epigenetika? (ulomak iz Michael Skinner, Unified theory of evolution)

Velik dio moderne biologije zasnovan je na teoriji evolucije Charlesa Darwina, onome procesu prirodne selekcije kojim priroda odabire najjače, najbolje prilagođene organizme da se reproduciraju, množe i opstaju. Taj se proces naziva i prilagodbom (adaptacijom) a svojstva koja će najvjerojatnije pomoći individui da preživi smatraju se adaptivnima. Kako se organizmi mijenjaju i nove varijante napreduju, vrste se pojavljuju i razvijaju. Kada je Darwin 1850-ih godina opisao ovaj pogon prirodne selekcije, molekularni mehanizmi u njegovoj podlozi bili su nepoznati. No tijekom prošlog stoljeća, napretkom u genetici i molekularnoj biologiji, ocrtala se jedna moderna, neodarvinistička teorija o tome kako evolucija radi: nizovi DNA nasumično mutiraju pa  se organizmi sa specifičnim nizovima koji su najbolje prilagođeni okolišu množe i prevladavaju. Te vrste dominiraju nekom nišom, sve dok se okoliš ne promjeni i pogon evolucije se ponovno upali.

Ali pokazuje se da je to objašnjenje za evoluciju nepotpuno, što ukazuje da i neki drugi molekularni mehanizmi također igraju ulogu u tome kako vrste evoluiraju. Jedan od problema Darwinove teorije je taj da, dok vrste doista razvijaju više adaptivna svojstva (koja biolozi nazivaju fenotipovima), stopa mutacije slučajne DNA sekvence ispada presporom da bi objasnila mnoge uočene promjene. … Da citiram istaknutog evolucijskog biologa Jonathana B. L. Barda, koji je parafrazirao T. S. Eliota:

Između fenotipa i genotipa pada sjena. …

Dio objašnjenja se može naći u nekim pojmovima koje je Jean-Baptiste Lamarck predložio 50 godina prije nego je Darwin objavio svoj rad. Lamarckova teorija, za dugo vremena odbačena u kantu za smeće znanosti, držala je, između ostalog,

da okoliš može izravno mijenjati svojstva, koja tada nasljeđuju sljedeći naraštaji. …

Unatoč … značajne akademske karijere, Lamarck je svojim bogohulnim evolucijskim idejama antagonizirao mnoge svoje suvremenike kao i znanstvenike tijekom 200 godina.

lamarck

Jean-Baptiste Lamarck (1744.-1829.)

Na početku je Lamarck možda bio na stupu srama kao vjerski heretik, ali u modernim vremenima je znanstvena ortodoksija – a posebno Darwinova nedodirljiva teorija evolucije – prouzročila da mu se ime tretira kao šala. Ipak, na kraju karijere je i sam Darwin došao na njegovo; čak i bez dobrobiti molekularne biologije mogao je vidjeti da slučajne promjene nisu dovoljno brze da bi u cijelosti podržale njegovu teoriju.

Pitanje je ovo: ako na genetske mutacije ne djeluje samo prirodna selekcija, koje molekularne sile stvaraju cijeli taj skup varijacija svojstava potrebnih da prirodna selekcija dovrši posao? Jedan je trag nađen skoro stoljeće nakon što je Darwin predložio svoju teoriju, 1953. godine, baš kad su James Watson i Francis Crick raskrili tajne DNA i dvostruku uzvojnicu. Te je godine razvojni biolog Conrad Waddington sa Sveučilišta u Edinburghu izvijestio da se vinske mušice izložene vanjskim kemijske podražajima ili promjenama u temperaturi tijekom embrionalnog razvoja može pogurati da razviju različite strukture krila. Promjene koje su znanstvenici izazvali u toj jednoj generaciji nakon toga bivale su naslijeđene od potomaka u toj lozi. Waddington skovao moderan izraz – “epigenetika” – da bi opisao tu pojavu brze promjene. Prije nego su Watson i Crick uopće objavili svoju DNA strukturu, Waddington je prepoznao mogući utjecaj koji bi njegovo otkriće moglo imati na teoriju evolucije: promjene unutar samo jedne generacije krila vinske mušice podupirale su izvorne zamisli heretika Lamarcka. Činilo se da okoliš može izravno utjecati na svojstva.

waddington

Mada je Waddington opisao opću ulogu epigenetike, o molekularnim elementima ili mehanizmima koje ona uključuje nije znao ništa više od Lamarcka ili Darwina. Ali što je molekularna biologija više dekodirala kako funkcionira život, to su Waddingtonovi pojmovi – i Lamarckovi – imali više smisla. Doista, mada velika većina okolišnih čimbenika ne može izravno promijeniti molekularnu sekvencu DNA, oni reguliraju skupinu epigenetskih mehanizama koji reguliraju kako DNA funkcionira – uključujući ili isključujući izražavanje gena, ili diktirajući kako će proteini, proizvodi naših gena, biti izraženi u stanicama.

Danas je upravo to definicija epigenetike: molekularni čimbenici koji reguliraju kako DNA funkcionira te koji će geni biti uključeni ili isključeni, neovisno o samoj DNA sekvenci. Epigenetika uključuje niz molekularnih procesa koji mogu dramatično utjecati na aktivnost genoma bez da mijenjaju sekvencu DNA u samim genima. …

Svi ti epigenetski mehanizmi imaju jedinstvene uloge u molekularnoj regulaciji funkcioniranja DNA. Slijedi da biološka regulacija nikad neće uključivati “samo genetski proces” niti “samo epigenetski proces”. Umjesto toga, procesi epigenetike i genetike su u potpunosti integrirani. Jedno ne radi bez drugoga.

Da bi epigenetika imala značajan utjecaj na evoluciju, njezine promjene moraju naslijediti sljedeći naraštaji, isto kao i DNA sekvence i genske mutacije. Ali epigenetičko nasljeđivanje ne slijedi mnoga od mendelovskih pravila koja vrijede za klasičnu genetiku i neodarvinističku teoriju evolucije. Ta pravila drže da DNA sekvence i geni djeluju diskretno, poput čestica; nakon reprodukcije “čestice” svakog od roditelja ujedinjuju se nasumce s odgovarajućim parom drugog roditelja, što dovodi do nove DNA sekvence i novog izraza nasljeđenih svojstava.

Nasuprot tome, epigenetsko međugeneracijsko nasljeđivanje javlja se kada zametna stanica (sperma ili jajašce) prenosi epigenetsku informaciju između generacija, čak i u odsutnosti neprekinute izravne izloženosti tom okolišu. Izloženost okolišu je posebno utjecajna tijekom razvoja zametka – na primjer, kada se spolni organi fetusa razvijaju u testise muškaraca ili jajnike žena da bi proizvodili spermu ili jajašca kasnije u životu. Doista, izloženost okolišu tijekom tog presudnog razdoblja može izazvati trajne epigenetske promjene…

image

Michael Skinner (1956.)

Okolišem izazvano epigenetsko međugeneracijsko nasljeđivanje do sada je primijećeno kod biljaka, kukaca, riba, ptica, glodavaca, svinja i ljudi. … Pokazalo se da se [takvo] nasljeđivanje fenotipskih svojstava varijacije i bolesti pojavljuje tijekom barem 10 generacija u većini organizama, a najopsežnija istraživanja učinjena su kod biljaka za stotine generacija. Jedan primjer kod biljaka, svojstvo toplinski izazvanog procvata koju je prvi primijetio Carl Linnaeus u 18. stoljeću a kasnije je utvrđeno da se radi o modifikaciji DNA metilacije koji se dogodio u početnoj biljci, zadržalo se kod 100 generacija. Kod crva se pokazalo da se svojstva promijenjena drugačijom prehranom prenose kroz više od 50 generacija. U sisavaca, s dužim trajanjem jedne generacije, pronašli smo da su se nenormalna svojstva izazvana toksinima prenijela kroz skoro 10 generacija. U većini tih istraživanja navedena međugeneracijska svojstva ne degeneriraju nego traju. Čak je i Waddingtonov pokus s muhama istražen na 16 generacija, i promijenjena svojstva su prenesena te postoje i danas.

Uvelike onako kako je Lamarck predložio, promjene u okolišu doslovno mijenjaju našu biologiju. A čak i bez neprekinute izloženosti, biološke promjene, izražene kao svojstva ili u obliku bolesti, prenose se s jedne generacije na drugu.

Okoliš igra bitnu ulogu u evoluciji. U darvinističkom smislu, on određuje koje će individue i vrste preživjeti kroz neumoljivi pogon prirodne selekcije. No, velik broj okolišnih čimbenika može izravnije utjecati na evoluciju i biologiju, kroz epigenetska sredstva: svojstva se mogu mijenjati izlaganjem temperaturi i svjetlosti ili kao odgovor na prehrambene parametre, poput visoke masnoće ili dijeta s ograničenjem kalorija. Mnoštvo kemikalija ili toksina iz biljaka i uopće okoliš mogu utjecati na fenotipske varijacije i zdravlje. …

Neprekidno se povećavaju dokazi uloge epigenetike u evoluciji. Jedno zanimljivo istraživanje uspoređuje neandertalsku i ljudsku DNA, gdje su genetske razlike znatno manje naglašene nego li epigenetske, koje uključuju promjene u metilaciji DNA u genomima. Ukratko, integracija neolamarkističkih i neodarvinističkih pojmova u jedinstvenu teoriju pruža daleko učinkovitije molekularne osnove kako evolucija funkcionira.

I neolamarkistički i neodarvinistički mehanizmi pogone evoluciju, i čini se da su isprepleteni. Doista, zato što okolišna epigenetika može povećati varijacije svojstava u populaciji, ona čini moćnijom prirodnu selekciju, koja funkcionira tako da promiče adaptivna svojstva nad drugima. Klasična neodarvinistička evolucija uključuje genetsku mutaciju i genetsku varijaciju kao glavne molekularne mehanizme stvaranja varijacije. Doda li se tim mehanizmima fenomen okolišne epigenetike koja izravno povećava varijacije svojstava, povećava se sposobnost okoliša da posreduje prirodnu selekciju i evoluciju. …

Mnogi su skeptični spram takve ujedinjene teorije evolucije, osobito u svjetlu paradigme genetskoga determinizma pod čijim su utjecajem biološke znanosti već više od 100 godina. Genetski determinizam vidi DNA kao osnovni građevni blok biologije a DNA sekvence kao krajnjeg upravljača molekulama.

Možda je kruna genetskog determinizma bilo sekvencioniranje ljudskog genoma, koji je imao pružiti konačni dokaz o prvenstvu gena. Očekivalo se da će širok raspon istraživanja povezanih s genomom ponuditi biološke tragove za normalne i nenormalne pojave života i otkriti podlogu bolesti. No, u svjetlu tog sekvenciranja, glavno predviđanje genetskog determinizma – da se većinu ljudske biologije i bolesti može shvatiti kroz prizmu genetike – nije ostvareno.

Generacije znanstvenika i javnosti učile su genetiku, ali malobrojni su bili izloženi relativno novoj znanosti epigenetike – zapravo je uključivanje epigenetike u molekularne osnove biologije i evolucije naišlo na oporbu. I Watson, koji je igrao značajnu ulogu u otkrivanju strukture DNA, i Francis Collins, koji je odigrao značajnu ulogu u sekvencioniranju ljudskoga genoma i direktor je američkog Nacionalnog instituta za zdravlje, u početku su dovodili u pitanje značaj epigenetike osim u nekoliko običnih mjerenja, ali danas su joj skloniji. Ne čudi da je, nakon 100 godina genetskog determinizma, otpor promjeni paradigme snažan. … Prihvaćanje da epigenetika igra važnu ulogu u evoluciji ne ruši znanost o genetici; prihvaćanje neolamarkističkih zamisli nimalo ne osporava klasičnu neodarvinističku teoriju. Prihvaćena znanost je bitna i točna, ali dio je jedne veće, nijansiranije priče koja proširuje naše razumijevanje i integrira sva naša opažanja u suvislu cjelinu.

ulomak iz Michael Skinner, Unified theory of evolution, 2016., link, preveo: ja

Oglasi

Komentiraj

Popunite niže tražene podatke ili kliknite na neku od ikona za prijavu:

WordPress.com Logo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš WordPress.com račun. Odjava / Izmijeni )

Twitter picture

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Twitter račun. Odjava / Izmijeni )

Facebook slika

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Facebook račun. Odjava / Izmijeni )

Google+ photo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Google+ račun. Odjava / Izmijeni )

Spajanje na %s