De
t
e g il g
e n r e n e g i r
De fleste kender lidt til genetik og ved, at det dækker over bl.a. opbygning, funktion og videreførelse af arvemateriale – DNA. Eksempelvis har jeg blå øjne, og det har jeg fordi mit DNA, eller min genotype, som er blevet nedarvet fra mine forældre til mig, koder for lige netop fænotypen blå øjne. De fleste har også før hørt, hvis ikke de selv har brugt sætningen; ”det ligger i generne”. Men hvordan kan det være, når alle cellerne i ens krop udspringer fra én zygote (et befrugtet æg), og DNA’et derfor burde være ens, at de forskellige typer celler ved, hvad de skal blive til? Sådan at cellerne i ens øjne ikke i stedet blev til fx hudceller? For at forklare at alle somatiske celler (alle kroppens andre celler end kønsceller) indeholder identisk DNA, men alligevel kan differentieres til mange forskellige celletyper, blev begrebet ”epigenetik” introduceret i 1940’erne. Dette begreb dækker over, når en ændring i miljøet har biologiske konsekvenser uden at have ændret den grundlæggende DNA-sekvens. Det drejer sig her ikke om mutationer (ændringer i selve arvematerialet), men om modifikationer, der ændrer måden, gener bliver tændt eller slukket på, og dermed får indflydelse på i hvor høj en grad, generne bliver udtrykt. 18
Hjerneblod l
6/2016
- blå øjne, ep igenet ik, k
atte
og
kr t æf
Af Helle Olesen Epigenetik kan ses som bindeleddet mellem genotype og fænotype, da epigenetik har betydning for, i hvilken grad genotypen bliver udtrykt. Et kromatins struktur (se næste side) har indflydelse på, i hvor høj grad et gen tændes eller slukkes. Der findes forskellige epigenetiske modifikationer, som kan ændre et kromatins struktur (DNA-methyleringer og histonmodifikationer), eller som kan modulere, i hvor høj en grad et gen bliver udtrykt efter transskription (non-kodende RNA). Disse modifikationer virker netop uden at ændre på DNA’ets basesekvens. Ændringer forskellige steder i kromatin kan have stor indflydelse på, hvor tilgængeligt et gen er, og på denne måde har epigenetiske ændringer indflydelse på genekspression. Methylering af DNA og/eller histoner er med til at folde kromatinet tættere, hvor fx acetylering af histoner er med til at gøre kromatinet løsere. Tæt foldet kromatin, heterokromatin, har tendens til ikke at blive udtrykt, hvor åbent kromatin, eukromatin, bliver udtrykt. Ø 19
DNA-METHYLERING
DNA-methylering er en tilføjelse af den kemiske gruppe methyl hovedsageligt til basen cytosin (C). Methyl-gruppen bliver placeret i ”major groove” af DNA, og derved tilføjer methyleringen information til DNA’et, som ikke er indkodet i selve DNA-basesekvensen. I pattedyr forekommer DNA-methylering oftest de steder i DNA-basesekvensen, hvor C efterfølges af guanin (G), de såkaldte 5’-C-phosphat-G-3’ (CpG) sites. De regioner af genomet, som har en høj forekomst af CpG’-sites kaldes CpG-øer. Disse øer findes i promoter-regionen af 76% af de menneskelige gener, og de er oftest umethylerede. En lille del af CpG-øerne bliver methyleret under fosterudviklingen, hvilket gør den associerede promoter stabilt undertrykt. Denne methylering af CpG-øer er involveret i genomisk imprinting og X-kromosom inaktivering.
HISTONMODIFIKATIONER
Der findes forskellige former for histon-modifikationer. Modifikationerne sker på N-terminus af histonerne, som danner en hale-lignende struktur og derfor kaldes histon-haler. Disse haler peger væk fra nukleosomet og er tilgængelige for forskellige modificerende enzymer, som katalyserer tilføjelse eller fjernelse af bestemte kemiske grupper, herunder acetyl og methyl. Acetylering af histon-halerne åbner kromatinstrukturen og øger derved gentransskriptionen, hvor methylering af histon-halerne kondenserer kromatinet og sænker gentransskriptionen.
NON-KODENDE RNA
Non-kodende RNA (ncRNA) er segmenter af et RNA molekyle, som ikke translateres til et protein, men i stedet virker ved at modulere syntesen og funktionen af proteiner. Alle RNA’er, som ikke koder for proteiner, går under den generelle betegnelse ncRNA. De kan posttransskriptionelt være med til at regulere splicing, lokalisering, stabilitet og translation af mRNA. NcRNA kategoriseres bredt i lange ncRNA (over 200 nukleotider i længde) og små ncRNA. De små ncRNA opdeles i undergrupper baseret på deres størrelse, biogenese, virkningsmekanisme og proteinerne, de forbindes med.
EPIGENETISKE READERS
”Reader”-proteiner kan klassificeres bredt i fire grupper: v kromatin arkitektoniske proteiner kan binde til nukleosomer og inducere kromatin kondensering eller skærme for proteiner involveret i RNA transskription v kromatin remodellering enzymer fremmer en mere åben kromatin-struktur v kromatin modifikatorer rekrutterer sekundære kromatin modifikatorer (til fx methylering og deacetylering) vadapter proteiner rekrutterer faktorer koblet til DNA metabolisme processer 20
Hjerneblod l
6/2016
Epigenetiske regulatorer er inddelt i forskellige grupper baseret på deres funktion. ”Writers” som DNA methyl-transferaser, histon methyltransferaser eller histon acetyltransferaser katalyserer tilføjelsen af kemiske grupper til enten DNA’et eller på histon-halerne.
”Erasers” som histon deacetylaser og histon demethylaser kan ændre genekspression ved at fjerne de epigenetiske markeringer. ”Readers” genkender epigenetiske markeringer og kan rekrutteres til specifikke steder på histoner eller nukleotider. Ø
PAKNING AF DNA
I en celle er DNA molekylerne omhyggeligt pakket sammen i kromosomer. DNA moleklet vikles i første omgang omkring en gruppe af proteiner kaldet histoner, og tilsammen dannes et kompleks kaldet nucleosomer. Når cellens DNA er pakket omrking histoner, er det på en meget komdenseret form kaldet kromatin. Denne pakning af DNA gør, at det er muligt at have ca 2. meter DNA inde i en enkelt cellekerne. 21
Nogle epigenetiske mekanismer skal (oftest) foregå, før der kan ske normal udvikling hos et foster. Et eksempel på dette er X-kromosom-inaktivering hos hunkøn. Kvinder har (oftest) to X-kromosomer, hvoraf det ene skal inaktiveres fuldstændigt, for at der kan ske normal udvikling. Det er det ncRNA, der er kendt som X-inactive specific transcript (Xist), som medierer inaktiveringen af det ene af de to X-kromosomer. Det inaktiverede X-kromosom er dækket af Xist-
RNA. Det aktive X-kromosom i en celle, om det så er det maternelle (fra moderen) eller det paternelle (fra faderen) kan nedarves over cellegenerationer og være med til at skabe en mosaik af celler med enten maternelt eller paternelt aktivt X-kromosom. Denne mosaik kan tydeligt ses hos katte med tortoiseshell-pelsfarve, hvor den ene farve (udover hvid) kommer fra det maternelle X-kromosom og den anden farve (igen udover hvid) kommer fra det paternelle X-kromosom. Hvilken mad vi, vores forældre eller vores bedsteforældre har indtaget, spiller også en rolle ift. epigenetiske mekanismer. Et af de tydeligste eksempler på, at den føde, der bliver indtaget tidligt i udviklingen, har indflydelse på ens fremtidige fænotype, kan ses hos honningbier. De honningbier, som bliver fodret med dronningegele tidligt i deres udvikling, vil blive til en reproduktiv dronning frem for en steril arbejder. Men det er ikke kun hvilken næring man indtager, men også i hvor stor grad og hvornår i livet, det sker. Den hollandske sultperiode (dutch hunger winter), den store kinesiske hungersnød (great chinese famine) og undersøgelser baseret på kohorter fra Överkalix i Sverige er gode eksempler på dette, hvor det har vist sig, at både sult og overflod af mad på bestemte tidspunkter i livet, kan have konsekvenser for ikke bare ens egen, men også både børns og børnebørns fænotyper ift. sygdomme og levealder.
22
Hjerneblod l
6/2016
Og ikke nok med at den mad, man selv, ens forældre eller ens bedsteforældre har indtaget, kan have indflydelse på ens fænotype, så kan opvæksten også spille ind. Fx er det blevet vist hos rotter, at deres adfærd ved udsættelse for mildt stressende situationer kunne korreleres med, om deres mor havde nusset og passet dem som små. De rotter, som var blevet passet af deres mor som små, reagerede ikke nær så voldsomt på situationerne som de rotter, hvis mor ikke havde passet dem. Men hvad kan man så bruge denne viden om epigenetik til? Tjo, man kunne, hvis man manglede motivation til at spise sundere, have med i baghovedet, at det ikke bare er en selv, der ”bliver hvad man spiser”, men at ens børn og børnebørn også bliver det… Derudover kunne det bruges til både at detektere og behandle forskellige sygdomme, fx forskellige typer cancer. Cancerceller udviser normalt global DNA hypometylering,
hypermethylering af specifikke CpG sites og globalt afvigende histon-modifikationer. Også bestemte ncRNA kan spille en rolle, da de kan være med til at regulere (proto-)onkogener og tumorsuppressorgener. Hvis man ved, hvilke epigenetiske markører, man skal kigge efter, kan man både detektere og specificere, hvilken cancer, der er tale om, men man kan også behandle med lægemidler, som virker ved epigenetisk regulering. Der kan også findes afvigende methyleringsmønstre i præcancer-celler, hvilket kan have betydning for, hvor tidligt i (hvis ikke før) et sygdomsforløb canceren kan opdages og behandles. Der er dog diskussion omkring, hvorvidt epigenetiske ændringer i cancervæv er en konsekvens af et øget antal mutationer, eller om det er de epigenetiske ændringer, som er skyld i canceren som følge af global hypomethylering, da dette kan øge hastigheden, hvorved mutationer sker. o
Helle Olesen 25 år Blev færdiguddannet klinisk farmaceut i sommeren 2016
23