Mindenki tudja, hogy öröklődő tulajdonságaink alapja a kromoszómáinkba csomagolt DNS, és azt is, hogy a genetikai információ nem más, mint a bázispárok sorrendje a DNS-ben. Az is ismert, hogy kromoszómáinknak vannak olyan „képességei” is, amelyekkel szabályozzák a gének működését. Vagyis, kromoszómáink nemcsak a DNS-ben kódolt genetikai információ tárházai, hanem olyan, ún. epigenetikai – a genetikai melletti – mechanizmusoknak is, amelyek szabályozzák a gének működését. Az epigenetika tárgyát a génműködést szabályozó olyan mechanizmusok alkotják, amelyek a kromoszómák révén úgy öröklődnek sejtről sejtre, generációról generációra, hogy közben nem változik a DNS genetikai információtartalma. Az epigenetikai szabályozásban két szintet különíthetünk el: azt, amely sejtről sejtre öröklődik egyazon élőlényben, valamint azt, amely generációról generációra öröklődik. A jelen áttekintés egyrészt bepillantást nyújt az epigenezis világába, másrészt azt a kérdést feszegeti, hogy befolyásolható-e az epigenetikai program, és ha igen, milyen következményei lehetnek a génműködés epigenetikai átprogramozásának.

 
Minden gén minden sejtben?

Az ember genomjában – az egyszeres kromoszómakészlet DNS-ében – mintegy 3x109 bázispár, 20–22 ezer gén van. A genetikai információt az A=T és a G≡C bázispárok sorrendje jelenti (1. ábra). Egy megtermékenyült petesejt két kromoszóma-garnitúrát hordoz: egy anyai, valamint egy apai eredetűt. Az első sejtből az egymást követő mitózisok eredményeként, miközben százbilliónyi sejt képződik, a testünket alkotó, ún. testi sejtek differenciálódnak. Vannak olyan génjeink, amelyek minden sejtünkben kifejeződnek: genetikai kódjaik alapján funkcióképes fehérjemolekulák képződnek. És vannak olyanok is, amelyek csak bizonyos sejttípus(ok)ban aktívak. Például az ún. opszin gének csak a retina fényérzékelő sejtjeiben, a csapokban és a pálcikákban fejeződnek ki. Vajon miért csak ott? Talán elvesztek pl. a májsejtekből a sejtek differenciálódása során? Vagy léteznek olyan mechanizmusok, amelyek az opszin géneket a fényérzékelő sejtjeinkben folyamatosan bekapcsolva tartják, a többiben pedig örökre becsukják? Ha vannak ilyen mechanizmusok, miként működnek? 

A kromoszómák, vagy kromoszómarészek vesztése a testi sejtek differenciálódása során jól ismert jelenség az alacsonyabb rendű élőlények világában. Az ún. kromatin diminúció során egész kromoszómák, vagy csak kromoszómarészek előbb tömör kromatin-gombolyagokká válnak, amelyek aztán elvesznek a sejtosztódások, a sejtdifferenciáció folyamán, és hiányoznak azokból a sejttípusokból, amelyekben nincs szükség az elveszett gének funkciójára. A kromatin diminúció megszokott esemény pl. a papucsállatka, a lóbélgiliszta, sok levéltetű és evezőslábú rákfaj, a sötétszárnyú gombalégy, vagy a folyami ingola testi sejtjeiben. Ám sohasem történik meg az ősivarsejtekben, amelyekből a faj fennmaradásához szükséges ivarsejtek képződnek. Vajon a kromatin diminúció jelensége létezik a magasabb rendű élőlények életében is?

Az a tény, hogy jószerivel bármely növény bármely testi sejtjéből szaporodóképes növényt lehet regenerálni, azt mutatja, hogy a növények sejtjeiből nem vesznek el sem kromoszómák, sem pedig kromoszómarészek. Azok a kísérletek is erre a következtetésre vezettek, amelyekben állatok testi sejtjeinek magjait ültették olyan érett petesejtekbe, amelyek sejtmagját eltávolították. A „mesterséges” zigóták egyikéből-másikából szaporodóképes állatok fejlődtek. E technika nyomán született pl. Dolly, a híres jerke 1996-ban. (Zárójelben jegyezzük meg, hogy Dolly 277 próbálkozásból az egyetlen sikeres volt. Vajon miért volt oly’ csekély a kísérlet hatékonysága?) Az itt említett eredmények alapján nyilvánvaló, hogy léteznek olyan mechanizmusok, amelyek azt biztosítják, hogy testi sejtjeink differenciálódása során azok a gének örökre „bezárulnak”, amelyek funkciójára bennük nincs szükség. Azok viszont „üzemképesek” maradnak, amelyek funkcionálnak az illető típusú testi sejtben. Melyek a géneket „becsukó” és „nyitva tartó” mechanizmusok? 

Kromatin nyitva, csukva 

Amint említettük, a DNS-molekulák olyan kis fehérjelabdacsokra tekerednek, amelyek mindegyikét nyolc hisztonfehérje-molekula alkotja. A hisztonmolekulák végei kiállnak a labdacsokból (2. ábra). A kiálló végekben gyakori a lizin aminosav. A lizinek oldalláncának pozitív töltésű nitrogénje köti a DNS negatív töltésű foszfátcsoportjait, biztosítva a nukleoszómák stabilitását. (Egy-egy sejtünkben mintegy két méternyi DNS van. Hisztonlabdacsokra tekeredve a nukleoszóma-füzér hossza mindössze 90 μm.)

2. ábra. Hisztonok, nukleoszómák, lizin. (A)  A DNS 164 bázispárnyi szakasza a nyolc hiszton- (két-két H2A, H2B, H3 és H4) fehérjéből álló labdacsra tekeredve egy nukleoszómát alkot. A hisztonmolekulák végei kiállnak a nukleoszómákból. (B, C) A hisztonok végeiben gyakoriak a lizin (K) aminosavak. (N és C a fehérjék két végét jelzi, a számok pedig azt, hogy az illető aminosav hányadik a fehérjét alkotó aminosavak sorrendjében.) A lizinek oldallánca metilálható (Me), acetilálható (Ac), a szerinek (S) foszoforilálhatóak (P). (Ub az ubiquitin kis fehérjemolekula jele.) (D) A lizin oldalláncának végén levő pozitív töltésű nitrogén (N+) kapcsolódik a DNS negatív töltésű foszfátcsoportok egyikével. A lizin nitrogénjéhez metil- (egy, kettő, vagy akár három), vagy acetilcsoport kapcsolódhat. Az acetilált lizin nitrogénje elveszti töltését 

A lizinekre – enzimek révén – metil- vagy acetilcsoportok „aggathatók”, illetve távolíthatók el, befolyásolva a nukleoszómák stabilitását. A szerinekre enzimek foszfátcsoportokat vihetnek, és távolíthatnak el (2. ábra). A nukleoszóma-füzérhez sok-sok további fehérjeféleség csatlakozik, és együttesen alkotják a kromatint, a kromoszómák anyagát. A kromatinfehérjék a sejt életszakaszának megfelelően tömörítik, vagy lazítják a kromatint, vagy gyakorta csak egyes szakaszait. Minél tömörödöttebb a kromatin, annál kevésbé, vagy egyáltalán nem hozzáférhetőek a gének. A viszony fordítva is igaz: a laza kromatinban levő gének kifejeződhetnek, a bennük tárolt genetikai információ kibontható. 

A hisztonok lizinjeinek metilációja, attól függően, hogy melyik lizin metilálódik, és hogy hány metilcsoport kapcsolódik a lizin nitrogénjéhez, tömörebbé vagy lazábbá is teheti a kromatint. Általánosságban elmondható, hogy a hiszton-3 negyedik helyén levő lizin (H3K4) metilációja a gének aktiválódásával jár. Ugyanennek a lizinnek a kétszeres metilációja nyomán a kromatin tömörödik, és elmarad a transzkripció, vagyis az átírás. A H3K9 és a H3K27 metilációja a gének inaktiválódását okozza. Ám a hisztonmetiláció bonyodalmas jelenség. A H4K20 lizin egyszeres metilációja a kromatin tömörödésével, a transzkripció elmaradásával jár. Ha ugyanez a lizin kétszeresen metilált, egy olyan fehérjemolekula-féleség kapcsolódik hozzá, amely létfontosságú a kettősszálú DNS-törések javításában. Ha a H4K20 háromszorosan metilált, a kromatin roppant erősen tömörödik. (Zárójelben jegyezzük meg, hogy ismertek olyan rákos daganatféleségek, amelyekben a H4K20 háromszorosan metiláltságának szintje csökkent, illetve elmaradt.) A metiláció fontosságát tovább bonyolítja az a tény, hogy a metilált lizinekhez olyan fehérjeféleségek kapcsolódhatnak, amelyek a kromatint lazítják, vagy éppen tömörítik.

Bizonyosra vehető, hogy a metiláltság szintje függ a környezeti hatásoktól. Leírták például, hogy félelem hatására a patkányok hippokampusz-sejtjeiben a H3K4 lizin háromszorosan metilálódik. Általánosan elfogadott vélemény, hogy a hisztonok metilációjának – más epigenetikus folyamatokkal egyetemben – fontos szerepe van az öregedésben, a különféle degenerációs betegségek kialakulásában, valamint az intellektuális képességek csökkenésében is.

A hisztonok lizinjeinek acetilációja nyomán elvész a nitrogén pozitív töltése (2. ábra). Az acetiláció következményeként csökken a DNS kötődésének erőssége a hisztonlabdacsokhoz, a DNS-hez olyan fehérjeféleségek férkőzhetnek, amelyek beindítják a transzkripciót. Ismeretes például, hogy a H3K9 és a H3K14 acetilációja transzkripciót eredményez. Vannak olyan fehérjemolekula-féleségek is, amelyek felismerik az acetilált lizineket, kapcsolódnak hozzájuk, és szabályozzák a kromatin szerveződését. A hisztonok acetilációját az ún. hiszton acetiltranszferáz, és az acetilcsoportok eltávolítását a hiszton deacetiláz enzimek végzik. Eme enzimek funkcióját befolyásolva akár segíteni lehet beteg embertársainkon. Például a fenilvajsav, ami a hiszton deacetiláz aktivitását gátolja, nyitott kromatint, és oly’ intenzív transzkripciót eredményez, amely végeredményben lehetővé teszi azoknak a fehérjemolekuláknak a lebontását, amelyek felhalmozódása Huntington-kór kialakulásához vezet.

A szerinek foszforilációja nyomán nemcsak a foszforilált hisztonmolekula szerkezete és funkciója változik meg jelentősen, hanem a hozzájuk kapcsolódó fehérjék típusai is. Általánosan elfogadott vélemény, hogy a hisztonok foszforilációját a kromatin kondenzációja, tömörödése követi. Pl. a H3S10 foszforilációja a kromatin tömörödését, a mitózisra készülődést jelzi. A hisztonok foszforilációjának jelentősége van a DNS-hibák javítgatásában, valamint a sejtek programozott halálában is.

DNS-metiláció

A kromatin tömörödése/lazulása nemcsak a hisztonok módosítása, hanem a DNS metilációja/demetilációja révén is szabályozott. Amíg az ún. metil-transzferáz enzimek a citozinra metilcsoportokat építenek (1. ábra), a demetiláz eltávolítja azokat. A DNS metilációja nyomán, különösen, ha az a gének ún. szabályozó régióiban történik, csökken a gének aktivitása. Sőt, a DNS metilációja nyomán az érintett gének többnyire örökre bezárulnak, és zárva is maradnak az elkövetkező sejtosztódások, a sejt élete során. A gének metiláción alapuló zárva tartását a replikációk, az egymást követő sejtosztódások során jól ismert mechanizmus biztosítja (3. ábra).

  

3. ábra. DNS metiláció. A DNS metilációja során valamelyik metiltranszferáz enzim metil- (CH3) csoportokat visz a DNS-re, tömörítve a kromatint, egyben csökkentve, vagy akár megszüntetve a gének hozzáférhetőségét. A demetiláció során metilcsoportok távolítódnak el a DNS-ről, miáltal a gének hozzáférhetővé válhatnak. Vannak olyan enzimek, amelyek a replikáció folyamán képződő új DNS-szálakat az eredeti mintázat szerint metilálják, fenntartva a DNS metiláltságát  

 
Ahány tarka macska, a foltok eloszlása annyi féle, amiből arra következtethetünk, hogy az X kromoszóma inaktiváció véletlenszerűen következik be (4. ábra). A bundán csak kevés folt van, ám ezek nagyok, ami azt jelenti, hogy az X kromoszóma inaktiváció az embriógenezis korai szakaszában következik be. Akkor, amikor az embrió még csak néhány sejtből áll, és egy-egy sejtből sok utódsejt származhat. A nagy foltokon belül nincsenek apróbbak, ami azt mutatja, hogy az X kromoszóma inaktiváció irreverzibilis, vissza nem fordítható esemény, az inaktiválódott gének örökre bezáródtak. Minthogy a foltok határai élesen rajzolódnak ki és nem elmosódottak, arra is következtethetünk, hogy az X kromoszóma inaktiváció ún. sejtautonóm módon történik: a sejt saját döntése, és nincsenek rá hatással a szomszédos sejtek. Az X kromoszóma inaktiváció az ember lányembriókban is megtörténik. Tankönyvi példa az olyan lányok esete, akik testéről foltokban hiányoznak a verejtékmirigyek (5. ábra). 

Az egypetéjű ikrek vizsgálata is szépen mutatja a környezeti hatások és az epigenetika közötti kapcsolatot. Amíg ugyanis a fiatal egypetéjű ikrek DNS-ének metilációs mintázata meglehetősen hasonlít, életkoruk előre haladtával egyre jobban különbözik. A különbség különösen az olyan esetekben szembetűnő, amelyekben az ikrek eltérő körülmények között élik életüket. Sokan úgy gondolják, hogy a betegségekkel szembeni eltérő fogékonyságuk oka is epigenetikus eredetű.

5. ábra. Verejtékmirigyekben hiányos mozaikok. Az ábrán bemutatott egypetéjű ikerlányok egyik X kromoszómája  verejtékmirigyek képződést kódolja, a másik nem, mert a mirigyek képződését kódoló génje meghibásodott. Ha az ép gént hordozó X kromoszóma inaktiválódik, és a mutáns változatot hordozó marad aktív, olyan foltok képződnek, amelyek területén nincsenek verejtékmirigyek (világosbarnával jelölve). Fordított esetben viszont képződnek verejtékmirigyek a mozaikfoltok területén   

Az X kromoszóma inaktivációja

Az X kromoszóma inaktivációnak két típusa van. Amíg az előprogramozott (imprintált, bevésődött) esetében az apai eredetű inaktiválódik, a véletlenszerűben fele-fele arányban van az apai és az anyai eredetű. A folyamat kezdetén az X kromoszóma XIC (X-inaktiváció centrum) génje alapján XIST (X-inactive specific transcript), 17 ezernyi nukleotidból álló RNS-féleség képződik. XIST az ún. nem-kódoló RNS-féleségek egyike: nem kódolja fehérjemolekula képződését. A XIST RNS-molekulák beborítják azt az X kromoszómát, amelyiknek az XIC génje aktív. A XIST RNS-molekulákhoz fehérjeféleségek kapcsolódnak. Némelyikük metilálja a DNS-t, másikuk alacsony szinten tartja a hisztonok acetilációját, a H3K4 metilációját, ismét mások metilálják a H3K9 és a H3K27 helyeket. Csupa olyan esemény, amely tömöríti a kromatint, örökre bezárja a benne levő géneket. Végeredményben az inaktív X kromoszóma 3/4-e inaktiválódik.

Genetikai bevésődés: szülői gondoskodás előprogramozott génekkel

Különös, hogy például az emlősök méhlepénysejtjeiben, vagy az erszényesek nőstény embrióinak minden sejtjében az apai eredetű X kromoszóma inaktiválódik. Vajon milyen alapon tesznek különbséget például a kenguruembriók az anyai és az apai eredetű X kromoszómák között? Nos, úgy, hogy a spermiummal érkező X kromoszóma már eleve meg van jelölve. A spermiumok képződése során egy ún. genetikai bevésődés (imprinting) történik, az X kromoszóma génjei mintegy előre vannak programozva: DNS-ük erősebben metilált, hisztonmolekulái pedig sokkal kevésbé acetiláltak, mint az anyai eredetű X kromoszómáé. Vajon a genetikai bevésődés érint olyan géneket is, amelyek az autoszómához kapcsoltan öröklődnek? Vajon vannak olyan gének, amelyek másként fejeződnek ki, ha anyai, és másként, ha apai eredetűek, előre programozódnak a szülőkben?

Igen, vannak. A klasszikus példa a Prader–Willi- és Angelman-szindrómák esete. A Prader–Willi- és az Angelman-szindrómás emberek genetikai tartalma azonos: mindkettőjükből hiányzik a 15. kromoszóma egy 4 milliónyi bázispárból álló szakasza. És bár a másik 15. kromoszóma eme részén levő gének épek, minthogy máskén vannak előprogramozva az anyai és az apai eredetűek, különös szindrómákat mutató embertársaink fejlődnek (6. ábra). A Prader–Willi-szindrómás emberekben az apai eredetű SNRPN (Small Nuclear Ribonucleoprotein-Associated Protein N) gén eleve hiányzik, az anyai eredetű viszont úgy van előreprogramozva, hogy ne funkcionáljon. Vagyis a Prader–Willi-szindrómás emberekből lényegében hiányzik az SNRPN gén. Az SNRPN gén terméke a pre-mRNS-molekulák szövetspecifikus érésében játszik fontos szerepet. Az Angelman-szindrómás emberekből pedig az UBE3A (az ubiquitin protein ligase E3A) gén funkciója hiányzik. Az anyai eredetű a 4 milliónyi hiányzó bázispár miatt eleve hiányzik, az apai eredetű pedig bár jelen van, nem funkcionál (6. ábra). Azért nem, mert a spermatogenezis folyamán genetikai bevésődés történik, amely kikapcsolja a gént. Az UBE3A gén terméke egy olyan enzim, amelynek a fehérjék lebontásában van fontos szerepe, különösen az agy egyes területein, ahol csak az anyai eredetű UBE3A gén aktív. A génfunkció hiányában érthető az Angelman-szindrómásak különös viselkedése.       

A genetikai bevésődés tehát lényegében olyan, az ivarsejtek képződése során történő szabályszerű esemény, amely a DNS és/vagy a kromatin módosítása révén befolyásolja az utódok életét. Kérdés, hogy vannak-e olyan környezeti hatások, amelyek epigenetikai módon befolyásolják az utódok, vagy talán még az utódok utódainak életét is? Igen, vannak. Íme, néhány példa. Miközben ketrecükbe cseresznyevirág illatát fújtak, áramütésekkel sokkoltak egereket. A két hatás között hamar kialakult az ún. pavlovi reflex: a cseresznyevirág illatát megérezve az egerek pánikreakciót mutattak. Különös, hogy cseresznyevirág-illat hatására a kezelt egerek utódai is pánikba estek, bár őket sohasem elektrosokkolták. A jelenséget a kutatók annak az M71 jelű génnek az epigenetikai bevésődésével magyarázzák, amely gén terméke a cseresznyevirág illatának specifikus receptora. Sőt, a szülők és utódaik agyában nagyon hasonló típusú változások is kimutathatóak voltak.

Leírták, hogy a patkányok alaptermészetét erősen befolyásolja, hogy életük kezdetén mennyit nyalogatja őket anyjuk. Minél nagyobb az anyai gondoskodás mértéke, annál sikeresebbek az utódok. Az anyai gondoskodás az utódok DNS-metiláltságában is kimutatható. Talán meglepő, de a patkányok génjeinek megfelelő emberi génekben is kimutathatóak az epigenetikai hatások. Öngyilkosok génjeit vizsgálva kiderült, hogy egész más volt a DNS metilációs mintázata azokéban, akiket gyerekkorukban bántalmaztak, mint a kontrollcsoportban. Nem hiába mondják a szakemberek, hogy gyermekeink életének első éveiben semmi sem fontosabb, mint a szerető, elfogadó és bátorító családi környezet. Az elmondottakkal összecsengenek azoknak a vizsgálatoknak az eredményei is, amelyek azt írták le, hogy a holokausztot túlélők gyermekeinek génjeiben kimutathatóak a szülőket ért traumák. Vagy például a bételt rágó szülők gyermekei, akik sohasem rágtak bételt, sokkal gyakrabban szenvednek olyan anyagcsere-betegségekben, amelyek a kontrollcsoportban jószerivel ismeretlenek. Úgy tűnik, hogy fiatalon a dohányzás rabjaivá váltak gyermekei 5–10 kilóval nehezebbek, mint a sohasem dohányzott szülők gyermekei. (Noha szüleik nem voltak elhízottak.)    

Bizonyítottnak vehető, hogy vannak olyan génjeink, amelyek epigenetikusan őrzik, és utódainkra örökítik a környezeti hatásokat. A legújabb vizsgálatok azt mutatják, hogy mintegy 100 olyan génünk van, amelyek aktivitása genetikai bevésődés révén szabályozott. Közöttük kétszer annyi az apai, mint az anyai ágon előreprogramozott gén (https://www.geneimprint.com/site/genes-by-species).  

Ismertek olyan esetek is, amelyekben a genetikai bevésődés nemcsak egyetlen, hanem több generációra is epigenetikusan öröklődik. Normális körülmények között ugyanis az epigenetikai program az ivarsejtek, a meiózis során törlődik, hogy aztán az embriógenezis folyamán újraalakuljon. Vannak viszont olyan gének, amelyek epigenetikus státusza mintegy „túléli” az ivarsejtek képződését, és változatlanul megy generációról generációra. A legismertebb példa alighanem a gyujtoványfű (Linaria vulgaris) ún. tortamutánsának öröklődése (7. ábra). Amíg a vadtípusú növény virágai kétoldali szimmetrikusak, addig a tortamutáns-változat, mint a torták, sugarasan szimmetrikus (8. ábra). Bár a kétfajta virágú növény Lcyc génjében a bázispárok sorrendje azonos, a tortamutáns-változat Lcyc génje erősen metilált, ami miatt nem funkcionál. Olyan, mintha nem is létezne. A tortamutáns-jelleg – mint egy mutáció – recesszív tulajdonságként öröklődik generációról generációra. Meg-megesik, hogy a tortamutáns gyújtoványfüvektől olyan növények származnak, amelyek virágai vadtípusúak, kétoldali szimmetrikusak. Az ilyen növények Lcyc génje nem metilált, és ellátja funkcióját.         

Az Lcyc gén annak a cycloidea génnek a megfelelője, amely funkciója a tátika virágaiban a dorzális sziromlevelek és porzók kialakulását szabályozza (8. ábra). A cycloidea gén funkciójának hiányában tortamutáns tátikavirágok képződnek: a dorzális sziromlevél- és porzókezdemények a ventrális programot hajtják végre, és végeredményben csupa olyan ventrális jellegű sziromlevél képződik, amelyek elrendeződése szimmetrikus.

Úgy tűnik, hogy az emberek esetében is vannak generációkon átnyúló epigenetikus hatások. A második világháború idején éhező hollandok unokái között négyszer több volt a cukorbeteg, mint a kontrollcsoportban. Vagy például a XIX. században a svédországi éhínség idején éhező férfiak fiúunokái között ritkák voltak azok, akik keringési rendellenesség miatt haltak meg.

1865 óta, midőn Mendel feltárta az öröklődés törvényszerűségeit, a jelenség további érdekes aspektusait ismertük meg, köztük az epigenezist. Általa a környezet és a tulajdonságok öröklődése közötti kapcsolat fontosságát értettük, értjük meg. 

---

Természet Világa,

148. évfolyam, 6. szám, 2017. június http//www.termvil.hu/