Epigenetyka w Międzypokoleniowych Reakcjach na Wpływy Środowiskowe: Fakty i Luki

Redakcja i tłumaczenie polskiego wydania:
Aleksandra Kędzior, Ewa Gramatyka-Drążek, prof. Artur Mazur

Szczególne podziękowania za pomoc w tłumaczeniu dla grupy studentów Wydziału Lekarskiego Uniwersytetu Rzeszowskiego: Daniel Sokół, Magdalena Rajchel, Aleksandra Jeziorkowska, Julia Zarańska, Adriana Liszka, Anna Janicka, Patrycja Karnas i inni.

Author(s):

	Claudine Junien
	INRA, UMR1198 Biologie du Développement et Reproduction, F-78350 Jouy-en-Josas, France
	View Author’s Full Biography

Streszczenie

Wzrasta zainteresowanie mechanizmami niegenetycznymi oraz niezwiązanymi z aspektami kulturowymi, odpowiadającymi za przekazywanie informacji na temat rodzicielskiej ekspozycji na różnorakie czynniki środowiskowe, które determinują wrażliwość kolejnych pokoleń na środowisko. Jednakże wciąż na wyjaśnienie oczekują kwestie natury, roli oraz znaczenia znamion i mechanizmów epigenetycznych, niekodującego RNA czy innych mechanizmów a także ich trwałości w kolejnych pokoleniach. Jak dotąd nie stworzono jeszcze jednego modelu łączącego w sobie różnorodne sposoby dziedziczenia, ich naturę, odpowiednie znaczenie i mechanizmy, czy to bezpośrednie czy pośrednie, ich interakcje i okresy wrażliwości będące cechami charakterystycznymi dla płci rodzica oraz potomstwa.

Przegląd teorii J.B. Lamarck’a w świetle epigenetyki

Nasza zdolność do reagowania na różnorodne wyzwania i zagrożenia życiowe oraz na stres i ryzyko związane z chorobą, zarówno podczas okresu dzieciństwa jak i dorosłości, zależy od naszego potencjału zdrowotnego oraz zdolności adaptacyjnych, z którym przychodzimy na świat . Obserwacje te dają podstawę dla koncepcji „zdrowia i choroby mających swoje źródła w wieku rozwojowym”(DOHaD) . Pogląd zakładający, że za przekazywanie informacji o ekspozycji na różne warunki środowiskowe następującym po sobie pokoleniom odpowiadają mechanizmy niegenetyczne i niezwiązane z aspektami kulturowymi, warunkując specyficzne reakcje, wzbudza dziś znaczne zainteresowanie i wydobywa na światło dzienne długo krytykowaną teorię J.B. Lamarck’a (ramka).

Ramka

Konsekwencje czynników środowiskowych takich jak dieta, stres, związki chemiczne lub inne wpływy czy to psychologiczno-emocjonalne, geograficzne, polityczne lub socjoekonomiczne, mogą oddziaływać na przynajmniej trzy pokolenia jednocześnie – na metkę i ojca (F0), ich dzieci (F1) oraz ich wnuki (F2) – w postaci zmian somatycznych i/lub zmian w linii komórek rozrodczych w pokoleniu F1 (Rysunek 1) .

Rys.1. Zależne od płci przekazywanie kolejnym pokoleniom informacji na temat ekspozycji na czynniki środowiskowe. Czynniki środowiskowe, w tym stan odżywienia, stres, toksyny, zaburzenia hormonalne, palenie papierosów, alkohol oraz mikrobiota oddziałujące na konkretne (F0) formaty epigenetyczne oraz odpowiadające im ścieżki i sieci genowe, z rozróżnieniem na płeć. Dla przykładu, matczyna i ojcowska ekspozycja przed poczęciem ich potomstwa może modyfikować jakość gamet, a informacje o tych ekspozycjach mogą być przekazane następnemu (F1) pokoleniu. W dodatku konsekwencje matczynej (F0) ekspozycji podczas ciąży (stres, metabolizm, dieta, zmiany hormonalne itp.) mogą zostać przekazane od matki do przedziału płodowego poprzez łożysko, w specyficzny dla płci sposób, co oddziałuje na rozwój tkanek pokolenia F1. Programowanie tkanek somatycznych może prowadzić do daleko sięgających efektów zdrowotnych w pierwszym pokoleniu. Ponadto, pierwotne komórki rozrodcze, które rozwijają się i przechodzą przeprogramowanie w czasie życia płodowego, również mogą być pod wpływem matczynych (F0) oddziaływań środowiskowych oraz mogą przekazać genetyczną i epigenetyczną informację pokoleniu F2. Wpływy te są transmitowane w odmienny sposób przez linię matczyną aw odmienny przez linię ojcowską. W szczególności, wielopokoleniowa ekspozycja linii matczynej może być dostrzeżona w zarówno w pokoleniu F0 jaki i F1 i F2, z transgeneracyjnym fenotypem obserwowanym w pokoleniu F3, podczas gdy w linii ojcowskiej ekspozycję dotycząca pokoleń F0 i F1, zauważyć można w transgeneracyjnym fenotypie pokoleń F2 i F3.

Nasze doświadczenia in utero oraz podczas pierwszych dwóch lat życia (koncepcja 1000 pierwszych dni) są decydujące dla naszego kapitału zdrowia. Jednakże fazy poprzedzające zapłodnienie , rozpoczynające się od gametogenezy oraz rozróżnienie efektów na pierwotne komórki rozrodcze, na gamety, jest także bardzo istotne i muszi być wzięte pod uwagę.

Głównym wyzwaniem jest zidentyfikowanie sposobów, w jaki informacja związana z konsekwencjami środowiskowymi lub zmianami patofizjologicznymi jest przechowywana i przekazywana z jednego pokolenia na kolejne. Zasadnicze ścieżki badawcze zbiegły się ze sobą w określonych regionach DNA (geny, sekwencje powtórzone, itd.) w których znamiona epigenetyczne mogą częściowo uniknąć sukcesywnych faz reprogramowania – redukcja (zamazywanie), ustanawianie oraz zachowywanie – związanych z redukcją zygotyczną tuż po zapłodnieniu. Zasugerowano, że owe regiony mogą przechowywać informacje lub pośredniczyć w trwałych zmianach tychże informacji w obrębie chromatyny, będących następstwem ekspozycji na czynnik środowiskowy. Coraz wyraźniejsze staje się znaczenie RNA niekodującego (krótkiego i długiego) . Nie można również pominąć roli, jaką odgrywają eksosomy, priony, metabolity, patogeny, substancje chemiczne oraz matczyna mikrobiota .

Transgneracyjne reakcje na programowanie: błędne koło czy odporność?

Programowanie, zachodzące w wieku rozwojowym zawsze pod wpływem środowiska lub będące dziedziczone od rodziców, może być postrzegane jako „pierwsze z wydarzeń”. Często nie przejawia się w niczym ponad postaci latentnego stanu, a dopiero akumulacja środowiskowych czynników ryzyka doprowadza do przekroczenia granicy wrażliwości i ujawnienia się jako „drugie z wydarzeń”. Zatem nie odnosi się ono ściśle do „efektów” długofalowych. Zamiast tego związane jest ze wszystkimi elementami warunkującymi „zdolność reagowania” (zwiększającymi i zmniejszającymi) programowanych tkanek lub organów, nadając im predyspozycję do uszkodzeń lub odporność na nie. W odniesieniu do wymienionych procesów, programowanie jest także ściśle zależne od tła genetycznego.

Większość badań nad fenotypem ogranicza się do odkryć w obrębie systemów zakłóconych przez ekspozycje rodzicielskie lub rodowe, na przykład: metabolizmu poprzez ekspozycje na określone składniki odżywcze, zachowania poprzez ekspozycję na stres. Jednak w zależności od stopnia danej ekspozycji, zakłócenia te mogą oddziaływać na różne systemy lub nawet na wszystkie układy. Stąd ekspozycja rodzicielska na stres wiąże się nie tylko z problemami behawioralnymi, lecz także z zaburzeniami metabolizmu u potomków . Fenotypowanie potomków w modelach zwierzęcych głównie skupia się na szkodliwym oddziaływaniu, jednocześnie ignorując niezaprzeczalnie duży odsetek odpornych podmiotów o pozytywnej adaptacji do czynników ryzyka, jakim podlegali ich rodzice i dziadkowie . Niemniej, badania na Caenorhabitis elegans i Drosophila wykazały w niektórych przypadkach zdolność do adaptacji lub odporności. Programowanie może wspomagać sieci genetyczne swoją zdolnością do szybszego reagowania na wyzwania środowiskowe . Można także zaobserwować reakcje przeciwstawne do pierwotnych efektów. Na przykład w kohorcie Overkalix (Szwecja) w grupie mężczyzn, u których przed okresem pokwitania występowało niedożywienie, zaobserwowano dwa pokolenia później mniejsze ryzyko śmierci z powodu chorób układu sercowo-naczyniowego . Wzbogacone warunki środowiskowe mogą również stwarzać korzystne transgeneracyjne reakcje, z lepszym przystosowaniem, lepszą odpowiedzią obronną lub kompensacyjną w razie błędnego zaprogramowania . Wreszcie, istotne są także interakcje pomiędzy ojcem a matką oraz pomiędzy młodymi a ich matką . Stąd reakcje obserwowane u potomków mogą być różnorodne oraz mogą różnić się od efektów pierwotnego wpływu na rodzica, począwszy od najczęściej występującego mechanizmu błędnego koła, kończąc na adaptacji stwarzającej nowe możliwości rozwoju.

Dymorfizm płciowy i dziedziczenie nie-genetyczne

Badania nad ekspresją genów oraz znamionami i modyfikacjami epigenetycznymi wykazały obecność odmiennych mechanizmów adaptacji do czynników środowiskowych u płci męskiej i u żeńskiej, zarówno u ludzi jak i w modelach zwierzęcych . Efekty i reakcje programowania mogą oddziaływać na potomstwo obu płci lub mogą obejmować jedną płeć częściej niż drugą . Ponadto, w zależności od natury danego środowiska, okna rozwojowego oraz czasu trwania ekspozycji, płeć rodzica przekazującego informację genetyczną może również warunkować reakcje potomstwa na środowisko. Podczas ekspozycji (lub jej braku) na toksyczne substancje, alkohol, niedożywienie lub przekarmienie, mające miejsce w trakcie szczególnego „okna” rozwojowego lub po odstawieniu od piersi, mogą być odziedziczone określone cechy fenotypu, czy to wyłącznie ze strony ojca, czy to wyłącznie ze strony matki lub równocześnie od obojga rodziców . Kohorta Overkalix dobrze obrazuje wspomniane różnice. Ryzyko choroby sercowo-naczyniowej i cukrzycy u mężczyzny lub u kobiety zależy od obfitości lub niedostatku pożywienia jakie dziadkowie, ale tylko ze strony ojca, przyjmowali przed okresem pokwitania . Informacja genetyczna dziadka ze strony ojca jest przekazywana wnukom, ale nie wnuczkom. Podobne wyniki zauważono u gryzoni, jeśli chodzi o niedożywienie lub konsumpcję orzechów areca . Transmisja cech behawioralnych od ojca do jego potomstwa płci żeńskiej, ale nie płci męskiej, zaobserwowana także u genetycznie identycznych myszy, wykazuje fenotypową heterogeniczność w obszarze behawioralnym .

Ekspozycja na określone środowisko może oddziaływać na linie komórek rozrodczych ojca lub matki (lub obojga), a także na wszystkie ich tkanki somatyczne, układ rozrodczy, w tym na drogi rodne i ich środowisko. Skutkuje to w postaci złożonych interakcji pomiędzy tymi układami, które mogą prowadzić do wspólnych transferów informacji kolejnym pokoleniom (Rysunek 2).

Rysunek 2. Schemat rodowodu, ukazujący główne szlaki transmisji biologicznej efektów ekspozycji na kolejne pokolenia.

Strona lewa- żeńska, strona prawa – męska. Ekspozycja może potencjalnie oddziaływać na linię komórek rozrodczych, układ rozrodczy oraz tkanki somatyczne. Tradycyjne linie rodowe (niebieskie) ukazują transmisję chromosomalną, z możliwością zmian epigenetycznych powstałych pod wpływem ekspozycji ,a które uniknęły wymazaniu i oddziałują na rozwój potomstwa. Linia komórek rozrodczych może potencjalnie przekazywać niekodujące RNA powstałe pod wpływem ekspozycji, które wpływa na rozwój potomstwa. Zmiany metabolizmu powstałe na skutek ekspozycji mogą wywołać „metaboliczną kaskadę”, tak iż zmiany w obrębie układu rozrodczego wpłyną na wczesne embrionalne programowanie u potomstwa lub wywołają zmiany sygnałów metabolicznych przekazywanych poprzez łożysko. Dodatkową drogą transmisji odmatczynej jest wpływ mikrobiomu matki na mikrobom dziecka. .

Linia komórek rozrodczych i gamety mogą wykazywać genetyczne (XX lub XY), ontogenetyczne, morfologiczne i funkcjonalne różnice pomiędzy płciami. Nie-genetyczne różnice występują jako rezultat epigenetycznej asymetrii, która może mieć swą kontynuację po zapłodnieniu . W czasie zapłodnienia gamety przekazują informację genetyczną w postaci kwasu DNA, który daje początek embrionalnemu genomowi. Przekazują one także różne epigenomy oraz cząsteczki RNA pochodzące zarówno od ojca jak i od matki, zaś przekazywane mitochondria i liczne rodzaje białek pochodzą wyłącznie od matki. Stąd embrion prócz genetycznego dziedzictwa otrzymuje od rodziców dziedzictwo epigenetyczne na bazie białek, oraz informacje metaboliczne na temat ekspozycji na czynniki środowiskowe i inne doświadczenia, o stanie patofizjologicznym, wieku, statusie socjalnym, stopniu edukacji rodziców a także kolejności urodzenia i masie ciała .

Zazwyczaj prowadzono szeroko zakrojone badania na temat transmisji odmatczynej, głównie w kontekście między- i wielopokoleniowych reakcji związanych ze wzrostem i rozwojem embrionu i płodu podczas okresu ciąży oraz laktacji (Rysuenk 1). Przebadano wiele z matczynych stanów fizjologicznych, niekoniecznie obejmujących linię komórek rozrodczych, m.in.: stan metabolizmu, odżywienia, ekspozycję na toksyczne substancje i stres lub wolny wybór do parowania się z atrakcyjnymi osobnikami płci męskiej . Epigenetyczna transmisja przez linię matczyną została zobrazowana u gryzoni , jednak trudno ostatecznie rozróżnić, to co zostało przekazane poprzez gamety od tego, co zostało przekazane przez jednostkę matczyno-płodową w trakcie ciąży. Dla kontrastu, mniej powszechne badania nad transmisją ojcowską, stawiają pytania o mechanizmy w jakich plemniki przekazują informacje: potencjalnie są za to odpowiedzialne zmiany epigenetyczne, RNA niekodujące lub samo nasienie (Rys. 3).

Rysunek 3 – Ilustracja nie-genetycznych ścieżek, poprzez które na rozwój potomstwa może oddziaływać transmisja ojcowska.   Doświadczenia osobnika płci męskiej (leki, odżywienie, toksyny, wiek, stres) szczególnie podczas wczesnego okresu rozwojowego, mogą prowadzić do zmian epigenetycznych w męskiej linii komórek rozrodczych (czerwone koło), które są przekazywane potomstwu i prowadzą do ujawnienia się odmian fenotypowych. Ewentualnie lub prawdopodobnie w kombinacji z wymienionymi bezpośrednimi czynnikami ojcowskimi, przedprokreacyjne doświadczenia samca mogą prowadzić do zmian w ogólnej kondycji samca oraz preferencjach, które to mogą być oceniane przez samicę w trakcie parowania się. Ocena ta z kolei może prowadzić do różnic w stopniu matczynego wkładu, czy to prenatalnego czy postnatalnego, we wzrost i rozwój zrodzonego potomstwa, z oczywistymi konsekwencjami w postaci odmian fenotypowych potomstwa. Wkład matczyny może także zmieniać się wraz z odmianami fenotypu potomstwa pochodzącymi od ojca , zarówno podczas okresu prenatalnego jak i postnatalnego. Różnice we wkładzie matczynym będącym funkcją ojcowskich doświadczeń lub cech potomstwa, może albo wzmacniać poziom transmisji informacji o ojcowskiej ekspozycji albo też kompensować deficyty w funkcjonowaniu z powodu wspomnianej ekspozycji. . 

Fazy reprogramowania oraz punkty zwrotne w wymazywaniu znamion epigenetycznych

Zostały zbadane dwie główne fazy reprogramowania, czyli wymazywania znamion ojcowskich: pierwsza zachodzi u zygoty, tuż po zapłodnieniu, a druga występuje w linii komórek rozrodczych, kiedy to pierwotne komórki germinalne migrują w kierunku grzebieni płciowych przed różnicowaniem się płci (Rysunek 4a oraz 4c) .

Rysunek 4. Zmiany epigenetyczne podczas reprogramowania in vivo.

(a) Dynamika metyzacji DNA podczas reprogramowania w trakcie rozwoju. Po zapłodnieniu genom ojcowski (linia niebieska) podlega gwałtownej demetylacji w aktywnych mechanizmach, podczas gdy genom matczyny (linia czerwona) podlega pasywnej demetylacji. Odmiennie metylowane regiony (DMRs) związane z genami podlegającymi imprintingowi są chronione od procesu wymazywania (przerywana zielona linia). Metylacja de novo zachodzi po implantacji (linia czarna), jednak pierwotne komórki rozrodcze (PGCs) są niewyspecjalizowane aż do stadium epiblastu (cieniowanie u góry rysunku). Metylacja ta musi zostać ponownie ustanowiona w PGCs. Rysunek przedstawia wyłącznie dynamikę metyzacji od E6.5formowania się linii komórek rozrodczych Większość sekwencji jest demetylowana przez E9.5 w PGCs. Niektóre sekwencje są przedmiotem późnej demetylacji i dopóki nie zajdzie migracja PGC, nie są reprogramowane. Sekwencje te zawierają DMRs, ale nie są do nich ograniczone. IAPs czyli wewknątrzzbiornikowe cząsteczki A są odporne na demetylację zarówno w okresie tuż po zapłodnieniu jak i po fazach) reprogramowania PGC. Zmiennie usuwane wyspy CG (VECs) mogą oprzeć się procesowi wymazywania podczas reprogramowania PGC, ale ich status metylacyjny podczas okresu reprogramowania po zapłodnieniu pozostaje niejasny. Po determinacji płci, komórki rozrodcze przechodzą metyzację de novo, lecz jej dynamika zależny od danej płci. Proces metyzacji dopełnia się w prospermatogoniach jeszcze przed urodzeniem, podczas gdy metyzacja w oocytach zostaje osiągnięta dopiero w okresie postnatalnym. W dorosłości gamety są odpowiednio etylowane, tak by utworzyć zygotę i wznowić cykl metylacyjny. Przedtsawiliśmy poniżej „okna rozwojowe”, które zostały zbadane w trzech kluczowych badaniach, z wyznaczeniem specyficznych punktów czasowych. blast., blastocysta d5, oocyty w dniu 5. GV, oocyty pęcherzyka terminalnego. MII, oocyty metafazy II.

(b) Zmiany epigenetyczne podczas reprogramowania in vivo. Schematyczny diagram modyfikacji całościowego DNA oraz histonów, prowadzących do aktywacji transkrypcyjnej embrionalnego genomu pomiędzy okresem późnej zygoty (jedynie genom ojcowski) i stadium dwukomórkowym. Genomy gamet przechodzą różne programy epigenetyczne po zapłodnieniu, gdzie głównym przedmiotem remodelingu epigenetycznego w stadium zygoty jest genom ojcowski, a genom matczyny stopniowo zatraca tłumiące modyfikacje podczas późniejszych podziałów.

(c) Całościowe zmiany epigenetyczne podczas rozwoju linii komórek terminalnych od specyfikacji PGC (E6.5) do wstrzymania mitozy/mejozy w E13.5. Można wyróżnić dwie główne fazy reprogramowania podczas migracji PGC w kierunki grzebieni płciowych (E7.5-E10.5) po ich dotarciu do gonad (E10.5-E12.5).

Długo uważano, że proces reprogramowania genomów ojcowskich w zygocie jest niemalże kompletny. Jednak znamiona histonowe oraz szlaki metylacyjne w konkretnych sekwencjach DNA mogą pozostawać wciąż niewymazane . Inne dwie fazy także mogą być traktowane jako procesy reprogramowania: końcowe upakowanie chromatyny plemników, związane z zastąpieniem ogromnej ilości histonów przez protaminy (Rysunek 4b) oraz masywne zmiany, zwłaszcza podczas reorganizacji tkanki mózgowej i jej dojrzewania podczas okresu pokwitania. Ta ostatnia faza reprogramowania nie została jeszcze zbadana w szczegółach .

Jedna z tych faz, wymagająca wymazywania specyficznych znamion epigenetycznych z gamet, prowadzi do nabycia totipotencjalego epigenomu, pozwalającego komórkom embrionu na różnicowanie się w dowolny typ komórki (Rysunek 4b). Niektóre sekwencje, takie jak te będące przedmiotem imprintingu (piętnowania) rodzicielskiego, potrafią ominąć ten proces. Kolejna faza reprogramowania, związana z linią komórek rozrodczych, następująca po determinacji płci, remetylacja DNA, ułatwia nabycie wysoce specyficznego programu ekspresji, w tym genów imprintingowych do procesu różnicowania gamet (Rysunek 4c). Obdarzone epigenetyczną asymetrią gamet, pochodzących od ojca i od matki, obecne w zygocie niewymazane i wrażliwe znamiona, mogą różnić się pomiędzy chromosomami pochodzenia ojcowskiego oraz pochodzenia matczynego. Mechanizmy zaangażowane w ten proces pozostają wciąż nieznane, lecz poczynione obserwacje sugerują, iż transmisja może różnić się w zależności od płci rodzica (Rysunek 5).

Rysunek 5. Cykl życiowy ssaczej gameto- i embriogenezy.

Pierwotne komórki germinalne (PGCs) powstaja z komórek części bliższej epiblastu. W trakcie migracji w kierunku wejścia do gonad przechodzą proces masywnego wymazywania metylacji DNA oraz zmiany w obrębie chromatyny. Kierunkowane przez somatyczne środowisko gonad , komórki rozrodcze przekształcają się albo w męskie albo w żeńskie. Komórki męskie, początkowo zwane gonocytami, zatrzymawszy cykl komórkowy zaczynają osiągać specyficzny dla swej płci typ metyzacji. Podczas następującej profazy podziału mejotycznego, chromosomy X i Y przechodzą mejotyczną inaktywację chromosomów płci (MSCI) cechującą się intensywnym remodelingiem chromatyny. Haploidalne spermatydy, po podziałach mejotycznych, przechodzą masywne zmiany morfologiczne jak i zmiany zachodzące w jądrach komórkowych, w tym obejmującą niemal cały genom wymianę histonów na protaminy. Jednakże, nukleosomy są zatrzymywane w sekwencjach regulatorowych, tworząc potencjalne czynniki dziedziczenia epigenetycznego. Żeńskie komórki rozrodcze rozpoczynają profazę mejozy w fazie embrionalnej, i kończą swe mejotyczne podziały po indukcji hormonalnej zachodzącej w dorosłych jajnikach oraz po zapłodnieniu przez plemniki. Podczas fazy wzrostu oocyty osiągają metyzację DNA w genach i kontrolnych regionach imprintingowych, przechodzą remodeling chromatyny oraz osiągają zdolność do kierowania embriogenezą. Po zapłodnieniu, genomy rodzicielskie tworzą dwa przedjądrza, różniące się epigenetycznie, oddając historię wydarzeń kształtujących chromatynę komórek germinalnych. Ojcowskie i matczyne genomy przechodzą aktywne i bierne wymazywanie metylacji DNA. Asymetria w stadiach chromatyny chromosomów ojcowskich i chromatyny chromosomów matczynych potencjalnie może regulować aktywację i wstrzymywanie ekspresję de novo u embrionów w stadium przedimplantancyjnym, tym samym kierując embriogenezą. Epigenetyczne stadium latentne, charakteryzujące się obecnością H3K4me3 oraz H3K27me3 biwalentnych znamion na promotorach genów zaangażowanych w rozwój, lecz nie podlegających ekspresji w tych stadiach, jest fundamentalną własnością jąder komórek rozrodczych u ssaków, umożliwiając zróżnicowanym gametom rozpoczęcie programu totipotencji tuż po zapłodnieniu . Z .

Niekompletne wymazanie niektórych rodzicielskich znamion epigenetycznych – metyzacji DNA oraz znamion histonowych – a także systemy kompleksów białkowych polycomb oraz trithorax umożliwiają programowanie oraz międzypokoleniową transmisję informacji o wpływach środowiska . Regiony te są dzięki temu idealnymi nośnikami informacji o oddziaływaniu środowiska na organizm. Pojawia się pytanie, czy regiony te mogą odpowiadać za odmienny efekt na potomstwo płci męskiej a odmienny na potomstwo płci żeńskiej, jeśli wziąć pod uwagę dany chromosom , a zwłaszcza gdy chromosomy X i Y wykazują między sobą różnice? Głównym problemem jest fakt, iż występujące tu mechanizmy epigenetyczne są dynamiczne i zmieniają się wraz ze środowiskiem. Opierają się one również na dużej ilości ścieżek, w sporej ilości nadliczbowych, które w zależności od kontekstu mogą być synergistyczne, hamujące bądź aktywujące . W ten sposób, jeśli nawet na wiele lat przed zapłodnieniem, u przyszłych rodziców zajdzie ekspozycja na czynniki środowiskowe wywołujące dane sekwencje , wówczas sekwencje te mogą być odpowiedzialne za międzypokoleniowe reakcje, które zostaną zaobserwowane u potomków.

Jednakże, prawdopodobnie z powodów technicznych potencjalnie związanych z budową wariantów histonów, przeprowadzone badania nie zidentyfikowały tych samych typów sekwencji. Zidentyfikowane nukleosomy były zlokalizowane głównie w genach krytycznych albo dla wczesnego albo dla późnego okresu rozwoju , oraz w sekwencjach regulatorowych, ale niektóre można było także znaleźć w sekwencjach powtórzonych zawierających kilka genów . Wymienione sekwencje są potencjalnymi czynnikami epigenetycznej dziedziczności.

Tajemnicze nośniki przekazujące informacje z pokolenia na pokolenie

Podczas zapłodnienia, zarówno u ludzi jak i u myszy, metyzacja plemników w stosunku do oocytów jest obfitsza . Po zapłodnieniu zachodzi rozległa, aczkolwiek specyficzna dla danego miejsca metyzacja w przedjądrzu męskim i w przedjądrzu żeńskim. W procesie tym uczestniczą zarówno mechanizmy aktywne jak i bierne, w zależności od pochodzenia rodzicielskiego chromosomu . Powszechnie przyjmuje się, że tylko geny piętnowane unikają wspomnianej metyzacji. Jednakże, jedno z ostatnich badań wykazało, że istnieją także inne geny będące oporne na metyzację . W mysim modelu, niedożywienie występujące u babki (matki ojca) (F0), skutkuje występowaniem zaburzeń metylomu w postaci różnie zmetylowanych regionów (DMRs) w plemnikach ojcowskich (F1), co z kolei ujawnia się w metabolizmie potomstwa (F2) . Co ciekawe, 43% słabiej zmetylowanych DMRs w pokoleniu F1 wykazywało podobnie niski stopień metyzacji w pokoleniu F2 i tym samym miało potencjalny wpływ na rozwój kolejnego pokolenia. Wiele spośród usposobionych genów wykazuje ekspresję w linii komórek rozrodczych, jednak są wśród nich i takie, które ujawniają się w tkankach somatycznych. I chociaż zróżnicowanie w metyzacji zanikało w pokoleniu F2 pod koniec ciąży, rozległe różnice pozostały w postaci w ekspresji genów zlokalizowanych blisko wspomnianych DMRs i zaangażowanych w metabolizm. Stąd wydaje się mało prawdopodobne, że zmiany w ekspresji są bezpośrednio kontrolowane przez metyzację DNA . Podobny proces odnotowano w postaci następstw widocznych w drugim pokoleniu spowodowanych dietozależną otyłością matki . Przykłady te pokazują, iż rozregulowane na wczesnym etapie rozwojowym profile epigenetyczne są zdolne do „przekazania pałeczki” innym jednostkom i indukują inne, aczkolwiek wciąż nie do końca zidentyfikowane zmiany, mogące oddziaływać na budowę chromatyny, na sieci czynników transkrypcyjnych lub na różnicowanie struktury tkankowych. W modelu odporności na uzależnienie od kokainy, ta sama modyfikacja (acetylacja histonów) tego samego genu (Bdnf)była obserwowana zarówno w plemnikach ojcowskich jak i w korze przedczołowej potomstwa płci męskiej wykazującego rzeczoną odporność . Jako że acetylacja histonów jest znakiem związanym z ekspresją, obserwacja ta nie może być dowodem, że jest ona mechanizmem odpowiedzialnym za transfer informacji. Dwa przykłady przytoczone powyżej tylko na pierwszy rzut oka wydają się być ze sobą sprzeczne; w żadnym wypadku nie wykluczają one możliwości udziału procesu epigenetycznego. Konkretne znamiona epigenetyczne biorące w nich udział albo nie zostały jeszcze do końca poznane albo nie zostały zidentyfikowane na właściwych etapach badań. Biorąc pod uwagę oddziaływanie zachodzące pomiędzy znamionami, spodziewamy się, że występuje więcej niż jeden typ znamion, łącznie z innymi nie-epigenetycznymi procesami. Czy relacje te są przyczyną czy konsekwencją dynamiki omawianych znamion? To kluczowe pytanie dotyczy prawdziwego związku przyczynowego pomiędzy znamionami epigenetycznymi a obserwowanymi fenotypami.

RNA niekodujące

Podczas zapłodnienia, plemnik nie tylko dostarcza haploidalny ojcowski genom, lecz także uwalnia 24 000 cząsteczek niekodującego RNA (ncRNA: siRNA, piRNA, miRNA…) do oocytu. W modelach na gryzoniach wykazano, że RNA nasienia przekazuje cechy nabyte. W szczególności zaobserwowano, że używając do reprodukcji nasienia maltretowanych zwierząt, u potomstwa można było zauważyć zmiany metaboliczne i behawioralne podobne do tych, występujących w pokoleniu ojcowskim .

Jedno z ostatnich badań sugeruje, że RNA wyizolowane z nasienia może zaopatrywać potomstwo w informacje na temat wczesnej traumy ich ojca ( stres matczyny w trakcie ciąży), z konsekwencjami występującymi aż do trzeciego pokolenia . Jednak, raz jeszcze, brak domniemanej zmiany epigenetycznej odpowiadającej za dane zjawisko sugeruje, że zmiana pierwotna może być przekazywana z opóźnieniem do innych znamion lub kompleksów epigenetycznych. Modyfikacje epigenetyczne obecne w komórkach nasienia, będące następstwem matczynej ekspozycji na stres mogą ulec zmianie w inne znamiona o epigenetycznej lub nie-epigenetycznej naturze i wziąć udział w kolejnej transmisji .

Udział ncRNA w międzypokoleniowych efektach i reakcjach został ostatnio przedstawiony u gatunków bezkręgowców, u których nie zachodzi wcale metyzacja DNA, C. elegans . Ekspozycja na części wirusów prowadziła do pojawienia się ncRNA pochodzących od tych wirusów, zostały one oddziedziczone od wirusowego genomu w mechanizmach interferencji RNA i przekazane następnym pokoleniom, nadając w ten sposób dziedziczną „odporność” . Deficyty odżywcze w stadium larwalnym także prowadzą do pojawienia się microRNA (miRNA) biorących za swój cel transkrypty dla białek biorących udział w procesie odżywiania i prowadząc do wzrostu długowieczności trzeciego pokolenia. Owe cząsteczki miRNA radzą sobie ze wszystkimi ewentualnościami, jako że niektóre z nich biorą za swój cel także geny, które w normalnych warunkach są nieczynne, a mogą zostać indukowane w odpowiedzi na bodziec stresowy .

Perspektywy

Wpływy czynników środowiskowych na procesy epigenetyczne zrewolucjonizowały nasz pogląd na międzypokoleniową transmisję informacji, jednakże wciąż brakuje nam odpowiedzi na wiele zasadniczych pytań : Jaka jest prawdziwa natura wpływu, jaki niosą ze sobą czynniki środowiskowe? Jaka jest natura struktur będących obiektami tych czynników (znamiona i/lub konformacje)? Jaka jest natura obiektów, którym informacja jest przekazywana? Czy działające tu mechanizmy są bezpośrednie czy pośrednie? Jak przechowywane informacje utrzymują się poprzez pokolenia? Jakie są „okna wrażliwości” lub „niewrażliwości” na czynniki środowiskowe”? Jak różnice związane z płcią rodziców wywierają wpływ na dymorfizm płciowy potomstwa oraz nawet na kolejne pokolenia ?

Wciąż brak modelu łączącego role epigenetyki w inter- i transgeneracyjnych efektach/reakcjach . Najlepiej by było, zanim postawimyv tezę, że efekty transgeneracyjne mają epigenetyczną naturę , przyjmując dwukierunkowy związek pomiędzy genetyką a epigenetyką, przeprowadzić sekwencjonowanie , w celu odnalezienia ewentualnych mutacji de novo; podobnie w celu ustalenia innych możliwości, takich jak na przykład udział matczyny indukowany przez ojca, należałoby prowadzić badania podczas zapłodnienia in vitro i transferu embrionów lub adopcji krzyżowej. Te eksperymenty są możliwe na modelach zwierzęcych , lecz o wiele trudniejsze na ludzkich. Geny oraz sekwencje unikające reprogramowania, a także mechanizmy biorące w nich udział, dopiero teraz zaczynają być poznawane i są dobrymi kandydatami do zagłębienia się w tematykę efektów transgeneracyjnych. Badania nad wpływem środowiska powinny umożliwić rozstrzygnięcie, czy sekwencje te mogą przekazywać pamięć o wspomnianym wpływie czy też istnieją inne sekwencje mogące wykazywać podobną zdolność do unikania wymazywania znamion. Dla kontrastu, bez względu na to czy procesy, dzięki którym informacje są przekazywane mają charakter epigenetyczny czy też nie, pozostają one nieznane, podobnie jak te, które odpowiadają za różnice w transmisji od ojca i od matki. Ponad wszystko, bardzo niewiele badań skupia się na wpływie środowiska na procesy, mogące określić, w jaki sposób pamięć o wydarzeniach może być przekazywana i odkryć naturę następujących po sobie czynników pośredniczących. Większość badań nad reprogramowaniem przeprowadzono na modelach mysich . Zachowanie konkretnych mechanizmów pomiędzy gatunkami otwiera nowe ciekawe perspektywy.

Autor wyraża wdzięczność następującym osobom: Polina Panchenko, Sara Fneich, Luciano Pirola, Sabrina Chriett, Valérie Amarger, Bertrand Kaeffer, Patricia Parnet, Jérome Torrisani, Francisco Bolaños Jimenez, Hélène Jammes oraz Anne Gabory za ich uważną lekturę manuskryptu.

Bibliografia

1. Junien C, al e: Le nouveau paradigme de l’Origine développementale de la santé et des maladies (DOHaD), Epigénétique, Environnement : preuves et chaînons manquants. Medecine Sciences 2015.
2. Barker DJP, Osmond C: Infant mortality, childhood nutrition and ischaemic heart disease in England and Wales. The Lancet 1986, 327:1077-1081.
3. Yan W: Potential roles of noncoding RNAs in environmental epigenetic transgenerational inheritance. Mol Cell Endocrinol 2014, 398:24-30.
4. Grossniklaus U, Kelly WG, Ferguson-Smith AC, Pembrey M, Lindquist S: Transgenerational epigenetic inheritance: how important is it? Nat Rev Genet 2013, 14:228-235.
5. Gapp K, Jawaid A, Sarkies P, Bohacek J, Pelczar P, Prados J, Farinelli L, Miska E, Mansuy IM: Implication of sperm RNAs in transgenerational inheritance of the effects of early trauma in mice. Nat Neurosci 2014, 17:667-669.
6. Kaati G, Bygren LO, Edvinsson S: Cardiovascular and diabetes mortality determined by nutrition during parents’ and grandparents’ slow growth period. Eur J Hum Genet 2002, 10:682-688.
7. Attig L, Vige A, Gabory A, Karimi M, Beauger A, Gross MS, Athias A, Gallou-Kabani C, Gambert P, Ekstrom TJ, et al: Dietary alleviation of maternal obesity and diabetes: increased resistance to diet-induced obesity transcriptional and epigenetic signatures. PLoS One 2013, 8:e66816.
8. Arai JA, Feig LA: Long-lasting and transgenerational effects of an environmental enrichment on memory formation. Brain Res Bull 2011, 85:30-35.
9. Junien C: L’empreinte parentale : de la guerre des sexes à la solidarité entre générations. Médecine/Sciences 2000, 3:336-344.
10. Bromfield JJ, Schjenken JE, Chin PY, Care AS, Jasper MJ, Robertson SA: Maternal tract factors contribute to paternal seminal fluid impact on metabolic phenotype in offspring. Proc Natl Acad Sci USA 2014, 111:2200-2205.
11. Curley JP, Mashoodh R, Champagne FA: Epigenetics and the origins of paternal effects. Horm Behav 2011, 59:306-314.
12. Junien C, Gabory A, Attig L: . Med Sci (Paris) 2012, 28:185-192.
13. Pembrey M, Saffery R, Bygren LO: Human transgenerational responses to early-life experience: potential impact on development, health and biomedical research. J Med Genet 2014, 51:563-572.
14. Lane M, Robker RL, Robertson SA: Parenting from before conception. Science 2014, 345:756-760.
15. Dunn GA, Morgan CP, Bale TL: Sex-specificity in transgenerational epigenetic programming. Horm Behav 2010, 59:290-295.
16. Drake AJ, Walker BR: The intergenerational effects of fetal programming: non-genomic mechanisms for the inheritance of low birth weight and cardiovascular risk. J Endocrinol 2004, 180:1-16.
17. Anderson LM, Riffle L, Wilson R, Travlos GS, Lubomirski MS, Alvord WG: Preconceptional fasting of fathers alters serum glucose in offspring of mice. Nutrition 2006, 22:327-331.
18. Dunn GA, Bale TL: Maternal high-fat diet effects on third-generation female body size via the paternal lineage. Endocrinology 2011, 152:2228-2236.
19. Anway MD, Skinner MK: Epigenetic programming of the germ line: effects of endocrine disruptors on the development of transgenerational disease. Reprod Biomed Online 2008, 16:23-25.
20. Martinez D, Pentinat T, Ribo S, Daviaud C, Bloks VW, Cebria J, Villalmanzo N, Kalko SG, Ramon-Krauel M, Diaz R, et al: In utero undernutrition in male mice programs liver lipid metabolism in the second-generation offspring involving altered Lxra DNA methylation. Cell Metab 2014. Jun 3;19(6):941-51
21. Alter MD, Gilani AI, Champagne FA, Curley JP, Turner JB, Hen R: Paternal transmission of complex phenotypes in inbred mice. Biol Psychiatry 2009, 66:1061-1066.
22. Alminana C, Caballero I, Heath PR, Maleki-Dizaji S, Parrilla I, Cuello C, Gil MA, Vazquez JL, Vazquez JM, Roca J, et al: The battle of the sexes starts in the oviduct: modulation of oviductal transcriptome by X and Y-bearing spermatozoa. BMC Genomics 2014, 15:293.
23. Hackett JA, Surani MA: Beyond DNA: programming and inheritance of parental methylomes. Cell 2013, 153:737-739.
24. Duffie R, Bourc’his D: Parental epigenetic asymmetry in mammals. Curr Top Dev Biol 2013, 104:293-328.
25. Rando OJ: Daddy issues: paternal effects on phenotype. Cell 2012, 151:702-708.
26. Daxinger L, Whitelaw E: Understanding transgenerational epigenetic inheritance via the gametes in mammals. Nat Rev Genet 2012, 13:153-162.
27. Lim JP, Brunet A: Bridging the transgenerational gap with epigenetic memory. Trends Genet 2013, 29:176-186.
28. Aiken CE, Ozanne SE: Transgenerational developmental programming. Hum Reprod Update 2014, 20:63-75.
29. Heard E, Martienssen RA: Transgenerational epigenetic inheritance: myths and mechanisms. Cell 2014, 157:95-109.
30. Drake AJ, Seckl JR: Transmission of programming effects across generations. Pediatr Endocrinol Rev 2011, 9:566-578.
31. Gowaty PA, Anderson WW, Bluhm CK, Drickamer LC, Kim YK, Moore AJ: The hypothesis of reproductive compensation and its assumptions about mate preferences and offspring viability. Proc Natl Acad Sci USA 2007, 104:15023-15027.
32. Rassoulzadegan M, Grandjean V, Gounon P, Vincent S, Gillot I, Cuzin F: RNA-mediated non-Mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse. Nature 2006, 441:469-474.
33. Weiss IC, Franklin TB, Vizi S, Mansuy IM: Inheritable effect of unpredictable maternal separation on behavioral responses in mice. Front Behav Neurosci 2011, 5:3.
34. Wagner KD, Wagner N, Ghanbarian H, Grandjean V, Gounon P, Cuzin F, Rassoulzadegan M: RNA induction and inheritance of epigenetic cardiac hypertrophy in the mouse. Dev Cell 2008, 14:962-969.
35. Cowley M, Oakey RJ: Resetting for the next generation. Mol Cell 2012, 48:819-821.
36. Holland ML, Rakyan VK: Transgenerational inheritance of non-genetically determined phenotypes. Biochem Soc Trans 2013, 41:769-776.
37. Morrison KE, Rodgers AB, Morgan CP, Bale TL: Epigenetic mechanisms in pubertal brain maturation. Neuroscience 2014, 264:17-24.
38. Gill ME, Erkek S, Peters AH: Parental epigenetic control of embryogenesis: a balance between inheritance and reprogramming? Curr Opin Cell Biol 2012, 24:387-396.
39. Hajkova P, Erhardt S, Lane N, Haaf T, El-Maarri O, Reik W, Walter J, Surani MA: Epigenetic reprogramming in mouse primordial germ cells. Mech Dev 2002, 117:15-23.
40. Riising EM, Comet I, Leblanc B, Wu X, Johansen JV, Helin K: Gene silencing triggers polycomb repressive complex 2 recruitment to CpG islands genome wide. Mol Cell 2014, 55:347-360.
41. Festenstein R, Chan JP: Context is everything: activators can also repress. Nat Struct Mol Biol 2012, 19:973-975.
42. Brydges NM, Jin R, Seckl J, Holmes MC, Drake AJ, Hall J: Juvenile stress enhances anxiety and alters corticosteroid receptor expression in adulthood. Brain Behav 2014, 4:4-13.
43. Hammoud SS, Nix DA, Zhang H, Purwar J, Carrell DT, Cairns BR: Distinctive chromatin in human sperm packages genes for embryo development. Nature 2009, 460:473-478.
44. Saitou M, Kurimoto K: Paternal nucleosomes: are they retained in developmental promoters or gene deserts? Dev Cell 2014, 30:6-8.
45. Smith ZD, Chan MM, Humm KC, Karnik R, Mekhoubad S, Regev A, Eggan K, Meissner A: DNA methylation dynamics of the human preimplantation embryo. Nature 2014, 511:611-615.
46. Radford EJ, Ito M, Shi H, Corish JA, Yamazawa K, Isganaitis E, Seisenberger S, Hore TA, Reik W, Erkek S, et al: In utero effects. In utero undernourishment perturbs the adult sperm methylome and intergenerational metabolism. Science 2014, 345:1255903.
47. King V, Dakin RS, Liu L, Hadoke PW, Walker BR, Seckl JR, Norman JE, Drake AJ: Maternal obesity has little effect on the immediate offspring but impacts on the next generation. Endocrinology 2013, 154:2514-2524.
48. Vassoler FM, White SL, Schmidt HD, Sadri-Vakili G, Pierce RC: Epigenetic inheritance of a cocaine-resistance phenotype. Nat Neurosci 2013, 16:42-47.
49. Saab BJ, Mansuy IM: Neuroepigenetics of memory formation and impairment: The role of microRNAs. Neuropharmacology 2014, 80C:61-69.
50. Liu WM, Pang RT, Chiu PC, Wong BP, Lao K, Lee KF, Yeung WS: Sperm-borne microRNA-34c is required for the first cleavage division in mouse. Proc Natl Acad Sci USA 2012, 109:490-494.
51. Abramowitz LK, Bartolomei MS: Genomic imprinting: recognition and marking of imprinted loci. Curr Opin Genet Dev 2012, 22:72-78.
52. Sharma A: Bioinformatic analysis revealing association of exosomal mRNAs and proteins in epigenetic inheritance. J Theor Biol 2014, 357:143-149.
53. Rechavi O, Minevich G, Hobert O: Transgenerational inheritance of an acquired small RNA-based antiviral response in C. elegans. Cell 2011, 147:1248-1256.
54. Rechavi O: Guest list or black list: heritable small RNAs as immunogenic memories. Trends Cell Biol 2014, 24:212-220.
55. Gabory A, Roseboom TJ, Moore T, Moore LG, Junien C: Placental contribution to the origins of sexual dimorphism in health and diseases: sex chromosomes and epigenetics Biol Sex Differ 2013, Mar 21;4(1):5. .
56. Reik W, Kelsey G: Epigenetics: Cellular memory erased in human embryos. Nature 2014, 511:540-541.
57. Cantone I, Fisher AG: Epigenetic programming and reprogramming during development. Nat Struct Mol Biol 2013, 20:282-289.
58. Lesch BJ, Dokshin GA, Young RA, McCarrey JR, Page DC: A set of genes critical to development is epigenetically poised in mouse germ cells from fetal stages through completion of meiosis. Proc Natl Acad Sci USA 2013, 110:16061-16066.