serynowych na N-końcach histonów H2A, H2B, H3 i H4; ubikwitynacja reszt lizynowych na C-końcu histonów H2A i H2B.

Do badania modyfikacji histonów można stosować techniki immunoprecypitacji chromatyny (ChIP). Badania dotyczące różnorodności modyfikacji histonów, interakcji różnych modyfikacji doprowadziła do sformułowania hipotezy o kodzie histonowym. Zakłada ona, że wzór modyfikacji histonów określa, który region genomu w danym czasie ulega ekspresji i kieruje takimi aspektami jak regulacja genomu z cyklem komórkowym czy naprawa uszkodzonych miejsc.

Metylacja DNA Cytozyny w DNA mogą ulegać kowalencyjnej metylacji. Reakcję tę katalizują metylotransferazy DNA (DNMT). Wysoki poziom powstałej w ten sposób 5-metylocytozyny jest charakterystyczny dla nieaktywnej chromatyny. Metylację cytozyny w DNA obserwuje się u bakterii, roślin, zwierząt, w tym ssaków, ale rzadko lub wcale u drożdży, nicieni, Drosophila melanogaster. U kręgowców ok. 10% wszystkich cytozyn w genomie jest metylowanych, a u roślin do 30%. W przypadku zwierząt, metylacji ulegają jednak tylko cytozyny, które wchodzą w skład niektórych sekwencji 5’–CG–3’ określanych często jako CpG (gdzie p oznacza grupę fosforanową); w przypadku roślin są to sekwencje 5’–CNG–3’ (gdzie N oznacza dowolną zasadę azotową).

Istnieją dwie rodzaje metylacji – zachowawcza i . Metylacja zachowawcza odpowiada za metylacje nowo zsyntetyzowanej nici DNA po replikacji w miejscach komplementarnych do miejsc metylowanych w nici rodzicielskiej. Dzięki temu wzór metylacji może być dziedziczony po podziale komórki. Drugi rodzaj to metylacja , która polega na przyłączaniu grup metylowych w całkowicie nowych miejscach, przez co zmianie ulega wzór metylacji.

Metylacja związana jest z hamowaniem ekspresji genów. Geny aktywne położone są w miejscach niemetylowanych. W genomach kręgowców przed wieloma genami znajdują się tzw. wyspy CpG (w przypadku człowieka dotyczy to ok. 60–70% genów). Są to sekwencje długości ok. 1 kb o wyższej zawartości CpG w stosunku do średniej dla całego genomu. Wyspy CpG przy genach metabolizmu podstawowego, które we wszystkich komórkach ulegają ekspresji, są niemetylowane. W przypadku genów, których ekspresja charakterystyczna jest tylko dla specyficznych tkanek, wyspy CpG są niemetylowane tylko w komórkach tych specyficznych tkanek; w innych zaś są metylowane i nie ulegają ekspresji. Zatem komórki różnych organów, tkankek mają specyficzny wzór sekwencji metylowanego DNA. Jest on przekazywany komórce potomnej, dzięki czemu posiada ona informację, które geny powinny ulegać ekspresji.

Bakterie metylują swoje DNA w celu ochrony przed enzymami restrykcyjnymi stanowiącymi część systemu restrykcji i modyfikacji, który chroni komórkę przed obcym DNA.

Do badania metylacji stosować można sekwencjonowanie DNA traktowanego wodorosiarczynem czy immunoprecypitację metylowanego DNA (MeDIP).

Inne mechanizmy epigenetyczne Do mechanizmów epigenetycznych zalicza się też wyciszanie genów oparte na miRNA czy działanie prionów.

miRNA MikroRNA (miRNA) stanowią krótkie cząsteczki RNA, które pełnią rolę regulatorów ekspresji genów. miRNA łączy się z mRNA wykazującym do niego komplementarność, uniemożliwiając translację mRNA na białko (wyciszając gen). Stanowią część epigenetycznej maszynerii, jednocześnie same podlegają wpływom epigenetycznych modyfikacji podobnie jak geny kodujące białka. miRNA z jednej strony może wpływać na epigenetyczne regulatory takie jak metylotranferazy DNA, deacetylazy histonowe, białka z grupy Polycomb. Z drugiej strony około połowa genów miRNA powiązana jest w wyspami CpG. Ekspresja tych genów jest zatem zależna od metylacji DNA; ponadto wpływają na nią modyfikacje histonów.

Priony Priony stanowią infekcyjne formy białek, które są zdolne zmieniać konformację innych białek. Może nastąpić więc zmiana fenotypu bez zmiany w sekwencji DNA (będąc białkami, nie mają wcale materiału genetycznego), a jednocześnie przekazywana informacja strukturalna podlega dziedziczeniu. W tym sensie stanowią przykład dziedziczenia epigenetycznego.

Monoalleliczna ekspresja genów W komórkach diploidalnych występują dwie kopie genów – tzw. allele (inaczej może być w przypadku chromosomów płci). Jeden z alleli dziedziczy się od matki, drugi od ojca i przeważnie obie kopie ulegają ekspresji. Jednak w przypadku niewielkiej grupy genów tylko jeden allel ulega transkrypcji i translacji na białko. U ssaków do przykładów monoallelicznej ekspresji genów należy wyłączenie alleliczne, inaktywacja chromosomu X i genomowe piętnowanie rodzicielskie (imprinting). Za wyciszanie odpowiednich genów odpowiedziane są mechanizmy epigenetyczne.

Imprinting genomowy

Imprinting genomowy polega na tym, że ekspresja piętnowanego genu następuje tylko z jednego z dwóch chromosomów rodzicielskich. Są to zwykle bardzo ważne geny rozwojowe, a utrata piętna wiąże się z pewnymi chorobami jak zespół Pradera-Williego czy zespół Angelmana.

Inaktywacja chromosomu X U samic ssaków jeden z chromosomów X podczas rozwoju embrionalnego zostaje inaktywowany w celu zrównania poziomu ekspresji genów z tego chromosomu z samcami posiadającymi tylko jedną jego kopię. Taka inaktywacja zachodzi również u polisomicznych osobników, np. w zespole Klinefeltera. W wyniku epigenetycznych modyfikacji chromatyny przechodzi ona w postać heterochromatyny, a w obrazie mikroskopowym w interfazie widoczna jest ona jako ciałko Barra. Inaktywacja przenoszona jest na każdą komórkę osobno, wyłączany jest chromosom X pochodzący albo od ojca, albo od matki, co fenotypowo może manifestować się np. charakterystycznym mozaikowym umaszczeniem kotów. Geny na inaktywowanym chromosomie X nie są jednak zupełnie nieaktywne, nawet do 25% genów znajdujących się na nim może ulegać od czasu do czasu ekspresji.

Wyłączenie alleliczne