Genetik handler om arvelighed, og hvordan vores gener videreføres fra generation til generation. Epigenetikken, derimod, beskæftiger sig med de arvelige forandringer, der ikke direkte involverer forandringer i selve det arvelige materiale, DNA.
Genetik handler om arvelighed, og hvordan vores gener videreføres fra generation til generation
Men hvad er så epigenetik? Ordet ”epi” er af græsk oprindelse og betyder egentlig ”ved siden af”. Genetik handler om arvelighed, og hvordan vores gener videreføres fra generation til generation.
Epigenetikken, derimod, beskæftiger sig med de arvelige forandringer, der ikke direkte involverer forandringer i selve det arvelige materiale, DNA.
Cellerne – forskellige og dog ens
Menneskekroppen bestå af mere end 200 celletyper. Der er nerveceller, hudceller, muskelceller, blodceller osv. Hver celletype adskiller sig fra de øvrige ved at have nogle helt særlige egenskaber – det gælder deres udseende, funktion samt hvilke proteiner cellerne hver især producerer. Ikke desto mindre indeholder alle celler fra det samme individ nøjagtig det samme arvemateriale – DNA.
Det betyder, at cellerne i princippet kunne være blevet helt ens – men det blev de altså ikke.
Den hollandske hungersnød i 1944-1945, hvor det daglige energiindtag faldt fra normalniveauet på cirka 2.000 kcal til knap 500 kcal, gav indsigt i, hvordan nogle gener kan påvirkes, endog ”tændes” eller ”slukkes” i flere generationer som følge af miljøpåvirkninger.
Hungersnøden i Holland ramte jo også gravide kvinder, og ved at følge de underernærede mødres børn igennem adskillige årtier har man kunnet påvise, hvordan deres udvikling og sygdomme har været markant påvirket af manglen på mad.
Forbløffende opdagelser omkring disse børn fulgte det næste halve århundrede
Børnelægen Clement Smith (1901-1988) fra Harvard Medical School var blandt de første læger, som ankom sammen med de allierede tropper.
Hollands sygehuse udmærkede sig ved detaljerede journaler med relevant patientinformation, og Smith kunne undersøge vægt og størrelse på de børn, som var født under og lige efter hungersnøden. Ved at fortsætte studierne i efterkrigstiden, kunne han også inddrage de børn, som var undfanget under hungersnøden i undersøgelserne.
De mødre, som havde været velnærede ved børnenes undfangelse, men som senere i graviditeten havde sultet, fødte typisk mindre børn end normalt. Konklusionen var, at moderen ikke havde indtaget tilstrækkelig mad til at varetage den normale fosterudvikling.
Til gengæld kunne man se, at de mødre, der var blevet gravide under hungersnøden, men hvis tredje trimester lå efter befrielsen, fik børn af normal størrelse. Fostret indhentede altså den manglende vækst i den sidste tredjedel af graviditeten og kom til verden som et barn med normal vægt.
Imidlertid fulgte en række forbløffende opdagelser omkring disse børn – og børnenes børn igennem det næste halve århundrede.
Da man i 1960’erne indkaldte børnene født ved krigens afslutning til session, blev det klart, at de børn, som havde været små ved fødslen, fordi moderen var underernæret i slutningen af graviditeten, var forblevet mindre også som voksne. Det virkede meget plausibelt. Men det var til gengæld overraskende, at de børn, som havde haft normal fødselsvægt (og været underernæret i starten af forsterudviklingen), ofte var overvægtige.
Det skulle senere vise sig, at disse voksne mænd og kvinder nu havde større risiko for gammelmandssukkersyge (type 2 diabetes), hjertekarsygdomme og alvorlige psykiske lidelser som fx skizofreni. Endnu senere, og endnu mere overraskende, har det vist sig, at også den næste generation har en højere forekomst end normalt af livsstilssygdomme.
De epidemiologiske undersøgelser af disse hollandske børn tyder altså på, at vores såkaldte fænotype, dvs. vores ydre fremtoning og fysiologi, kan nedarves i flere generationer. Umiddelbart lyder en sådan forklaring næsten som lamarckisme, opkaldt efter den franske evolutionsbiolog Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829), som hævdede, at tilegnede egenskaber kan nedarves til den kommende generation.
Epigenetikken er imidlertid ikke et endeligt opgør med, at det er generne, som nedarves til den næste generation, men den viser os, at vi også kan arve en ydre påvirkning. Men inden vi kommer til, hvordan en sådan påvirkning kan nedarves, er det nødvendigt at forstå, hvordan celler modnes.
For at undersøge Lamarcks påstand skar den tyske evolutionsbiolog August Weismann (1834-1914) i 1890 resolut halerne af 22 generationer forsøgsmus. Det viste sig hurtigt, at den næste generation af mus uden undtagelse fødtes med normale haler, og Weismann konkluderede, at tilegnede karakterer ikke nedarves. Det eneste, den kommende generation får med fra forældrene, mente Weismann, er arvematerialet.
Hvad kan så forklare, at kroppens over 200 celletyper i organer, muskler, blod, nerver osv. er så forskellige, som de er?
En nervecelle adskiller sig jo både i form og funktion fra en celle i blodet, på trods af at alle kroppens celler er skabt ved celledeling fra den første befrugtede ægcelle, da individet blev undfanget.
Til at forklare denne differentiering undersøgte biologen Conrad Waddington (1905-1975) i 1950’erne, hvordan celler modnes under den embryonale udvikling (uge 3-8 i graviditeten), hvor det befrugtede æg gradvist bliver til et foster. Waddington kunne vise, at modne differentierede celler mister deres potentiale til at udvikle sig til andre celletyper.
En moden nervecelle er specialiseret og kan ikke blive til en hjertecelle, om man så flyttede cellen til hjertet. Dette måtte betyde, at kroppens forskellige celler enten taber eller slukker permanent for de gener, som ikke bruges, efter at de har specialiseret sig.
Waddingtons forklaring blev støttet af en serie senere forsøg med frøer. Når Robert Briggs (1911-1983) og Thomas J. King (1921-2000) overførte kernen i arvematerialet fra ganske unge haletudser til en celle, hvor man havde fjernet kernen, kunne der faktisk stadig komme en almindelig frø ud af ægget. Den evne forsvandt, hvis kernen blev taget fra en voksen frø.
Den engelske udviklingsbiolog John Gurdon (f. 1933) gentog lignende forsøg med mere raffinerede teknikker og udvidede forsøgene til ældre frøer. I 1962 kunne Gurdon så vise, at celler ikke taber deres arvemateriale, når de modnes. Alle celler beholder altså alle deres gener, selv om de modnes og specialiseres.
Hvad er det så, som gør, at voksne differentierede celler normalt mister deres evne til at omdanne sig?
I dag ved vi, at dette skyldes en række transkriptionsfaktorer, altså proteiner i cellerne, som binder til specifikke dele på DNA-molekylet og er med til at regulere, hvilke gener der tændes eller slukkes.
Denne opdagelse tilskrives den japanske læge Shinya Yamanaka (f. 1962), som overførte 24 såkaldte transkriptionsfaktorer aktive i mus’ stamceller til specialiserede bindevævsceller (fibroplastre).
I 2006 kunne han publicere tilstedeværelsen af fire af disse (med de noget eksotiske navne Oct4, Sox2, Klf4 og c-Mys), der kan omdanne en specialiseret bindevævscelle til en stamcelle.
Disse særlige faktorer kan altså omprogrammere allerede specialiserede celler til stamceller, og stamcellerne kan så omdannes til et hvilket som helst væv. Dette troede man ikke var muligt indtil Yamanakas opdagelse, og han mødte da også megen skepsis.
Andre forskningsgrupper kunne imidlertid understøtte resultaterne, og Yamanaka har i dag fået enorm anerkendelse.
I 2012 delte han således Nobelprisen i medicin med John Gurdon.
Deres Nobelpris er bestemt velfortjent, fordi deres opdagelser skaber håb om, at vi i fremtiden kan omprogrammere kroppens celler under forskellige sygdomme, og at det på sigt vil være muligt at genskabe funktioner i kroppens organer. Det vil fx være interessant efter en blodprop i hjertet, hvor mange af hjertets celler er døde og ikke længere kan trække sig sammen.
Den nye forståelse af, at gener kan tændes og slukkes, har også været med til at kaste nyt lys over epigenetikken. Man forestiller sig således, at nedarvningen af karakterer uden ændringer i vores DNA kan skyldes, at nogle gener forbliver slukkede eller tændte i flere generationer.
Vi ved stadig ikke meget om de præcise mekanismer, men methylgrupper kan bindes til DNA-molekylet og slukke generne. Desuden kan det være, at særlige proteiner, der ligger omkring DNA i cellekernen (kaldet kromatin) og små RNA- stykker, kan påvirke, om gener tændes eller slukkes.
Epigenetikken er et eksempel på en relativt ny og meget overraskende opdagelse, som stadig ikke er forstået i detaljer. Ikke desto mindre er det sikkert, at epigenetikken vil få enorm indflydelse på vores forståelse af, hvordan og hvorfor sygdomme forekommer.
Konsekvenserne af de epigenetiske effekter er desuden chokerende:
Nu ved vi, at vores sundhedstilstand under opvæksten kan påvirke sundhedstilstanden – ikke blot for vores børn, men også vores børnebørn.
Epigenetikkens betydning for sygdomsbekæmpelse. Forskningen ved Center for Epigenetik handler i vid udstrækning om at afdække helt grundlæggende mekanismer i normale cellers udvikling.
Men epigenetikken rummer samtidig et stort potentiale i forhold til forståelse og bekæmpelse af sygdomme – det gælder ikke mindst kræft og sygdomme i centralnervesystemet. De epigenetiske mekanismer, som styrer normale cellers udvikling, er nemlig de samme, der er på spil, når et menneske udvikler fx kræft – når sunde celler udvikler sig til syge celler.
Således håber forskerne, at epigenetikken på sigt åbner for nye former for sygdomsbehandling.
Eksempelvis kan en øget forståelse af, hvordan vigtige biologiske og biokemiske processer reguleres, give mulighed for udvikling af mere præcise lægemidler – lægemidler som eksempelvis effektivt bremser kræftcellers ukontrollerede vækst og forhåbentlig samtidig har færre utilsigtede virkninger, end midler man bruger i dag. Ligeledes kan en dybere forståelse af de epigenetiske mekanismer lede til en mere effektiv diagnosticering af sygdomme.
Kilde:
Tobias Wang, Professor, Institut for Bioscience – Zoofysiologi, Aarhus Universitet
Center for Epigenetik, Københavns Universitet
