Indholdsfortegnelse
Epigenetik
Abstract
This study looks into the subject of epigenetics. It contains an account for the epigenetic mechanisms altering the DNA, a detailed account for the chemical changes of the altered DNA, a chemically-oriented description of the source of the DNA changes and eventually an analysis and an assessment of the consequences of these changes. The study’s solely based on theory, since relevant laboratorial experiments are likely to take approximately ten to twenty years. The main processes of epigenetics include DNA methylation, four different types of histone modifications and RNA interference. Several studies done by foreign scientists show a correlation between damaging experiments during early brain development cause epigenetic changes with varying possible effects, among others longevity, obesity and/or cancer. Several hints indicate that epigenetics might be a possible cure for any mental health disorder, any disease, any illness, even cancer.
Indledning
Darwins evolutionsteori kombineret med moderne videnskab har lært os, at vores ansigtstræk, vores hårfarve, selv vores højde skyldes lange, avancerede kæder af bittesmå partikler kaldet atomer; DNA.
Det er opbygget af fire forskellige såkaldte nukleotider, som er atomare kæder, hvis eneste forskel er et enkelt ladet atom. DNA-strenge bindes sammen pga. ladningerne og kun sammenbundne koder de for generne. Forskellen på menneskers udseender ligger altså i, hvordan bittesmå partikler befinder sig i forhold til hinanden; fænotypen er et produkt af genotypen. Samtidig ved vi, at forskellige individer er født med forskellige tendenser til at tilegne sig bestemte egenskaber, hvori ordet talent har sine rødder. Ethvert individ har således sine unikke gener, som vedkommende kan videregive.
Menneskebørn er et produkt af befrugtning, dvs. sammensmeltningen af en sædcelle og en ægcelle. Sædcellen indeholder ét sæt kromosomer fra faderen, mens ægcellen indeholder et sæt kromosomer fra moderen. Således vil barnets arvemateriale være en kombination af faderens og moderens. Børns væremåde og personlighed er desuden et produkt af den genetiske arv og den sociale arv, hvor den sociale arv er påvirkninger efter fødslen. Det er således givet på forhånd, hvilke kombinationsmuligheder en nyfødt babys gener og en anden nyfødt babys gener, så hvis de skulle gå hen og få børn, ville man hypotetisk set kunne beregne alle kombinationsmuligheder på forhånd – problemet er bare, at vi ikke ved nok om genetik til at kunne forklare, hvordan ethvert lille molekyle vil påvirke et menneskes fænotype.
Men hvad nu, hvis man rent faktisk kunne modificere sine gener?
Der åbnes nu for et splinternyt og banebrydende kapitel i naturvidenskabens verden, epigenetik.
Epigenetik handler om, hvordan genaktivitet bliver reguleret inde i hver celle; hvilke gener er slået til, hvilke gener er slået fra, hvilke gener er nedtonet? Hvordan og hvornår sker alt det? Fx kan celler med identisk DNA have vidt forskelligt udseende og egenskaber. Det betyder, at to enæggede tvillinger kan være vidt forskellige, fordi visse af den ene tvillings gener er slået fra, mens nogle helt andre gener hos den anden er slået fra. Således kan to ’genetisk’ identiske tvillinger være vidt forskellige; den ene kan være skizofren, og den anden kan have en stærk naturlig resistens over for kræft, selvom hele deres slægt har tendens til kræft, og ikke en eneste er skizofren. Således adskiller de sig også fra resten af deres familie, selvom de ’genetisk’ set har meget til fælles. Epigenetiske modifikationerne er samtidig en forklaring på, hvorfor personer fra samme blodlinje kan have høj tendens til samme sygdomme på trods af, at intet genetisk tyder derpå. Sygdomme og lidelser som fx fedme, skizofreni, maniodepression, diabetes og kraft. Visse forskere taler om et paradigmeskift i forståelsen af årsager til sygdomme. Disse epigenetiske ændringer i generne sker som følge af individets livsstil og er bl.a. påvirket af faktorer som kost og stress.8,9
Metode
Det er udelukkende en teoretisk rapport, da relevante forsøg vil tage et sted mellem 10 og 20 år. Epigenetik har kun været kendt siden 1980’erne, hvilket for et biokemisk emne betyder, at det er spritnyt, og det er ensbetydende med, at der stort set ikke er skrevet bøger om det. Således er der ikke andre muligheder end at nøjes med internetbaserede kilder.
Epigenetik
Methylering af DNA er et fælles epigenetisk signaleringsværktøj i en bred vifte af prokaryoter og eukaryoter. I prokaryoter påvirker DNA-methylering bestemmelsen af DNA-værtsspecificitet, virulens, DNA-reparation, kromosomreplikation, segregering, cellecyklusregulering og genekspression. I højere eukaryoter påvirker DNA-methylering genregulation genregulering, chromatinstruktur, celledifferentiering, genetisk prægning, embryonisk udvikling, X-kromosominaktivering hos pattedyr, karcinogenese, komplekse sygdomme og aldring1,2.
Forskere har fundet fejl i methyleringen af DNA, som kan have katastrofale konsekvenser for os organismen, bl.a. forårsage adskillige menneskelige sygdomme som fx kræft.
En celles DNA-methyleringsmønster videreføres ved celledeling, idet datterceller naturligvis får samme methyleringsgrad som deres modercelle. Desuden er både lav og høj methyleringsgrad skadelig for kroppen. Hypermethyleret DNA er ude af stand til at transskribere, altså er genekspressionen undertrykt – hvilket naturligvis også gælder for antikræftgener. Celler med defekt DNA kan stadig foretage mitose og dermed sprede defekten. Hypomethyleret DNA er især farligt, fordi oncogener(gener med potentiale til at forårsage kræft) normalt er inaktiverede bl.a. pga. korrekt doseret DNA-methylering. Således er hypomethylering en årsag til kræft, hvilket hypermethylering også er, og det uddybes senere1,2,8.
DNA-methylering udgør sammen med histonkoden den genetiske kode, som modsat den genetiske kode er celleunik og ikke organismeunik. Den epigenetiske kode afgør den enkelte celles egenskaber, idet epigenetikken regulerer transskription og translation. Histonkoden udgøres af kombinationen af histonmodifikationer3.
Histoner er kromosomproteiner, der danner spoler, som DNA-strengene kan sno sig rundt om og derved danne nukleosomer, som er hovedkomponenten i chromatin.
Uden histonerne ville DNA-strengene fylder 40.000 gange så meget i længden, og de ville
derfor ikke kunne opbevares på et så minimalt område som en cellekerne (nucleus).
Overordnet set findes der fem typer histoner, H1, H2A, H2B, H3 og H4. De fire sidstnævnte findes i nukleosomets kerne, hvor DNA-strengene vikles rundt om dem, hvorimod den sidste, H1, binder sig til nukleosomet og holder DNA-strengene fast til histonkernen. Histonkernen er desuden opbygget af to dimerer bestående af H2A og H2B samt en tetramer bestående af H3 og H4. Således danner de til sammen den octamer, som DNA’ets dobbelthelixer snor sig omkring3,3.
Ud fra hvert kernehiston udgår en såkaldt N-terminal “hale” (N-terminus) bestående af aminosyrer, ligesom resten af histonet. Disse haler er modtagelige over for epigenetiske modificeringer som methylering, acetylering, fosforylering, ubiquitinering, SUMOylering, ADP-ribosylering og citrullinering, hvoraf de hyppigst forekomne og mest undersøgte er de fire førstnævnte. Men alt efter aminosyrerne på N-terminus kan histonerne blive påvirket forskelligt. Nedenstående er en tabel over forskellige aminosyrer med mulige modificeringer3.
Tabel 12
Aminosyre | Modifikation |
Lysin | Methylering, acetylering, ubiquitinering, SUMOylering, ADP-ribosylering |
Arginin | Methylering |
Serin | Fosforylering |
De forskellige histonmodifikationer anvendes i kroppen til forskellige biologiske processer som genregulation, DNA-reparering, kromosomkondens (mitose) og spermatogenese (meiose)3.
Epigenetiske ændringer i histonmodifikationerne kan, ligesom DNA-methylering, forårsage kræft3.
DNA-methylering
DNA-methylering er en biokemisk proces, hvor en methylgruppe tilføjes til 5-positionen på cytosinpyrimidinringen eller til det 6. nitrogenatom på adeninpurinringen3.
Illustrationer x og z viser cytosin hhv. umethyleret og methyleret. Forklaringen på, hvorfor netop det carbonatom er 5-positionen ligger i, at cytosins hovedstruktur er en pyrimidinring, og dens 1- og 3-positioner er optaget af nitrogenatomer (se illustration a). Uanset hvilket nitrogenatom, man nummerer efter, vil 5-positionen være netop det carbonatom.
Adenins kemiske struktur er for opgaven ligegyldig, idet methyleringen af denne kun forekommer hos prokaryoter.
DNA-methylering i pattedyr
DNA-methylering i eukaryoter forekommer på det femte carbonatom i cytosinbasen i CpG-dinukleotider. Et sådant methyleret DNA vil derfor indeholde stoffet 5-methylcytosin (5-mC), altså methyleret cytosin. Cirka 70 % til 80 % af CpG-dinukleotider er methyleret i somatiske celler. Dog har man fundet 5-methylcytosin i CpA-, CpT- og CpC-DNA-sekvenser i genomisk DNA fra embryoniske musestamceller. Man mener, at 5-methylcytosin i CpA-DNA-sekvenser regulerer enhancers i musehjernen2,3.
Nyligt har man opdaget en variant af 5-methylcytosin, nemlig 5-hydroxymethylcytosin(5-hmC). Den modificerede base er blevet fundet i både embryoniske musestamceller og visse neuroner. Forskere har givet forskellige bud på dens rolle, fx at den kan være involveret i demethylering, eller at den måske kan påvirke chromatinstruktur og lokal transskriptionsaktivitet ved enten at rekruttere selektive 5-hydroxymethylcytosin-bindende proteiner eller ved at ekskludere proteiner, som specifikt binder til 5-methylcytosin og forhindrer transskription(repressorer), altså 5-methylcytosin-bindende proteiner, eller “MBD-proteiner” (methyl-CpG-bindingsdomæne)2.
Tabel 22
Methyleret base | Organisme | DNA-methyleringssekvens |
C5-methylcytosin | Bakterier | Varierer (fx CCAGG, CCTGG) |
Nogle insekter, nogle svampe, pattedyr | CpG, CpHpG, CpHpH | |
Planter | CpG, CpHpG, CpHpH | |
C5-hydroxymethylcytosin | Bakteriofager | Varierer (fx CCGG, GATC); nogle indeholder kun modificeret cytosin |
Pattedyr | CpG, CpHpG, CpHpH | |
N4-methylcytosin | Bakterier | Varierer (fx CTCTTC, CCCGGG) |
N6-methyladenin | Arkæer, bakterier, bakteriofager, nogle svampe, planter, protister | Varierer (fx GATC, GANTC, GAAGAG) |
Ovenstående tabel viser, hvordan DNA-methylering foregår i forskellige organismer. Det fremgår af tabellen, at ikke blot methyleringen af cytosin er forskellig, men også cytosinbasens omgivelser – for ikke at nævne N6-methyladenin, som slet intet har at gøre med cytosin.
Hvordan bliver generne methyleret?
DNA-methylering katalyseres af enzymet DNA-methyltransferase (DNMT). Hvis den ændrede cytosinbase er del af et CpG site(ikke at forveksle med CpG-dinukleotider), vil DNA-methyltransferase methylere de resterende cytosinbaser i sitet, og netop CpG sites er nøglen til videregives af cellers unikke methyleringsmønster til datterceller ved DNA-replikation, hvilket er nødvendigt for, at kroppen fungerer, som den skal. CpG sites er navnet på et område på en DNA-streng, hvor et cytosinnukleotid og et guaninnukleotid er forbundet direkte af en fosfordiesterbinding.
Illustration b viser, hvordan methylering af CpG sites videregives1,3.
Ved DNA-replikation overføres kun halvdelen af methyleringen til hver replikation. DNA-methyltransferase kan kun methylere cytosinnukleobaser i samme CpG site som en methyleret cytosinnukleobase. Således bliver det oprindelige methyleringsmønster beholdt15.
Baseret på denne viden alene må man deducere, at kun methylering af CpG sites kan kopieres, men det er ikke rigtigt; non-CpG-DNA-methylering videregives også, men hvordan dette fungerer vides endnu ikke med sikkerhed. Man ved blot, at det foregår, og at netop non-CpG-DNA-methylering er prevalent4 i embryoniske stamceller; mere præcist viser undersøgelser udført af et engelsk forskerteam, at embryoniske stamceller har et højt indhold af methylering af CpA sites og faktisk også et anseeligt indhold af CpT-methylering3,15.
Der findes to grundlæggende former for DNA-methyltransferase; de novo DNA-methyltransferase og “maintenance DNA-methyltransferase”. Den førstnævnte sørger for, at de forskellige celler har den epigenetiske indstilling, der hører dem til. Den sidstnævnte form sørger for, at den epigenetiske indstilling overføres til datterceller. Så langt som forskningen i epigenetik er nået, er det meget uklart, hvordan de novo DNA-methyltransferase bliver dirigeret til netop de sites, hvis methylering er deres rolle, ligesom det også er en smule uklart, hvordan demethylering helt præcist fungerer. Forskning har dog vist, at et vist antal DNMT-enzymer er en del af såkaldte kromatinremodelleringskomplekser som afsluttere af remodelleringsprocessen ved at udføre DNA-methylering. Desuden lader det til, at fraspaltning af aminogrupper af enzymet DNA-deaminase leder til DNA-demethylering. Deaminering ændrer DNA’ets struktur så meget, at en reparation igangsættes, hvilket også fjerner methylgruppen. Altså demethylerer DNA-deaminase indirekte DNA. Desuden viser undersøgelser, at visse former for DNA-methyltransferase ikke kun methylerer DNA, men også deaminerer det1,3.
Histonmodifikationer
Arginin er en aminosyre, hvis sidekædes systematiske navn er amino(propylamino)methaniminium, idet der er tre carbonatomer bundet til nitrogen, hvor det carbonatom længst væk fra nitrogenatomet har en fri binding, dvs. at det er en propylaminokæde ( ). Desuden er den kæde bundet til et carbonatom dobbeltbundet til et nitrogenatom med tilhørende to hydrogenatomer, dvs. at nitrogenatomet har en positiv ladning på 1, altså er det en methaniminiumgruppe , og den er bundet til et nitrogenatom, dvs. en aminogruppe . En knap så systematisk men derimod langt mere praktisk navngivning er propylguanidium, idet en guanidiumgruppe er en ioniseret variant af guanidin, som har den kemiske formel (), dvs. et carbon bundet til tre nitrogenatomer, hvor den ene binding er en dobbeltbinding. Derfor findes der tre isomerer af arginin, hvor dobbeltbindings placering er forskellen (se illustration c)3.
Lysins opbygning er meget simpel; dens sidekæde er aminobutyl, , idet det er en carbonkæde på fire atomer bundet til en aminogruppe (et nitrogenaton), se illustration d3.
En endnu simplere aminosyre er serin, hvis sidekæde er en hydroxymethylgruppe, , se illustration y3.
Der følger desuden en vis navngivning med epigenetiske ændringer af histonerne. Man navngiver efter følgende regler3:
- Navnet på histonet (fx H4).
- Enkeltbogstavforkortelsen for aminosyren (fx K for lysin) og aminosyrens position i proteinet (fx 20).
- Modifikationstypen (fx Me for methyl, Ac for acetyl, P for fosfat og Ub for ubiquitin).
Nedenstående tabel viser eksempler på histonmodifikationer (transskriptionsreguleringsbaseret):
Tabel 33
Modificering | Histon | ||||||
H3K4 | H3K9 | H3K3 | H3K27 | H3K79 | H4K20 | H2BK5 | |
Monomethylering | Aktivering | Aktivering | Aktivering | Aktivering | Aktivering | Aktivering | |
Dimethylering | Undertrykkelse | Undertrykkelse | Aktivering | ||||
Trimethylering | Aktivering | Undertrykkelse | Undertrykkelse | Aktivering, undertrykkelse | Undertrykkelse | ||
Acetylering | Aktivering | Aktivering |
Tabellen viser en diversitet i de forskellige modificeringers påvirkninger af de forskellige histoner. Desuden fremgår det, at monomethylering og acetylering altid er genaktiverende, hvorimod effekten di- og trimethylering afhænger af histontypen.
Methylering
Begrebet histonmethylering indebærer en kovalent binding mellem methylgrupper og histonet, mere præcist på sidekæderne af nitrogenatomer på lysin og arginin3,6.
Lysin kan enten mono-, di- eller trimethyleres, og methylgruppen binder sig kovalent til sidekædens nitrogenatom, hvorimod arginin kun kan mono- eller dimethyleres. Desuden findes der to isomerer af dimethylarginin, en symmetrisk og en asymmetrisk. Ved methylering af lysin sker desuden en fraspaltning af hydroxygruppens hydrogenatom, som derefter binder sig til hovedaminogruppen, hvilket giver ioniserer både carboxyl- og aminogruppen (se illustration z af (mono-)methyllysin)6, se illustration e.
Methyleringen bliver desuden udført af enzymet histonmethyltransferase (HMT). Videnskaben har endnu ikke kunnet bevise, om den samme type HMT både kan foretage mono-, di- og trimethylering6.
Histonmethylering hæmmer, ligesom DNA-methylering, transskription6.
Acetylering
Acetylering neutraliserer det positivt ladede lysin på N-terminus, hvilket mindsker histonets affinitet for DNA, eftersom de negativt ladede fosfatgrupper i DNA ikke længere tiltrækker histonet lige så kraftigt. Den formindskede affinitet forlænger afstanden mellem histonhalen og nukleosomet, hvilket giver nukleosomet bedre adgang til transskriptionsfaktorer, dvs. proteiner nødvendige for transskription. Acetyleringsprocessen katalyseres af enzymet histonacetyltransferase (HAT). Det sker ved, at HAT overfører en acetylgruppe fra stoffet acetylcoenzym A; således dannes acetyllysin(se illustration f). Deacetylering sker desuden via enzymet histondeacetylase (HDAC). Jf. illustration x til højre binder acetylgrupper sig til samme atom, som methylgrupper gør i methylering5.
Fosforylering
Bindingen af en fosfatgruppe til serin på histonets N-terminus refereres til som fosforylering. Det leder til genaktivering og er endda en nødvendighed for aktivering af visse gener. Desuden kan fosforylering af serin fremme acetylering og hæmme methylering af lysin; hvilket i de fleste tilfælde vil sige, at histonfosforyleringenzymer fungerer som agonister for transskriptionsprocessen6.
Ubiquitinering
Ubiquitinering er tilføjelsen af stoffet ubiquitin, som blev opdaget for kun 28 år siden, og dets funktioner er derfor stadig lidt uklare. Det er et protein bestående af 76 aminosyrer, og det er involveret i bl.a. proteindegradering, stressrespons, cellecyklusregulering, proteintrafikering, endocytosesignalering og transskriptionregulering. I forbindelse med histoner taler man enten om mono- eller polyubiquitinering. Moderne forskning har påvist, at det sidstnævnte ofte forårsager proteindegradering, mens effekten af monoubiquitinering endnu er tåget; undersøgelser peger dog på, at både ubiquitinering og deubiquitinering leder til genaktivering, og at deres effekter sandsynligvis bliver medieret gennem histonmethylering. Enzymerne involveret er hhv. E1, E2 samt E3 og isopeptidaser til hhv. tilføjelse og fjernelse7.
Epigenetisk sammenhæng mellem DNA og histoner
Cellers DNA-methyleringsmønstre er forholdsvis stabile i somatiske celler, hvorimod deres histonmethyleringsmønstre kan ændre sig absolut og pludseligt under en celles cyklus. På trods af denne forskel indikerer adskillige undersøgelser, at der i visse tilfælde er en forbindelse mellem DNA- og histonmethylering, bl.a. at de arbejder sammen under DNA-replikation for at sikre, at methyleringsmønstret bliver korrekt overført til datterceller. En anden sammenhæng mellem hhv. DNA’ets og histonets epigenetiske indstilling er, at proteiner, som binder sig til methyleret DNA, også danner komplekser med de proteiner, som er med til at deacetylere histoner. Det betyder, at DNA-methylering medfører histondeacetylering, hvilket er lig med begrænsning af transskription, altså kan DNA-methylering pludselig beskrives som en kombineret transskriptionsinhibitorisk reaktion. På samme måde tiltrækker demethyleret DNA ikke deacetyleringsenzymer (histondeacetylase, HDAC), hvilket resulterer i, at histonerne forbliver acetylerede1.
RNA-interferens
RNA-interferens (RNAi) er en epigenetisk, intracellulær mekanisme, som kontrollerer genekspression. Hvis et gen ikke ønskes aktivt, vil RNAi sørge for at nedbryde mRNA bærende det gen. Mere nøjagtigt bliver RNAi aktiveret af dobbeltstrenget RNA (dsRNA), som naturligt dannes ved bestemte patogeninfektioner og som følge af transposoner. Med andre ord er RNAi en del af immunforsvaret. dsRNA identificeres af RNAi vha. enzymerne dicer og Argonaut, hvorefter det kløves i ca. 22 stykker. Derefter benyttes dsRNA-fragmenterne til at opspore og eliminere mRNA komplementære til det nedbrudte dsRNA ved at inkorporere fragmenterne i proteinpartikler indeholdende siRNA, som binder sig til mRNA vha. baseparring og inaktiverer det – eller ved kløvning vha. eventuelle tilknyttede dicer-enzymer3,11,12,14.
dsRNA-molekyler kan syntetiseres præcist og således bruges til at inaktivere udvalgte (komplementære) RNA-molekyler i kroppen via RNAi og således umuliggøre translation. Den praktisk omvendte proces er også mulig; promoterkomplementær RNAi kan fremme transskription, hvilket kaldes RNA-aktivering. Man mener, at det muligvis sker via histondemethylering (HDMT)11,12,14.
Det er desuden RNAi, der kontrollerer DNA-methylering og histonmodifikationer3.
Årsager til og konsekvenser af epigenetiske ændringer
Museforsøg udført af professor Michael Meaney fra McGill University i Canada og hans kolleger viser, at tidligt omsorgssvigt gør mus mere frygtsomme som voksne, og mere vigtigt; at methyleringsgraden af bestemte gener involveret i stressrespons. Undersøgelser af samme forskerhold omhandlende selvmordsofres epigenetiske kode i forhold til almindelige menneskers viste ligeledes klare epigenetiske forskellige. Forsøgene indikerer først og fremmest, at skadelige erfaringer under tidlig hjerneudvikling kan påvirke cellers epigenetiske kode og dermed genekspression. Men samtidig tegner det til, at sådanne “livsvarige” skader kan reverseres8.
En anden canadisk undersøgelse om 35 skizofrenilidende personer har desuden vist en sammenhæng mellem psykiske lidelser og usædvanlig epigenetisk indstilling. De havde mange epigenetiske træk til fælles; cirka 40 gener. Adskillige af dem var relateret til neurotransmitterstoffer, hjerneudvikling og andre skizofrenirelaterede processer8.
“Det tyder på, at det er muligt, at medfødte epigenetiske anormaliteter bidrager til skizofreni og maniodepressions familiære natur,” udtaler doktor Jonathan Mill fra Institute of Psychiatry på King’s College London i 2008 om den canadiske undersøgelse8, og han har en rigtig god pointe. Desuden udførte den selv samme Jonathan Mill i 2011 en undersøgelse af skizofreni og maniodepression baseret på 22 genetisk identiske tvillinger, hvis konklusion var, at hypermethylering leder til skizofreni, mens hypomethylering leder til maniodepression9.
Adskillige forsøg med rotter har vist, at kost kan forårsage arvelige, epigenetiske ændringer; bl.a. indtagelsen af vinclozolin & kokain, hvilke medførte hhv. forøget risiko for at udvikle kræft og nyredefekter & hukommelsesproblemer8.
Ifølge en undersøgelse af sammenhængen mellem mangel på føde og børnebørns levealder baseret på et isoleret samfund udført af Marcus Pembrey fra Institute of Child Health på University College London betyder manglen på føde i alderen 9-12 år en ændring af den epigenetiske kode i retning af et længere liv. Det er antageligt, at mændene, som selv havde oplevet mangel på føde, ikke nødvendigvis levede længere, men at den epigenetiske ændring var en overlevelsesmekanisme. Undersøgelsen viser blot, at deres børnebørn(også mænd) lever længere end deres jævnaldrende. Som andre undersøgelser også har indikeret, ser det ud til at være tilfældet, at man i løbet af sin tidlige udvikling er epigenetisk påvirkelig, dvs. at netop fordi mændene var så unge, da de oplevede hungersnøden, har den ændret deres epigenetiske kode permanent, og således kan de videregive den indstilling. Hvis de først havde oplevet hungersnød som 30-årige, ville deres epigenetiske indstilling næppe have ændret sig meget.
Undersøgelsen viste samtidig, at kvinder, som har manglet føde i deres graviditet, ligeledes har udviklet en epigenetisk indstilling, som giver deres børnebørn(også kvinder) længere levetid. Tilsvarende undersøgelser viser sammenhæng mellem fedme og fædres rygevaner samt kvinders hungersnød begge omkring fertiliseringen. Det er formentlig tilfældet, at vores handlinger og erfaringer forårsager konstante epigenetiske ændringer, men ved for drastiske ændringer eller små ændringer over lang tid, vil DNA-reparationer reversere ændringerne. Derfor vil den midlertidigt ændrede epigenetiske kode som funktion af handlinger og erfaringer op til befrugtningstidspunktet blive videregivet til afkommet8.
Det er derfor ikke så underligt, at der på nuværende tidspunkt forskes der meget i sammenhængen mellem fejlagtig DNA-methylering og sygdomme samt udviklingsforstyrrelser, fx kræft, lupus erythematosus, muskelsvind og en række medfødte misdannelser, som umiddelbart er følger af defekt genetisk prægning. De færdige forskningsresultater vil være uvurderlige til behandling af sygdomme og udviklingsforstyrrelser1.
Kræft
Størstedelen af moderne DNA-methyleringsrelateret forskning handler om kraft og tumorsuppressorgener. Hypermethylering i celler umuliggør transskription, altså får man ikke-kodende DNA, hvilket naturligvis også omfatter tumorsuppressorgener. Uden et sådant gen er der intet til at hæmme celledeling, og cellen er således sårbar over for kræft. Det er derfor lidt pudsigt, at kræftcellers genomer ofte er hypomethyleret i forhold til almindelige cellers genomer. Særtilfælde med hypermethylering i almindelige celler findes under cellecyklusregulering, tumorcelleinvasion, DNA-reparation og andre molekylære processer, hvor genundertrykkelse udbreder metastase, dvs. spredning af sygdomme som kræft fra et organ/område til et andet ikke-nærtliggende organ/område. I tilfælde af kræft foregår det sådan, at en somatisk celle over længere tid er blevet genetisk fejlmodificeret og til sidst producerer en såkaldt kræftstamcelle, altså en celle med et højt indhold af oncogener, i besiddelse af en malign(ondartet) fænotype. Den type celle besidder grundet manglen på tumorsuppressorgener evnen til at udføre ukontrolleret mitose, hvilket mangedobler antallet af kræftceller i det område, og når antallet er steget til at være klinisk målbart, kalder man det en primær tumor. Nogle kræftceller kan penetrere væv og vil derfor nå hen til nærtliggende områder og vil efterhånden danne en ny tumor, en lokal metastase. Men visse kræftceller kan penetrere lymfekar og/eller blodårer, hvilket giver dem adgang til blodbanen og dermed til andre områder og væv i kroppen. Således kan der dannes kræftsvulster distanceret fra den oprindelige tumor. Sådanne kræftsvulster kaldes metastatiske tumorer eller sekundære tumorer. Desuden hedder lymfekar- og blodårepenetrerende kræftceller cirkulerende tumorceller (CTC), og processen benævnes lymfatisk eller hæmatogen spredning. Metastasen sker først sent i kræftcyklussen, dvs. efter den primære tumor er ekspanderet anseeligt1,3.
Ovenstående illustrationer viser et repræsentativt stykke genomisk DNA i en normal menneskecelle.
På illustration g er et hypermethyleret heterokromatin vist, mere præcist et tangem repeat-rigt, hypermethyleret pericentromerisk heterokromatin. Kromatinet bliver demethyleret, altså bliver et højt antal methylgrupper fraspaltet, ledende til en kraftigt ioniseret DNA-sekvens. Således vil atomer og molekyler bindes til den ioniserede DNA-sekvens. Selvom størstedelen af bindingerne bliver til hydroner, som et sundt DNA-molekyles skal være, bliver et pænt antal bindinger alligevel til andre stoffer – for ikke at nævne muligheden for remethylering og dermed demethylering igen. Altså er der blevet skabt en genomisk ustabilitet, hvilket er kendetegnet ved tumorceller1.
På illustration h ses en CpG island(forklaring findes nedenfor), som er hypomethyleret, hvilket er kendetegnet ved transskriptionsdygtige celler. I dette scenarium bliver den umethylerede CpG island methyleret, hvilket som før nævnt umuliggør transskription, og det vil bl.a. sige, at tumorsuppressorgener heller ikke kan transskriberes, og dermed opstår kræft1.
CpG islands er regioner på en DNA-sekvens, hvor flere CpG sites støder op til hinanden, dvs. at de også kan beskrives som værende CpGpCpGpCpGpCpG sites. I aktive celler er de såkaldte CpG islands ikke methyleret, mens de meget ofte er methyleret i inaktive celler. En del af forklaringen kan være, at CpG islands altid befinder sig ved eller tæt på genets transcription start site, hvilket indikerer, at CpG islands er relateret til transskription, altså er det sandsynligt, at en methylering af CpG islands vil umuliggøre transskription3,15.
Fremtiden
Epigenetikken har potentiale til at åbne splinternye veje i sundhedens navn. Meget tyder på, at enhver udviklingsforstyrrelse og psykisk tilstand har epigenetiske rødder, hvilket er lig med teoretisk mulig kurering – en hidtil umulighed. Således vil selvmord helt kunne undgås. Har man at gøre med en teoretisk mulighed, er det blot et spørgsmål om tid, før det bliver en praktisk realitet. Det ser også ud til, at bekæmpelsen af de fleste hvis ikke alle sygdomme og kropslige dysfunktionaliteter kan påvirkes ved aktivering af bestemte gener, og i særdeleshed moderne tids største patogene trussel mod menneskeheden, kræft, der jo ligefrem opstår som følge af epigenetiske anormaliteter. Tidligere nævnte undersøgelser viser, at epigenetiske faktorer kan påvirke både livslængde og stofskifte. Det er derfor en nærtliggende forestilling, at fremtidige epigenetiske behandlingsmetoder skulle kunne forlænge livslængden og forhøje stofskiftet hos mennesker.
Rent praktisk kunne man forestille sig, at RNA-interferens vil blive brugt til ovenstående nærmest mirakuløse, banebrydende behandlinger, idet man allerede har testet RNA-interferens adskillige gange på adskillige forskellige dyr; det virker. Behandlingen af kræft er teoretisk set temmelig simpel. Man behøver blot at sørge for, at menneskers celler har et højt indhold af aktiveret TSG, og at inaktivere de gener, der styrker tumorceller og celledeling – om end man selvfølgelig skal finde en naturlig balance i methylering af gener, som fremmer celledeling, for en komplet inaktivering af sådanne vil umuliggøre celledeling og dermed lede til dødsfald.
Konklusion
Såkaldte tilførte arvelige egenskaber er et resultat af en lang række epigenetiske processer, hvoraf de overkategoriserende er DNA-methylering, histonmethylering, histonacetylering, histonfosforylering, histonubiquitinering og RNA-interferens, og den sidstnævnte proces styrer de andre. Fænomenerne DNA-methylering og histonmethylering handler om tilføjelsen af en methylgruppe til hhv. nukleobasen cytosin eller enten aminosyren lysin eller aminosyren arginin begge bundet til histonets N-terminus. Histonacetylering er tilføjelsen af en acetylgruppe til aminosyren lysin, histonfosforylering er tilføjelsen af en fosfatgruppe til aminosyren serin, og histonubiquitinering er tilføjelsen af proteinet ubiquitin.
Det er påvist, at skadelige erfaringer fra tidlige udviklingsfaser påvirker den epigenetiske kode, fx hungersnød, hvilket forlænger livslængden. Det er også påvist, at forældres livsstil omkring befrugtningstidspunktet påvirker barnets epigenetiske kode.
Samtidig kan epigenetiske ændringer også forårsage talrige sygdomme, bl.a. kræft, mens epigenetik i fremtiden måske kan anvendes til at kurere netop de sygdomme.
Bibliografi
Coghlan, A. (30. September 2011). New Scientist. Hentet fra http://www.newscientist.com/article/mg21128323.400-epigenetic-clue-to-schizophrenia-and-bipolar-disorder.html
Den Store Danske. (1.. Februar 2009). Hentet fra http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/RNA-interferens
Den Store Danske. (25.. December 2009). Hentet fra http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/fosforylering
Grunstein, M. (25.. September 1997). Hentet fra http://xa.yimg.com/kq/groups/15186538/166860377/name/Histone+acetylation.pdf
Lee, F. (u.d.). Molecular Biology. Hentet fra http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch7F2.htm
National Institute of General Medical Sciences. (Oktober 2006). Hentet fra http://www.nigms.nih.gov/News/Extras/RNAi/factsheet.htm
New England Biolabs. (2010). www.neb.com. Hentet fra http://www.neb.com/nebecomm/tech_reference/pdf/brochures/Epigenetics.pdf
Philips, T. P. (2008). www.nature.com. Hentet fra http://www.nature.com/scitable/topicpage/the-role-of-methylation-in-gene-expression-1070
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. (1999). Hentet fra http://www.pnas.org/content/97/10/5237.short
The Naked Scientists. (u.d.). Hentet fra http://www.thenakedscientists.com/HTML/articles/article/rna-interference-explained/
Wikipedia. (3. December 2011). Hentet fra http://en.wikipedia.org/wiki/Transcription_factor
Young, E. (9.. Juli 2008). New Scientist. Hentet fra http://www.science.org.au/nova/newscientist/098ns_003.htm
Zhang, Y. (u.d.). Gendev. Hentet fra http://genesdev.cshlp.org/content/17/22/2733.full
Zhang, Y., & Reinberg, D. (u.d.). genesdev. Hentet fra http://genesdev.cshlp.org/content/15/18/2343.full
Bilag
Kildekritik
Nature (1)
1) http://www.nature.com/scitable/topicpage/the-role-of-methylation-in-gene-expression-1070
Medie
Mediet er internettet. Temmelig kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
- maj 1997.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om hhv. DNA-methylering.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Rigtig god validitet.
Forfatteren har en Ph.d-grad, og hjemmesiden hedder Nature, hvilket er et meget eftertragtet navn.
New England Biolabs (2)
Click to access Epigenetics.pdf
Medie
Mediet er internettet. Relativt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
2010.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om epigenetik.
Teksttype
Kapitel, del af et større kompendium.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Rigtig god validitet. Det er skrevet af et New England Biolabs, et stort reagensproduktionsfirma, som efter sigende har studeret DNA-methylering i 35 år.
Wikipedia (3)
Medie
Mediet er internettet. Relativt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
Inden for det sidste år.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om epigenetik.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Wikipedia bliver altid set på med mistro i blikket, netop fordi artiklerne bliver skrevet af frivillige, tilfældige mennesker rundt omkring verden. Det er derfor svært at vurdere troværdigheden. Men de fleste artikler på Wikipedia er rige på kildeangivelser – og disse er bestemt ikke undtagelser. Der er gennemsnitligt 20 referencer til kilder per artikel af dem, vi har læst for at forstå dampmaskinen, så Wikipedias troværdighed er fin.
Proceedings of the National Academy of Science in the United States of America (4)
http://www.pnas.org/content/97/10/5237.short
Medie
Mediet er internettet. Fuldstændig kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
- november 1999.
Relevans
Fin relevans, emnet er DNA-methylering.
Teksttype
Videnskabeligt dokument.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Rigtig god validitet; forfatterne er fra hhv. hospitaler, universiteter(Cambridge), biomedicinske researchinstitutter, o. lign.
Histone acetylation in chromatin structure and transcription (Michael Grunstein) (5)
Click to access Histone+acetylation.pdf
Medie
Mediet er internettet. Fuldstændig kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
- september 1997.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om histonacetylering.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Rigtig god validitet; Michael Grunstein er en internationalt anerkendt professor i biokemi.
Genesdev (6,7)
6) http://genesdev.cshlp.org/content/15/18/2343.full
7) http://genesdev.cshlp.org/content/17/22/2733.full
Medie
Mediet er internettet. Fuldstændig kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
6) Copyright er taget i 2001, hvilket nok også er udgivelsesåret.
7) Copyright er taget i 2003, hvilket nok også er udgivelsesåret.
Relevans
Rigtig god relevans;
6) det handler om histonmethylering og andre histonmodifikationer.
7) det handler om histonubiquitinering.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
God validitet; forfatterne er bl.a. fra University of North Carolina samt Howard Hughes Medical Institute.
New Scientist (8,9)
8) http://www.science.org.au/nova/newscientist/098ns_003.htm
Medie
Mediet er internettet. Relativt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
8) 8. juli 2008.
9) 30. september 2011.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler epigenetik.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
God validitet! De er fra New Scientist.
Den Store Danske (10,11)
11) http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/RNA-interferens
Medie
Mediet er internettet. Godt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
10) 25. december 2009.
11) 1. februar 2009.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om hhv. fosforylering og RNA-interferens.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Rigtig god validitet; Den Store Danske.
The Naked Scientists (12)
http://www.thenakedscientists.com/HTML/articles/article/rna-interference-explained/
Medie
Mediet er internettet. Godt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
Ukendt, idet siden på nuværende tidspunkt er utilgængelig.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om RNA-interferens.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Fin validitet, hjemmesiden er naturvidenskabelig.
National Institute of General Medical Sciences (14)
http://www.thenakedscientists.com/HTML/articles/article/rna-interference-explained/
Medie
Mediet er internettet. Godt kontrolleret.
Udgivelsestidspunkt/opdatering
- august 2011.
Relevans
Rigtig god relevans; det handler om RNA-interferens.
Teksttype
Artikel.
Tendens
Tilstræbt objektivitet.
Validitet
Fin validitet, hjemmesiden er naturvidenskabelig.
Skriv et svar