Jakiś czas temu nukowcy odkryli, że - trzymając się bibliotecznej metafory - księgozbiory, które dzieci dziedziczą po rodzicach, nie tylko składają się z tych samych woluminów, lecz także są podobnie zorganizowane. Geny, których ekspresja została odblokowana w trakcie życia rodziców, mogą być aktywne również u ich dzieci. Ten radykalny niegdyś pomysł, że zmiany w ekspresji genów mogą być dziedziczone, potwierdzają coraz liczniejsze dowody. Jednak  mechanizmy, które za tym stoją, wciąż są słabo poznane.

Nowych danych na tem temat dostarczyło niedawne badanie naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Pokazuje ono, w jaki sposób modyfikacje epigenetyczne mogą być przenoszone przez plemniki nie tylko z rodziców na dzieci, ale także na następne pokolenie. Proces ten nazywa się transgeneracyjnym dziedziczeniem epigenetycznym i może wyjaśniać, w jaki sposób na zdrowie i rozwój osoby mogą wpływać doświadczenia jej rodziców i dziadków.

Badanie, którego wyniki opublikowano pod koniec września, skupiło się na szczególnej modyfikacji białka histonowego, która zmienia sposób, w jaki DNA jest upakowane w chromosomach. Białko to, szeroko przebadane, jest markerem epigenetycznym (zwanym H3K27me3), który "wyłącza" ekspresję genu, przy którym się znajduje. I występuje u wszystkich zwierząt wielokomórkowych - od ludzi po nicienie C. elegans, na których przeprowadzono badanie.

"Wyniki te ustalają związek przyczynowo-skutkowy między znacznikami histonowymi przenoszonymi przez plemniki a ekspresją genów i rozwojem dzieci i wnuków" - wyjaśnia autorka badania Susan Strome,  profesor biologii molekularnej, komórkowej i rozwojowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz.

Histony mają wpływ na to, jak gęsto DNA upakowane jest w chromosomach. Marker H3K27me3 powoduje, że nić DNA skręca się w danym miejscu bardziej, przez co geny w tym regionie są mniej dostępne do aktywacji. Badanie zespołu Susan Strome polegało na selektywnym usunięciu tego znacznika histonowego z plemników nicieni C. elegans, które następnie wykorzystano do zapłodnienia jajeczek, w których chromosomy miały wszystkie markery. U wyhodowanego w ten sposób potomstwa zaobserwowano nieprawidłowe wzorce ekspresji genów - geny na chromosomach ojcowskich (odziedziczonych z plemników) dzięki wymontowaniu histonowych "hamulców" pozostawały aktywne.

W efekcie, w tkankach nicieni z drugiego pokolenia obserwowano ekspresję genów, które normalnie byłyby nieaktywne. Na przykład w linii zarodkowej - komórkach, które przekazują swój materiał genetyczny do komórek rozrodczych, aktywne były geny, których ekspresja zachodzi normalnie w komórkach nerwowych. "We wszystkich zbadanych tkankach geny ulegały nieprawidłowej ekspresji, ale różne odblokowane geny pojawiły się w różnych tkankach, co pokazuje, że to kontekst tkankowy określał, które geny uległy odblokowaniu" - tłumaczy prof. Strome.

Analiza chromosomów w linii zarodkowej potomstwa wykazała, że w genach o podwyższonej ekspresji nadal brakowało markera histonowego, podczas gdy został przywrócony na genach, których ekspresja nie została podwyższona.

"W linii zarodkowej potomstwa niektóre geny zostały nieprawidłowo aktywowane i pozostały w tym stanie, pozbawione ograniczających markerów histonowych, podczas gdy reszta genomu odzyskała je. I ten wzorzec został przekazany potomstwu. Dlatego zakładamy, że jeśli dany wzór upakowania DNA zostanie utrzymany w linii zarodkowej, może potencjalnie być przekazywany przez wiele pokoleń" - wyjaśnia Susan Strome.

U kolejnego, trzeciego już pokolenia nicieni naukowcy zaobserwowali rozmaite efekty rozwojowe, m.in. że niektóre osobniki były całkowicie bezpłodne. Ta różnorodność to skutek tego, w jaki sposób chromosomy są dzielone podczas podziałów komórkowych przy wytwarzaniu plemników i komórek jajowych.

Naukowcy z laboratorium Susan Strome od lat badają dziedziczenie epigenetyczne u C. elegans. Jednak emerytowana profesor uważa, że najnowsza publikacja to punkt zwrotny w jej pracy. I dodaje, że inni naukowcy badający komórki ssaków in vitro uzyskali bardzo podobne wyniki co ona na robakach.

"Wygląda na to, że zachowanie cechy ekspresji genów występuje również u zwierząt, a nie jest fenomenem typowym tylko dla robaków. Możemy więc prowadzić na C. elegans niesamowite eksperymenty genetyczne, których nie można wykonać na ludziach, a wyniki uzyskane na robakach mogą mieć szerokie zastosowanie także dla innych organizmów" - twierdzi prof. Strome.