Читать книгу Więcej niż DNA - Bill Sullivan - Страница 7

Wyobraź sobie swoją własną kopię stworzoną tak jak owca Dolly. Twoje DNA wprowadzono do jajeczka, z którego wcześniej usunięto jego własne, po czym tę komórkę jajową wszczepiono surogatce. Po czterdziestu tygodniach urodzi się dziecko, które będzie wyglądało jak ty zaraz po przyjściu na świat. Będzie rosło i na każdym etapie, wypisz, wymaluj, przypominało ciebie. I pytanie za milion dolarów: jak bardzo twój klon będzie się zachowywał tak samo jak ty?

Wprawdzie sekwencjonowanie ludzkiego genomu było wielkim krokiem w kierunku zrozumienia, jak działamy, ale wciąż dysponujemy tylko szkicem do portretu nas samych. Sekwencji DNA nie czyta się jak zwykłą powieść. Raczej jak książkę, której czytelnik, wybierając narrację, kieruje tokiem akcji. Nasze DNA zawiera bowiem wiele potencjalnych wersji nas samych. Odbicie w lustrze jest tylko jedną z nich wykreowaną przez wiele niepowtarzalnych zdarzeń, do których dochodziło już po zapłodnieniu.

To otoczenie decyduje, która wersja DNA będzie właściwa. Gdybym urodził się pięćdziesiąt tysięcy lat temu, przypuszczalnie nie pożyłbym długo. Nie dlatego, że brzydzę się biwakowaniem czy ledwie starcza mi siły do rozerwania paczki czipsów, ale z powodu krótkowzroczności byłbym lichym łowcą-zbieraczem, za to łatwym łupem dla lwów, tygrysów i niedźwiedzi. Selekcja naturalna przez eony wykluczała źle widzących z puli genowej. Wynalezienie szkieł korekcyjnych sprawiło, że tacy jak ja wrócili do gry.

Środowisko może wywierać bezpośredni wpływ na wierność odtwarzania genów. Losowe mutacje się zdarzają, na przykład wskutek smażenia się na słońcu lub wpadnięcia do pojemnika z odpadami radioaktywnymi. Promieniowanie i niektóre związki chemiczne są mutagenami, uszkadzają bowiem DNA, co często kończy się komórkowym zamętem: nowotworem. Liczba potencjalnych mutagenów idzie w zawody z liczbą sprzedanych płyt Taylor Swift. Do najpowszechniejszych należą: promieniowanie ultrafioletowe, tytoń, alkohol, azbest, węgiel, spaliny, zanieczyszczenia powietrza i przetworzona żywność. Stopień narażenia w połączeniu z genetycznymi predyspozycjami określa rozmiar uszkodzenia DNA, do jakiego może dojść w komórkach.

Środowisko czytelnie potrafi zmienić działanie genu lub genów, ale to niejedyny sposób wpływania na ich czynności. Żeby lepiej zrozumieć to, o czym będzie dalej, wyobraźmy sobie, że geny są klawiszami fortepianu. Efektem ich przypadkowego naciskania będzie muzyka nadająca się do filmu grozy. Dopiero uderzanie w klawisze w odpowiedniej kolejności stworzy piękną melodię. Podobnie z genami – skutkiem aktywowania wszystkich jednocześnie będzie aparycja Freddy'ego Krugera z Koszmaru z ulicy Wiązów.

Każda komórka naszego ciała zawiera wspomniane wcześniej ponad dwadzieścia jeden tysięcy genów (zob. s. 19). To dlaczego jedna staje się neuronem, a inna mięśniem pośladkowym? Otóż w komórkach mózgowych włączone są (nazywa się to ekspresją) tylko geny odpowiedzialne za powstawanie konkretnych komórek. W DNA komórek mózgowych nadal znajdują się geny kodujące powstawanie pośladków, ale nie zostały włączone. O ekspresji genu decydują między innymi białka zwane czynnikami transkrypcji. Wiążą się z regionem DNA zwanym promotorem (leży tuż przed początkiem genu), inicjując transkrypcję (czyli odczytywanie informacji o strukturze i rodzaju białek – przyp. tłum.). Z grubsza rzecz ujmując, to owe białkowe czynniki transkrypcyjne decydują o włączeniu lub nie genu, aktywują lub wyciszają jego ekspresję. Ludzki zarodek składa się z komórek macierzystych, z których może powstać dowolna komórka ciała. O tym, jaka, w znacznej mierze decydują czynniki transkrypcyjne. Za powstanie komórek mózgowych odpowiada obecność czynników transkrypcyjnych aktywujących geny mózgowe, za wykształcenie pośladków – geny kodujące komórki budujące tę część ciała.

Aktywność czynników transkrypcyjnych uzależniona jest od wielu rzeczy, na przykład hormonów. Wytwarzane przez układ dokrewny kontrolują między innymi wzrost, popęd płciowy, nastrój czy metabolizm. Wiele substancji w naszym otoczeniu zaburza działanie układu. To związki endokrynnie czynne, które naśladują działanie hormonów i tym samym zakłócają ekspresję genów. Konsekwencją mogą być wady rozwojowe, zaburzenia rozrodu, neurologiczne i immunologiczne. Wśród substancji endokrynnie aktywnych są między innymi pewne leki, niektóre pestycydy i bisfenol A (BPA) używany do produkcji tworzyw sztucznych. Podobnie jak w przypadku mutagenów ilość szkodliwych substancji przekłada się na to, czy i w jakim stopniu zaburzona zostanie aktywność genów. Dotąd nie rozstrzygnięto kwestii: za dużo, to znaczy ile? A to ważne, ponieważ związki endokrynnie czynne znajdują się we wszystkim (nie wyłączając przedmiotów używanych przez ciężarne, karmiące piersią oraz dzieci). Co więcej, substancje te mogą oddziaływać na kolejne pokolenia – w 2018 roku opublikowano dane, wskazujące że u wnuków matki narażonej na dietylostylbestrol występowało podwyższone ryzyko pojawienia się zespołu nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD).

W regulowaniu aktywności genów najważniejsza rola przypada czynnikom transkrypcyjnym, które jednak nie działają w odosobnieniu. Dokładniejsze badania ujawniły, że DNA nie jest jednolitą cząsteczką. Niektóre fragmenty są mocniej skręcone i zwarte, inne przeciwnie. Geny w ciasno upakowanych odcinkach nie poddają się tak łatwo ekspresji jak we fragmentach mniej skręconych i luźniejszych. Komórki potrafią sterować dostępem czynników transkrypcyjnych do genów DNA. Po pierwsze za pomocą metylacji, która polega na dołączeniu grup metylowych (–CH₃) do tworzących gen nukleotydów. Umieszczone w różnych fragmentach genu (tam gdzie znajduje się adenina lub cytozyna – przyp. tłum.) utrudniają jego rozpoznanie, podobnie jak wymazanie części liter w zdaniach utrudnia zrozumienie tekstu. Metylacja przesuwa gen do grupy „wyłączone", wycisza go. Drugi sposób angażuje białka zwane histonami. Tworzą „szpulki" mocno opasywane helisą DNA. Histony podlegają rozmaitym chemicznym modyfikacjom, które wpływają na ekspresję związanego z nimi genu. Oba opisane sposoby wraz z czynnikami transkrypcji zapewniają genom ogromną elastyczność ekspresji. Dzięki temu mogą się precyzyjnie dostrajać, zamiast pozostawać włączone bądź wyłączone. Trafniej byłoby porównywać ekspresję genów do włącznika światła ze ściemniaczem niż do zwykłego dwupołożeniowego.

Procesy wpływające na ekspresję genów bez zmiany sekwencji DNA nazwano epigenetycznymi, czyli pozagenowymi. Modyfikacje epigenetyczne (zwane też śladami epigenetycznymi) to swego rodzaju środowiskowe przesłania, które nie tylko zmieniają działanie genów, ale także decydują o potencjalnym przekazaniu nowego trybu działania dzieciom i wnukom. Zgodnie z tezą sławnego botanika Luthera Burbanka: „Dziedziczność to tylko zmagazynowane środowisko". Substancje fizyczne znajdujące się w naszym otoczeniu (środowisku) powodują zmiany w DNA, które pociągają za sobą zmiany w zestawie genów organizmu podlegających ekspresji. Bywa to wielką zaletą i dla rodziców, i dla potomstwa, gdyż prędkie zmiany w ekspresji genów umożliwiają szybką adaptację do warunków środowiskowych.

Zmiany epigenetyczne wymuszające ekspresję są także wynikiem pewnych zachowań, między innymi wykorzystywania dzieci, tyranizowania, uzależnień czy stresu. Zło potrafi odcisnąć piętno na DNA, w szczególnych okolicznościach trwale i dziedzicznie. W następnych rozdziałach podamy kilka przykładów. Tu, do zilustrowania znaczenia mechanizmów epigenetycznych dla naszych zachowań, ograniczymy się do jednego. Istnieje dowiedziona zależność między miejscem w hierarchii socjoekonomicznej a zachorowalnością w dorosłości: dzieciństwo w biedzie nasila zachorowalność w dorosłym życiu. Może tak być z wielu przyczyn środowiskowych, ale nie wolno bagatelizować roli niektórych różnic występujących na starcie. Z badania wykonanego w 2012 roku przez genetyka Moshego Szyfa z kanadyjskiego Uniwersytetu McGilla wynika, że u dorosłych cierpiących w dzieciństwie z powodu ubóstwa metylacji podlegają inne grupy genów niż u osób, które rozwijały się i dorastały w dostatku. Podobne różnice w metylacji DNA odnotowano u potomstwa małp stojących nisko i wysoko w hierarchii stada.

Te i inne badania, o których jeszcze będzie mowa, sugerują, że nasze DNA wcześnie jest obarczane śladami epigenetycznymi: w dzieciństwie, a nawet jeszcze wcześniej – w macicy (w tym ostatnim przypadku mamy do czynienia z tak zwanym programowaniem wewnątrzmacicznym). Czy to możliwe, że rodzimy się zaprogramowani do zachowań wynikających z usytuowania naszych genów na drabinie społecznej? Czy inną metylacją genów u zabiedzonych dzieci można tłumaczyć późniejsze problemy zdrowotne i behawioralne? Zamknięcie przyszłych rodzin w okrutnym, zaklętym kręgu? Dotąd nie znamy odpowiedzi na te prowokacyjne pytania, ale wyniki przeprowadzanych badań sugerują, że ubogie dzieci cierpią najpierw z powodów społecznych, a później wskutek konsekwencji biologicznych niedostatku w dzieciństwie.

Na nasze zachowania potrafią także oddziaływać ślady epigenetyczne utrwalane w białku histonów na początkowych etapach życia. Mogą nawet decydować o karierze, zwłaszcza gdybyśmy byli mrówkami w laboratorium biolożki Shelley Berger na Uniwersytecie Pensylwanii. Owadom tworzącym kolonię przypadają w udziale konkretne funkcje. Większe i ważniejsze mrówki to żołnierze broniący zbiorowości, mniejsze i stojące niżej w hierarchii to robotnice zaopatrujące kolonię w pokarm. Można by pomyśleć, że dzięki jakimś ekspertom większe zaciągnęły się do mrówczej armii, a mniejsze nauczyły gromadzenia odpadków. Tak to jednak się nie dzieje.

Ponieważ takich zachowań owady się nie nauczyły, Berger z zespołem założyła hipotetycznie istnienie mechanizmu epigenetycznego decydującego o losie mrówek. By to sprawdzić, uczeni wstrzyknęli mrówczym oseskom substancję modyfikującą białka histonowe współdziałające z DNA. Pierwszą niespodzianką była możliwość wstrzyknięcia czegoś do mikroskopijnych mózgów. Drugą okazało się przeprogramowanie zachowań mrówek przez modyfikację histonów. Żołnierze stali się robotnicami, a dotychczasowe robotnice pod wpływem leku jeszcze skrzętniej gromadziły zapasy. Innymi słowy epigenetyczny lek odmieniał los mrówek żołnierzy bez ingerencji w geny.

Epigenetyka zwraca uwagę na istnienie subtelnych interakcji genów ze środowiskiem, a jednocześnie tłumaczy, dlaczego posiadane geny nie muszą być przeznaczeniem. Wprawdzie nie mamy nic do powiedzenia w sprawie genów, z którymi przychodzimy na świat, możemy natomiast kształtować środowisko w sposób decydujący o ich ekspresji. Jak wytrawny pokerzysta wygrywać, blefując, bo w dłoni blotki.