Epigenetica, stiinta care ne dezvaluie secretele vietii ascunse in ADN

Aparitia termenului „epigenetica” este atribuita lui Conrad Waddinton (1905-1975), care în 1942 îl foloseste pentru a denumi o ramura conceptuala a biologiei ce studia modul cum ar putea interactiona genele cu mediul înconjurator pentru a crea un fenotip.

Atunci când Waddington a nascocit acest termen, natura fizica a genelor si rolul lor în ereditate nu erau cunoscute. Idei ale dezvoltarii interactive au fost discutate de-a lungul secolelor XIX si XX sub diferite nume.

Termenul de „epigenetica” a fost folosit de asemenea în psihologia dezvoltarii pentru a descrie dezvoltarea psihologica drept un rezultat al inter-schimburilor continue dintre ereditate si mediu. Prima mentiune a epigeneticii în literatura apare la jumatatea sec. XIX, cu toate ca originile conceptului pot fi regasite si la Aristotel (384-322).

În secolul XXI epigenetica studiaza fenomenele biochimice care permit acidului dezoxiribonucleic (ADN) sa se exprime într-o maniera diferita, gratie activarii si reprimarii anumitor gene, dar fara a provoca schimbari la nivelul secventei genice.

Oamenii de stiinta au descoperit în ultimii ani ca, actionând asupra enzimelor de baza ale epigeneticii, care fac ADN-ul mai mult sau mai putin accesibil sistemelor de producere a proteinelor, poate fi controlata activitatea genelor si ca boli complexe precum tumorile pot fi declansate nu numai de mutatii genetice, ci si de functionarea defectuoasa a unuia sau mai multor fenomene epigenetice.

Plecând de la aceasta descoperire ca influenta mediului are efecte asupra activitatii genelor, oamenii de stiinta au încercat sa gaseasca raspunsuri noi la diverse întrebari. Astfel, neîncetatele descoperiri datorate acestei discipline, explica cum si de ce se produc multe din functiile si disfunctiile biologice, pâna la stadiul celular al îmbatrânirii. Ca exemplu va prezentam doar câteva întrebari la care epigenetica a gasit un raspuns.

Cum stiu plantele ca trebuie sa înfloreasca primavara?

Epigenetica descifreaza modul de raspuns al ADN-ului la diferite conditii ambientale.

S-a dovedit de exemplu ca plantele memoreaza schimbarile de anotimpuri pentru a sti când trebuie sa intre în repaus în fata durelor conditii ale iernii si când vine momentul pentru a creste, a înflori sau cel de reproducere.

Un studiu publicat de Centrul de Biotehnologie a Plantelor de la Universitatea Politehnica din Madrid, a relevat ca ADN–ul se modifica în functie de ciclurile distincte ale anului, în asa fel încât exista un semnal epigenetic mai intens în iarna si altul propriu pentru primavar?.

De ce toate celulele noastre au acelasi ADN, cu toate ca suntem diferiti?

Genele sunt cele care moduleaza forma de expresie a celulelor astfel încât unele sa faca parte din retina ochiului, în timp ce altele, de exemplu cele ce compun muschiul cardiac, sa ajute la bataile inimii. Conform spuselor lui Randy Jirtle, cercetator la Laboratorul de Epigenetica al Universitatii din Duke, SUA, epigenetica arata ca materialul nostru genetic este asemanator cu cel al sobolanilor si maimutelor.

De ce cresc tumorile?

Fiintele umane au gene ce regleaza ritmul si modul de crestere al celulelor; în conditii normale acestea functioneaza corect, protejându-ne împotriva unei cresteri necontrolate a celulelor (caracteristica cancerului).

Fumul de tigara, expunerea la fertilizanti, excesul de stres si alte agresiuni din mediul înconjurator produc un dezechilibru în chimia interna, un fel de semnal numit „întrerupator epigenetic”, care blocheaza activitatea genelor si le împiedica sa-si îndeplineasca misiunea.

Astfel, cu toate ca natura ne-a înzestrat corpul cu acesti gardieni inteligenti, modul nostru de viata reuseste sa-i dezactiveze, iar celulele maligne sunt libere sa se înmulteasca si sa se împrastie în tot organismul, formând metastaze.

Vestea buna este ca daca învatam sa ne controlam emotiile si felul cum interactionam cu mediul, daca ne schimbam alimentatia si stilul de viata vom putea interveni în aceste schimbari ale ADN-ului si vom putea evita bolile.

Ce se schimba când îmbatrânim?

Ne nastem si murim cu aceleasi gene: ce se întâmpla odata cu trecerea anilor?

Actioneaza markerele epigenetice.

La aceasta concluzie au ajuns cercetatorii de la Institutul de Investigare Biomedicala din Bellvitge (IDIBELL) din Barcelona, dupa ce au analizat celulele sanguine ale unui nou nascut, ale unei persoane de 30 de ani cât si ale unei persoane de 103 ani.

Din punct de vedere epigenetic, la o persoana în vârsta se poate observa faptul ca a pierdut multe „întrerupatoare epigenetice” însarcinate cu dezactivarea genelor improprii si în acelasi timp butoanele care declanseaza functionarea altor protectori sunt de asemenea nefunctionale.

Leziunile epigenetice însa sunt reversibile si pot fi controlate prin modificarea dietei si a gândirii, deoarece ele apar ca raspuns la stimuli externi. Aceasta descoperire a epigeneticii poate fi cheia pentru a ne prelungi viata.

De ce unele persoane sunt mai impulsive decât altele?

Adversitatile întâmpinate în adolescenta sau din cauza unei familii destramate pot altera reglarea genelor responsabile de controlul emotional, fiind afectate astfel functii precum capacitatea de discriminare sau aceea de a-ti inhiba comportamente nepotrivite.

În ultima instanta vor duce la un comportament impulsiv, conform concluziilor unui studiu realizat de cercetatori de la Universitatea din Goteborg, Suedia cât si de la Universitatea din Florida, SUA.

Aceste dereglari pot fi relationate de asemenea cu preferinta pentru alcool, jocuri si mâncare. Autorii studiului atribuie schimbarile ce afecteaza sistemul de dopaj, neurotransmitatorului de placere, circuitului de serotonina, moleculei de fericire si producerii de neuropeptide care între alte functiuni, controleaza si foamea.

Ce cauzeaza autismul?

Analizând din punct de vedere epigenetic 50 de perechi de gemeni ce aveau aceasta boala, cercetatorii de la King’s College din Londra au identificat tipare de metilare.

În functie de zonele ADN ce sunt afectate si de câte ori se produce acest fenomen se pot explica diferentele în severitatea dificultatilor pentru interactiunea sociala, comportamentele repetitive si a dificultatilor de vorbire, printre alte simptome. Se va putea ajunge la un tratament clar si rapid al acestei afectiuni daca se identifica si se controleaza schimburile epigenetice cheie.

Cum se formeaza amintirile?

Pentru a memora si sterge experiente, în fiecare zi, ADN-ul neuronilor sufera modificari în citozina – una din cele cinci baze azotate ale moleculelor de ADN si ARN.

Cercetatori de la Universitatea din Alabama au demonstrat ca informatia se înmagazineaza într-o maniera stabila în memorie prin alterari ce apar în histone (proteine bazice ce participa la transmiterea materialului genetic) si în anumite celule din hipocamp (zona cerebrala esentiala pentru functionarea memoriei si procesarea emotiilor).

Cum îi afecteaza pe copii stresul parintilor?

Michael S. Kobor, de la Universitatea British Columbia din Canada, a descoperit ca atunci când parintii sunt stresati, sufera depresii sau experimenteaza probleme în casnicie, copiii de 3 sau 4 ani vor dezvolta, în adolescenta, semnificative alterari epigenetice.

Aceste modificari se pot observa în 139 de gene daca stresul l-a suferit mama si în 31 de gene daca victima este tatal. Aceasta deteriorare afecteaza, printre altele, formarea de noi neuroni, producerea insulinei cât si nerefacerea daunelor din ADN.

Secretele vietii – dezvaluite

Secretele vietii pe care epigenetica ne ajuta sa le descifram se pare ca sunt nenumarate si nepretuite. Azi s-au descoperit mecanisme epigenetice într-o mare varietate de procese fiziologice si patologice ce includ: diferite tipuri de cancer, patologii cardiovasculare, neurologice, reproductive etc.

Aceste mecanisme reprezinta instrumentele de baza ce ne permit sa intram în extraordinarul univers al epigeneticii. Sa nu uitam însa ca cel mai important lucru relevat de aceasta stiinta este faptul ca totul sta în puterea noastra, ca avem în mâinile noastre frâiele care ne pot schimba viata în mai bine fara a apela la doctori si medicamente.

Epigenetica este stiinta care a reusit sa demonstreze ca felul cum alegem sa ne hranim, sa gândim sau sa ne traim viata produce schimbari în corpul nostru care nu depind numai de bagajul genetic cu care am venit si care era considerat pâna nu demult responsabil de toate problemele noastre.

În schimb întelegem ca acest bagaj genetic poate fi folosit în diverse moduri prin activarea sau dezactivarea unor gene, ca un raspuns al organismului nostru la mediul cu care interactioneaza– aceasta putând fi considerata o capacitate avansata de adaptare la orice mediu, pe care o avem cu totii dar nu suntem constienti de ea.

Pentru a întelege mai bine cum functioneaza aceste mecanisme va invitam sa vizionati si filmul de mai jos care face referire la câteva cazuri concrete de gestionare a unor afectiuni doar prin puterea mintii: de la depresie pâna la cancer, totul tine de alegerile pe care le facem în viata.

Daca alegem sa fim mai buni viata ne va rasplati cu bine, iar daca alegem sa ne pastram obiceiurile proaste vom plati consecintele prin nefericire, boala si batrânete. Secretul tineretii si sanatatii se afla în sufletul nostru, sau poate înscris în ADN odata cu actul creatiei.

Un fenomen omniprezent

Primele idei despre mecanismele de natura epigenetica si-au facut aparitia în comunitatea stiintifica în anii ’70 si ’80. Cele mai multe implicau modificari chimice în cazul ADN-ului sau în cazul proteinelor implicate în împachetarea sa. Unele dintre aceste marcaje sau etichete chimice favorizeaza activitatea genelor, adica permit producerea proteinei unei gene, în timp ce altele au efectul opus, dezactivând activitatea unei gene.

Principalele metode de control a activitatii genelor se presupun a fi realizate prin intermediul factorilor de transcriptie, proteine care se lipesc de o sectiune de ADN din apropierea unei gene, cunoscuta sub numele de regiune de control, pentru a o activa sau a o dezactiva. Modificarile epigenetice par a fi complementare activitatii factorilor de transcriptie.

Primul exemplu descoperit a fost metilarea ADN-ului, care implica o mica subunitate chimica, denumita grup metil, care este adaugata ADN-ului. “Literele” codului ADN erau cunoscute a fi formate din 4 tipuri de baze azotate: adenina, citozina, guanina si timina.

Am stiut pentru câteva decenii ca ADN-ul contine si mici cantitati dintr-o a cincea baza, citozina metilata, dar numai la sfârsitul anilor ’70 a devenit posibila cartografierea locului din genom în care aparea aceasta baza modificata.

A aparut astfel un tipar uimitor: metilarea ADN-ului apare în cea mai mare parte a genomului, dar este, de obicei, absenta în mod evident din regiunile de control ale genelor.

Important este ca, atunci când regiunea de control este metilata, gena nu poate fi activata si este considerata a fi fost redusa la tacere (proces de silentiere a exprimarii genice).

Metilarea unei regiuni de control a unei gene este folosita, de exemplu, pentru silentierea unuia din cromozomii X ai femelei si pentru a se asigura faptul ca genele implicate în formarea spermei si a ovulelor sunt dezactivate în restul corpului.

La fel de important, tiparele de metilare a ADN-ului sunt copiate atunci când ADN-ul este replicat si sunt astfel transmise de la celula mama la celulele fiice în momentul în care o celula se divide.

Aceasta capacitate de transmitere de la celula la celula ajuta la explicarea motivului pentru care silentierea genetica prin intermediul factorilor epigenetici este atât de stabila de-a lungul timpului.

Gradul de prezenta a metilului în ADN regleaza activitatea genelor noastre si are o mare influenta asupra starii de sanatate.

„Diferite modificari chimice în genom determina daca genele sunt citite sau dezactivate. Moleculele de metil din ADN joaca un rol-cheie în aceasta reglare  a activitatii genetice. Stilul de viata si factorii de mediu influenteaza metilarea în genom. Oamenii de stiinta au demonstrat legaturile între starea de metilare a  pozitiilor specifice din genom si cancer, precum si alte boli”, se arata într-un studiu publicat recent de Centrul German pentru Cercetarea Cancerului (Deutsches Krebsforschungszentrum, DKFZ).  

ADN-ul si starea de sanatate  

Oamenii de stiinta din echipa cercetatorului Hermann Brenner, de la Centrul German de Cercetare a Cancerului din Heidelberg, în colaborare cu colegii din Registrul Cancerului din Saarland si Centrul de Cercetare Helmholtz pentru sanatatea mediului din München, au încercat sa raspunda la întrebarea: Ce indica starea de metilare din ADN despre starea de sanatate a unei persoane, despre susceptibilitatea acesteia la boli sau, pe scurt, despre riscul de mortalitate al unui individ?

In studiul lor actual, cercetatorii au investigat cazurile de 1.900 de participanti de doua studii epidemiologice numit ESTHER si KORA.

Ei au folosit ADN-ul din celulele sanguine ca baza a investigatiei lor. Toti subiectii studiului au fost adulti în vârsta si au furnizat probe de sânge când au intrat în studiu.

Studiul a debutat în urma cu 14 ani, multi dintre subiecti decedând între timp.

„Gruparile de metil sunt atasate numai la o anumita combinatie de blocuri de ADN numite CpG. Pentru aproape 500.000 din aceste pozitii, cercetatorii au analizat daca nivelul lor de metilare a relevat o legatura statistica cu numarul de ani traiti de subiecti. Dupa o revizuire statistica riguroasa, a a rezultat ca 58 CpG  au aratat o corelatie puternica între gradul de metilare si mortalitate”, se arata în studiu.   

Fumatul lasa cele mai puternice urme epigenetice  

Aceste 58 CpG-uri au fost toate localizate în regiuni genomice pentru care o asociere cu diferite boli este bine documentata. Interesant este faptul ca 22 din cele 58 de CpG-uri au fost identice cu pozitiile de metilare pe care Brenner si colegii le-au gasit recent într-un studiu privind efectele epigenetice ale fumatului.

Dintre factorii de risc pentru sanatate, fumatul pare sa lase cele mai puternice urme ale genomului. „Vestea buna este ca nivelul de metilare a ADN-ului nu este scris în piatra”, a spus Brenner.

„Spre deosebire de mutatiile din unitatile de constructie a ADN-ului, este reversibil, ceea ce înseamna, de exemplu, ca o stare de metilare nefavorabila se poate schimba dupa renuntarea la fumat, iar riscul de mortalitate poate scadea din nou semnificativ”, a conchis cercetatorul.   

Zece pozitii în genom   

„Dintre cei 58 de CpG-uri, oamenii de stiinta au selectat zece cu cea mai puternica corelatie cu mortalitatea. Acest profil de risc epigenetic le-a permis sa prezica asa-numita mortalitate de toate cauzele (cancer, boli cardiovasculare si altele).

Participantii la studiu ale caror genom a prezentat un status de metilare „nefavorabil” la cinci sau mai multe dintre aceste pozitii au avut un risc de deces în perioada de observatie de 14 ani, de sapte ori mai mare fata de participantii la studiu a caror metilare la aceste pozitii nu a prezentat anomalii”, se arata în studiu. Metilarea ADN-ului a relevat o legatura mult mai puternica cu supravietuirea decât toate celelalte modificari studiate anterior în blocurile ADN individuale (SNP, polimorfisme cu un singur nucleotid).

„Profilul de risc epigenetic s-a dovedit a fi un indicator mai precis al duratei de viata decât toate celelalte profiluri de risc genetice stabilite anterior, care se bazeaza pe modificarile blocurilor ADN-ului”, concluzioneaza cercetatorii.

„Am fost surprins de faptul ca statutul de metilare a doar zece pozitii ale genomului nostru este în corelatie atât de puternica cu mortalitatea de toate cauzele”, a comentat Brenner.

„Am gasit legaturi chiar mai puternice cu mortalitatea din cauza bolilor cardiovasculare. Acum este important sa aflam care masuri de prevenire sunt cele mai eficiente pentru a obtine un impact benefic asupra profilului de metilare si a mortalitatii”, a conchis Brenner. 

Citeste mai mult: adev.ro/pbk5mp

Bogdan

Per aspera ad astra