Epigenetika i histonski kod

Iako se termin “epigenetika” koristi već više od pola veka, kao posebna oblast neuronauka, ona doživljava svoj procvat poslednjih godina. Uopšteno, epigenetika se odnosi na sve što je povezano sa hromatinom, njegovom strukturom, biohemijom i funkcijom. Zapravo, istraživanje uloge različitih modifikacija hromatina je ono sto čini epigenetiku veoma aktuelnom danas i daje nov osvrt na stare dogme.

Još šire, epigenetika se odnosi na sve modifikacije dezoksiribonukleinske kiseline koje se prenose, ali nisu utkane u genetski kod, tako da ove promene nisu genetske, već epigenetske ("nadgenetske" ili "paragenetske"). Kao što možemo govoriti o genomu, mozemo i o epigenomu. Ipak, analogija izmedju genetskog i epigenteskog, ili konkretnije, histonskog koda nije sasvim utvrdjena i povod je mnogobrojnih naučnih diskusija danas.

Osnovne činjenice o hromatinu

Nekoliko osnovnih činjenica o hromatinu nije naodmet ponoviti. Hromatin je kompleks DNK i proteina koji je obavijaju, štite i regulišu. Ti proteini se zovu histoni i postoji nekoliko vrsta histona: H1, H2A, H2B, H3 i H4. H1 se razlikuje od ostalih, koji čine jezgro nukleozoma, jer on kontroliše vezu DNK i histona i njenu poziciju. H2A i H2B se često zovu strukturni histoni, a H3 i H4 funkcionalni, iako je ova podela isuviše binomna i svi histoni mogu imati različite uloge zavisno od njihovih modifikacija. Specifično pakovanje DNK u oktamerne strukture koje omogućavaju histoni pomaže neverovatnu uštedu prostora. Jedan ovako "zapakovan" molekul je 50000 puta manji od "nezapakovanog"!

Ipak, najinteresantniji nalaz u ovaj oblasti je bio da histoni imaju veoma dinamičnu biohemiju. Njihove modifikacije su uglavnom kovaletne i, iako im su svi delovi histona podložni, one su najčešće rezervisane za duge "repove" ovih proteina (tzv. histone tails). Različite aminokiseline koje čine primarnu strukturu histona mogu biti acetilizovane, metilisane, ubikvitizirane itd. Osim već navedenih post-translacionih modifikcaija histona, specifično dodavanje metil-grupa na tačno odredjene lokacije (CpG pozicije) DNK mogu uticati na inaktivaciju transkripcije nekih gena. Ove promene su, takodje, epigentske.

Histonski kod

Mnogi naučnici veruju da tačno odredjene kombinacije ovih kovalentih modifikacija čine specifični, histonski kod. Veruje se da bi pronalazak histonskog koda bio ravan Votson-Krik-ovim studijama o DNK kodu iz 50ih godina prošlog veka. Po ovoj hipotezi, histonski kod bi tačno odredjivao kako odredjena promena u spoljašnjoj sredini dovodi do odredjene modifikacije histona koja, dalje, vodi transkripciji odredjenog gena. Dakle, pristalice ove teorije veruju u jasno determinisanu uzročno-posledičnu vezu eksternog i internog sveta. Naravno, kako histonski kod nije potvrdjen, mnogi naučnici se protive mogućnosti kruto regulisanih odgovora organizma na spoljašnje okruženje.

Acetilacija histona

Najvise epigenetičkih studija se bave acetilacijom histona. Poznati su i različiti enzimi koji su odgovorni za prenos acetilnih ili metil grupa i studiranje ovih enzima i enzima koji njih regulišu čine ove studije, a posebno interpretiranje njihovih rezultata veoma kompleksnim. Uopšteno, misli se da acetilacija doprinosi aktivnijoj, ubrzanoj transkripciji gena, dok je metilacija odgovorna za inhibiciju genske ekspresije.

Interesantno je da i histoni mogu reagovati izmedju sebe, tako da inicijalno "mala" promena na samo jednoj aminokiselini može uzrokvati promenu čvrstine pakovanja histona i time otvaranje i lak pristup DNK transkripcionoj mašineriji.

Ono što dovodi u sumnju poklonike histonskog koda je što acetilacija npr. lizina (bazne aminokiseline naročito podložne acetilaciji) na jednoj poziciji, ima savim različiti efekat na drugoj poziciji. Dakle, ili je histonski kod mnogo komplikovaniji nego genetski, pa svaka kovaletna modifikacija nosi u sebi i informaciju o mestu, vremenu, možda i prirodi efekta koji ju je uzrokovao, ili je histonski kod  "tendencija" da se neke promene dese, ali ta promena zavisi od konkretnih okolnosti. Takodje, ova "nedoslednost" epigenetike je možda i prednost. Dok je genetski kod statičan, dinamičke promene koje su u direktnoj vezi sa spoljašnjom sredinom mogu biti samo prednost u evoluciji, posebno viših kičmenjaka. Epigenetika nalazi svoje mesto i u medicinskim istraživanjima. Veza izmedju histonskih modifikacija i nekih oblika mentalnih retardacija je već ustanovljena i prenatalne analize (screening) mogu da utvrde postojanje mutacija u specifičnih proteinima i enzimima koji su odgovorni za remodelovanje hromatina. Neke od bolesti u čijoj etiologiji epigenetičke promene čine znacajan udeo su Angelmanov sindrom i Prader-Vilijev sindrom. Poslednjih godina je uveden i novi termin - epigenetski karcinogeni. Naime, neke supstance kao arsenit, legure nikla, neke forme benzenskih derivata nemaju direktni mutageni efekat, ali ipak rezultiraju u povišenoj incidenci tumora zbog epigentičkih promena koje uzrokuju.

Histonske modifikacije

Histonske modifikacije su neophodne za preciznu regulaciju ekspresije gena. U mnogobrojnim studijama pokušava se da se pronadje odnos izmedju ovih reakcija i fenotipa u eksperimentalnim modelima. Aktuelna istraživanja dovode u vezu acetilaciju H3 i H4 proteina sa boljim učenjem i memorisanjem. Takodje, bolesti zavisnosti imaju i epigentičku komponentu u svojoj etiopatogenezi. Kako je remodelovanje hromatina bitno za efikasni DNK repair (popravljanje grešaka u DNK), bilo kakve promene u pakovanju DNK i histona koji je okružuju  mogu da dovedu da negativnog ishoda po organizam. Funkcionalne studije kao i pokušaj mapiranja histonskih promena su dve veoma aktuelne oblasti istraživanja u neuronaukama ovih godina. Neosporno je da će se istraživanje centralnog nervnog sistema u bliskoj  budućnosti bazirati ne samo na genetici, već i potpunijem uvidu u način kako genom reaguje na efekte spoljašnje sredine, a epigentika ima glavnu ulogu u ovoj interakciji.  

Dr Dragana Jančić

Instituto de Neurosciencias

Alikante, Španija