piątek, 24 kwietnia 2015

Odziedziczyć gusty i lęki po rodzicach?

Do niedawna sądzono, że różnego rodzaju cechy mogą być dziedziczone sekwencyjnie, na podstawie DNA bądź też społecznie, poprzez naukę zachowań od innych osobników. Badania i obserwacje z ostatnich lat, nie tylko na zwierzętach, ale także na ludziach, dowodzą, że obok dziedziczenia sekwencyjnego, istnieje drugie dziedziczenie biologiczne – pozasekwencyjne, czyli epigenetyczne. Jest to dziedziczenie wzoru ekspresji danego genu bądź genów, nie wynikające z ciągu par zasad, czyli sekwencji.

Do najlepiej poznanych mechanizmów epigenetycznych należą metylacja wysp CpG (czyli sekwencji DNA bogatych w pary cytozynowo-guaninowe, będące promotorami transkrypcji, a których hipermetylacja inaktywuje gen, natomiast hipometylacja wzmaga ekspresję danego genu) oraz modyfikacje histonów (białek, na które nawinięte jest DNA), zmieniające dostęp czynnikom transkrypcyjnym do DNA, w efekcie regulujące jego ekspresję.

Jednym z ciekawszych przykładów w tej dziedzinie genetyki (behawioralnej, chciałoby się dodać) jest eksperyment Briana Dias’a i Kerry’ego Resslera z 2013 roku, dotyczący  dziedziczenia reakcji na bodziec zapachowy. Jest to badanie tym ciekawsze, że biochemiczno-behawioralne uczulanie zwierząt na bodziec następowało przed poczęciem potomstwa, które owe uczulenie dziedziczyło. Co zatem sprawia i w jaki sposób, że możemy odziedziczyć ,,gust’’ bądź też lęk po rodzicach i jaki jest mechanizm takiego zjawiska? Jakie są konsekwencje ważne dla nas, które wynikają z takich odkryć?  

(źródło: http://www.e-biotechnologia.pl)


Eksperyment polegał na behawioralnym uczulaniu samców myszy na zapach acetofenonu – zapach bliski kwiatu róży. W tym celu owy zapach kojarzono z elektrowstrząsami kończyn. Samce te oznaczono jako F0 – Ace. Druga grupa samców myszy uczulana była na zapach propanolu (F0 – Prop), a trzecia nie była stymulowana. Skąd pomysł na porównywanie późniejszych wyników z samcami stymulowanymi propanolem? Otóż we wcześniejszych badaniach wykazano, że propanol nie aktywuje receptorów M71 (kodowanych przez gen Olfr151 – nazwa od angielskiego olfactor) w opuszce węchowej, przeciwnie do acetofenonu. Markerem w badaniach była zatem ekspresja wspomnianych receptorów, a ponadto badania behawioralne. Ekspresję receptora M71, wykazaną w badaniu histologicznym z barwieniem beta-galaktozydazą, dla samców F0 – Ace i F0 - Prop ukazuje poniższe zdjęcie.

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

Widzimy, że u samców uczulanych acetofenonem włókna bogate w owy receptor są bardziej rozbudowane, co potwierdza wcześniejsze ustalenia. By przejść do dalszej części eksperymentu, przeprowadzono kojarzenie uczulanych samców z niestymulowanymi samicami, by otrzymać pokolenie F1. Potomstwo samców uczulanych acetofenonem oznaczono jako F1 – Ace, potomstwo samców uczulanych propanolem oznaczono jako F1 – Prop, a potomstwo samców niestymulowanych oznaczono jako F1 – Home. Generacja F1 nie była stymulowana. W pokoleniu F1 sprawdzono jaki jest poziom wyczuwalności danego zapachu oraz, podobnie jak u rodziców, wykonano badania histologiczne. Na poniższym schemacie widać, że potomstwo F1 – Ace lepiej wyczuwało acetofenon, a potomstwo F1 – Prop lepiej wyczuwało propanol. Potomstwo samców uczulanych acetofenonem, podobnie jak ojcowie, również posiadało bardziej rozbudowane włókna bogate w receptor M71, co widoczne jest na zdjęciu.

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

By wykluczyć możliwość dziedziczenia społecznego, przeprowadzono kolejne badanie w ramach opisywanego eksperymentu. Niestymulowane samce z pokolenia F1 – Ace i F1 – Prop, kojarzono z niestymulowanymi samicami, a także przeprowadzono zapłodnienie in vitro, gdzie oocyty niestymulowanych samic zapładniane były plemnikami stymulowanych samców z pokolenia F0. Przeprowadzono w pokoleniu F2 behawioralny test uniesionego labiryntu krzyżowego oraz badania histologiczne opuszki węchowej. Potomstwo samców uczulanych na acetofenon wyczuwało większy lęk względem jego zapachu, a potomstwo samców uczulanych na propanol wyczuwało większy lęk względem propanolu. Na poniższym wykresie widać także, że wielkość włókien zawierających receptor M71 jest większa u wnuków samców uczulanych acetofenonem, w porównaniu do wnuków samców uczulanych propanolem.

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

(test uniesionego labiryntu krzyżowego, źródło: http://www.homunculus.ug.edu.pl)

By uwiarygodnić wyniki badania, przeprowadzono także próbę krzyżową z samicami stymulowanymi acetofenonem. Młode odbierane były uczulanym matkom surogatkom na rzecz matek adopcyjnych, które stymulowane nie były. Następnie wykonano badania behawioralne oraz histologiczne, z kontrolą potomstwa matek uczulanych propanolem. Tutaj także wyniki wykazały wzmożony lęk przed zapachem acetofenonu oraz większą ekspresję receptora M71 w opuszce węchowej u potomstwa matek stymulowanych acetofenonem, co obrazuje zdjęcie.

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

Ostatecznie wykonano badania molekularne nasienia samców z pokolenia F0 i F1, zarówno tych stymulowanych acetofenonem, jak i tych, które uczulane były behawioralnie propanolem. Sprawdzano metylację wysp CpG w genie Olfr151 i Olfr6. Wyniki wskazały na hipometylację genu Olfr151 w plemnikach samców uczulanych acetofenonem, w porównaniu do plemników samców stymulowanych propanolem, a także hipometylację owego genu w plemnikach samców z pokolenia F1, których ojcowie byli stymulowani acetofenonem, co widać na poniższych wykresach. Metylacja w genie Olfr6 nie wykazywała znacznych różnic. Badanie to dowiodło, że obniżona przed zapłodnieniem metylacja wysp CpG genu Olfr151 na skutek negatywnego kojarzenia bodźca zapachowego, została pozasekwencyjnie odziedziczona.

(źródło: Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.)

Przykładów dziedziczenia pozasekwencyjnego znaleźć można więcej. Jakie znaczenie mogą mieć dla nas tego rodzaju odkrycia? Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na fakt, że nie tylko czynniki środowiskowe działające na kobietę w trakcie ciąży będą miały wpływ na przyszłe życie nowego osobnika, ale także czynniki środowiskowe działające zarówno na przyszłego ojca, jak i matkę przed poczęciem nowego osobnika. Dzięki takim odkryciom wzbogacona jest nasza wiedza z zakresu biologii ewolucyjnej. Wiemy teraz, że obok mutacji, transferu genów i rekombinacji, kierowanych lub weryfikowanych doborem naturalnym, kolejnym mechanizmem postępu ewolucji biologicznej może być dziedziczenie pozasekwencyjne.

Kolejne kroki idą w stronę badań medycznych, gdzie sprawdza się ewentualny wpływ epigenetyki przy chorobach dziedzicznych, jak mukowiscydoza (nasilenie choroby może być warunkowane epigenetycznie). Istnieją hipotezy, że dziedziczenie pozasekwencyjne może mieć związek z wystąpieniem Zespołu Aspergera. Zwrócić można też uwagę na uzależnienia behawioralne, które mimo, że nie polegają na uzależnieniu od substancji narkotycznej, mogą powodować zmiany ekspresji różnych genów i co gorsza, zmiany te mogą być przekazywane potomstwu, dając predyspozycje do wystąpienia zaburzeń.  

Chcesz wesprzeć rozwój mojego bloga? Możesz to zrobić zostając jego patronem tutaj.

Literatura:
1. Dias, Brian G., and Kerry J. Ressler. Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations.
2. Stanisława Maria Rogalska, Magdalena Achrem, Andrzej Wojciechowski. Chromatyna. Molekularne mechanizmy epigenetyczne. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Poznań 2010.
3. Bozza, Thomas, et al. Odorant receptor expression defines functional units in the mouse olfactory system.
4. Sirinupong N., Yang Z. Epigenetics in Cystic Fibrosis: Epigenetic Targeting of a Genetic Disease.
5. Chan HC., Jiang X., Ruan YC. Emerging role of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator as an epigenetic regulator: linking environmental cues to microRNAs.
6. Di Napoli A., Warrier V., Baron-Cohen S., Chakrabarti B. Genetic variant rs17225178 in the ARNT2 gene is associated with Asperger Syndrome.


18 komentarzy:

  1. Bardzo fajny i ciekawy blog.) Poczytam artykuły bo widzę ,że fachowe podejście do zagadnień. Pozdrawiam)

    OdpowiedzUsuń
  2. Genetyka jest bardzo ciekawą gałęzią. A życie daje nam wiele możliwości dedukcji, do kogo? dlaczego? dopatrujemy się podobieństw i różnic. Czasami wychodzi to na dobre, czasami zupełnie odwrotnie. Ot życie, nieprzewidywalne...

    OdpowiedzUsuń
  3. Ile ciekawej wiedzy, a genetyk to bardzo fascynująca gałąź wiedzy.

    OdpowiedzUsuń
  4. Odziedziczyłam po tacie znamię (mamy dokładnie w tym samym miejscu i o bardzo, bardzo podobnym kształcie), a po mamie ogromny lęk przed wodą (mimo, że nigdy się nie topiłam i nie miałam żadnych innych traumatycznych przeżyć), więc coś w tym musi być ;).

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Podpinam się pod absurdalne strachy. W tym tygodnia moja dentystka uświadomiła mi, że mój stres związany z kontrolną wizytą u stomatologa nie ma podłoża racjonalnego (nie mam żadnych złych doświadczeń). W jakiś bliżej niewyjaśniony sposób stres i napięcie zostało mi przekazane przez mamę. Teraz widzę, że to naprawdę realne ;-)

      Usuń
    2. Generalnie fobie np. przed wężami czy pająkami uważane są za atawizmy.

      Usuń
  5. Bardzo ciekawe, ostatnio dodajesz tu tematy.
    Do tej pory nie myślałam o uzależnieniu behawioralnym jako o czynniku wpływającym, na predyspozycje powodujące zaburzenia u potomstwa, interesujące.

    OdpowiedzUsuń
  6. jeśli o cechy fizyczne chodzi, no to zastrzeżeń nie mam, ale patrząc na psychikę, zachowanie, to dzieci są czasem tak różne od rodzic,ów (dorosłe), że aż ciężko uwierzyć, że to w ogóle rodzina. ;o

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Bo nie ma tu mowy o zerojedynkowości.

      Usuń
  7. Niezłe, a przy chorobach nie dziedzicznych np. depresji, jeśli osoba z rodziny ją miała to jest większe prawdopodobieństwo, że dzieci także zachorują? Predyspozycje do danych chorób, także mogą być dziedziczone?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Oczywiście, że w mogą - w wielu przypadkach jest to udowodnione (np. że ryzyko przeciętnego człowieka do danej choroby wynosi 1,5%, a jeśli ktoś w rodzinie chorował - to już 5%. Czyli dalej nieduże, ale jednak trzy razy większe niż dla reszty populacji...).Są jednak choroby, w których udowodniony jest brak dziedziczenia takich skłonności. Nie wiem niestety do której grupy należy depresja, dowiem się o tym za rok ;)

      Usuń
    2. Jak wyżej, tak, może być większe prawdopodobieństwo.

      Usuń
  8. Bardzo to ciekawe! Lubię jakie nowinki z zakresu biologi i ewolucji :)

    OdpowiedzUsuń
  9. Gdzieś już czytałam o takich skłonnościach, ale o tej porze dla mnie za trudny temat. Wracam jutro rano :)

    OdpowiedzUsuń
  10. Dlatego kobiety w ciąży nie powinny się denerwować i żyć w stresie - dziecko przychodzące na świat na samym początku ma już problemy z emocjami. To nie żaden wymył, ale obserwacja.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. W rzeczy samej, powinny też "spuścić z obrotów" bo dzieciak będzie nadpobudliwy. PytaPytanie tylko czy to kweskwestia epigenetyki czy wpływu hormonów matki (tudzież produkowanych przez jej organizm toksyn) na płód?

      Usuń
  11. O to chodziło!
    Akurat te badania już poznałem, dość niesamowite implikacje tu mamy! Gdyby komuś udało się odkryć i udowodnić od kiedy w DNA pojawia się możliwość dziedziczenia epigenetycznego ( czy istnieje tam od zarania, czy to dopiero późniejszy "pomysł" ewolucji?) i u kogo (czy występuje już u protistów czy może u stawonogów, czy jedynie u naczelnych?) szmat roboty, ale moim zdaniem to praca z Noblem w tle. Trzymam kciuki za Ciebie!

    OdpowiedzUsuń