Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

4. fejezet - Epigenetika

4. fejezet - Epigenetika

Tóth, Sára

Az elmúlt néhány évben a genetika egyik legdinamikusabban fejlődő területévé vált az epigenetika. Ebben a tárgykörben – a PubMed adatbázisa szerint – csak az elmúlt évben 10 000-nél is több tudományos közlemény jelent meg.

Maga az epigenetika kifejezés Conrad Waddington nevéhez kapcsolható, aki az 50-es évek elején az egyedfejlődés folyamatainak tanulmányozása során egy ún. epigenetic landscape-ről (epigenetikai tájkép) beszélt, amikor megpróbálta megmagyarázni az egyetlen sejtből, a zigótából kialakuló sejtek rendkívüli sokféleségét. Azaz, bár genetikailag ugyanolyanok, mégis morfológiailag, funkcionálisan eltérőek annak köszönhetően, hogy a táj milyen pontjára (hegyére, völgyébe vagy lejtőjére) jutottak, vagyis hogy hogyan hatott a génszabályozás az egyedfejlődésre. Ma epigenetikai jelenségeknek azokat a mitotikusan és/vagy meiotikusan is átörökíthető folyamatokat nevezzük, amelyek anélkül változtatják meg az egyes gének működését, azaz általában expressziójuk mértékét, hogy magát a DNS-szekvenciát érintenék, azaz nem mutációnak köszönhetők a génműködés változásai.

Az ilyen jelenségek és a folyamatokban részt vevő, ismertté vált enzimek, és szabályozófehérjék köre egyre bővül, s ma már az élet szinte minden jelenségével kapcsolatban beszámoltak epigenetikai változásokról. Az epigenetikai folyamatok megismerésével párhuzamosan sok korábban megmagyarázhatatlan megfigyelés, jelenség vált értelmezhetővé.

Epigenetikus változások – molekuláris módosulások

Az epigenetika eszköztárában a kromatint felépítő molekulák – DNS és hisztonok – módosulásainak alapvető szerepe van. A módosult, tehát epigenetikus jelet kapott DNS, és a hozzákapcsolódó, különbözőképpen módosult hisztonok, a módosulásoktól függően más és más, nem-hiszton fehérjéket is vonzanak, s ezzel alapvetően befolyásolják, remodellezik a kromatin állapotát. A kromatinnak két fő funkcionális állapota van: a heterokromatin, amely egy zárt, gátolt, nem átíródó állapotot jelent és az eukromatin, amely egy laza, nyitottabb, a transzkripcióban érintett komponensek számára hozzáférhető szerkezet. Az epigenetikus módosulások egy további, finomabb szabályozás lehetőségét teremtik meg.

DNS-metiláció

A DNS epigenetikus módosulása a citozin metilációját jelenti, amikor is 5-metil-citozin (5MeC) jön létre. Ebben az esetben a metilálódó citozinok majdnem kizárólag az ún. CpG-dinukleotidokban találhatók. A CpG-dinukleotidok a DNS valamelyik szálán kovalensen összekapcsolt citozin- és guaninbázisokból állnak. A metilált citozin ugyanúgy guaninnal párosodik, mint a metilálatlan, tehát a DNS által kódolt információ változatlan marad. Ugyanakkor az 5MeC metilcsoportja a DNS nagy árka felé néz, ezért hozzáférhető a különböző DNS-kötő fehérjék számára. CpG-dinukleotidokat elsősorban a gének promoter régiójában találhatunk, de géntől függően a gén „belsejében”, az exonokban, illetve az intronokban is megtalálhatóak lehetnek. Nem minden CpG metilált, az adott sejttől, illetve annak metabolikus állapotától is függ, hogy ezek a CpG-dinukleotidok mennyire metiláltak, vagyis hogy milyen a metilációs mintázat. A promoter CpG-inek metiláltsága egy alapvető génexpressziós szabályozást biztosít: itt a metiláció általában (de vannak kivételek) a génexpresszió gátlásához vezet. Mivel az epigenetikus jelek sejtosztódásról sejtosztódásra továbbadódnak, de generációról generációra már általában nem, ez azt jelenti, hogy a DNS-metilációt végző enzimrendszer ennek megfelelően specializálódott. Két fő metilációs enzimet ismerünk: a fenntartó DNS-metiltranszferázt (DNMT1) és a de novo DNS-metiltranszferázt (DNMT3). A DNMT1 a DNS-replikáció során, a régi szálnak megfelelően, a komplementer új DNS-szál CpG-iben megtalálható citozinokra teszi fel a metilcsoportot, ezáltal fenntartja az eredeti metilációs mintázatot. A DNMT3 a korábban még nem metilált citozinokat képes metilálni. Ennek pedig a gametogenezis során van jelentősége, amikor az eredeti örökölt szülői mintázat letörlődik, majd egy új, az élőlény nemének megfelelő metilációs mintázat épül fel. A metilációs mintázat eltávolításában a DNS-demetilázok vesznek részt.

CpG mint mutációs forrópont

A citozin spontán dezaminációval uracillá alakul. Ez a labilitás a metilált citozinra is érvényes, de ebben az esetben nem uracil, hanem timin lesz az eredmény. Vagyis CpG-dinukleotidból TpG-dinukleotid lesz, s ez már a DNS-szekvencia megváltozását, azaz mutációját jelenti. Mutációs adatbázisok elemzése kimutatta, hogy számos betegség esetében a CpG-dinukleotidok a mutációs forrópontok.

A citozin kémiai labilitására, azaz mutabilitására utal az a tény is, hogy bár a metiláció általánosan jellemző a DNS-re, a metilált citozinok gyakorisága sokkal kisebb a várt értéknél. Emberben a citozinok mindössze 3%-a metilált. Úgy tűnik, hogy egy hosszabb evolúciós időintervallumot tekintve a CpG-gyakoriság lassan, de fokozatosan csökken az állandó CpG→TpG átalakulásnak köszönhetően. Annak ellenére, hogy a gerincesek genomjának CpG gyakorisága kicsi, vannak olyan rövid, nem-metilált DNS-szakaszok, amelyeknek CpG-gyakorisága megfelel a várt értéknek. Ezek az ún. CpG-szigetek, amelyek CG gazdagok és gyakran a gének 5’ végén található több száz nukleotidnyi szakaszokon fordulnak elő. Az emberi genomban szétszórva, kb. 27–30 ezer CpG-sziget található. Ezekre a területekre a CpG→TpG átalakulás nem jellemző. A CpG-állandóság vagy annak köszönhető, hogy itt nem jöhet létre metiláció, vagy pedig annak, hogy ezek a szigetek funkcionálisan olyan fontosak, hogy a természetes szelekció megakadályozta elvesztésüket. Az emberi gének kb. 50%-ának promoterében CpG-sziget van, melyek általában metilálatlanok. Abnormális metilációjuk kóros, s a génműködés szabályozásának megváltoztatásával, pl. daganatok kialakulásához vezethetnek (lásd a 7. Biológiai folyamatok genetikája fejezetben).

Hisztonmódosulások

A DNS-metiláció mellett a hisztonmódosulások szerepe is alapvető az epigenetikus folyamatokban. A hisztonok evolúciósan erősen konzervatív, DNS-hez kapcsolódni képes, bázikus – lizinben és argininben gazdag – fehérjék. A H2A, H2B, H3 és H4 hisztonok 2-2 kópiában a nukleoszomális oktamer felépítésében vesznek részt, míg a H1 hisztonok a nukleoszómákat összekötő, ún. linker DNS-hez kötődnek. A nukleoszomális hisztonok N-terminális farka kinyúlik a nukleoszómából, s ez az a terület, ahol a hisztonmódosulások bekövetkeznek. A hisztonmódosulások fő célpontjai elsősorban a H3 és H4 hisztonfarkak megfelelő pozíciójú lizin aminosavai, amelyek metilálódhatnak, acetilálódhatnak, foszforilálódhatnak és ubiquitinilálódhatnak stb. Ezek a módosítások egy hisztonmintázatot alkotnak, amely a sejt típusától, annak fejlődési állapotától és fiziológiás működésétől, a kérdéses géntől, illetve génszakasztól függenek. Ez a mintázat az ún. hisztonkód, alapvetően kihat az érintett terület expressziójára. Mind a metilált DNS, mind pedig a módosult hiszton számos, metilált DNS-t vagy hisztont kötő fehérjét és nem-kódoló RNS-t vonz, s az így kialakult sokelemű komplex tagjai egymással kölcsönhatásban határozzák meg az adott fejlődési stádiumra, sejtre, génre jellemző epigenetikus mintázatot. E komplex bármelyik elemének hibája okozhat hibás epigenetikus jelet és így hibás működést, kórképet. Erre kitűnő példa a Rett-szindróma, ahol egy MECP2 (metilált citozint kötő fehérjét meghatározó) gén mutációja áll a háttérben.