Csaba György
Epigenetika, avagy öröklődnek-e a szerzett tulajdonságok?
Második rész

Az írás első része az epigenetikáról, arról az örökölhető mechanizmusról szólt, amely során a génszekvencia nem változik meg, de generációk sokaságán keresztül fennmarad. Epigenetikai jelenség például a hormonális imprinting, amikor a hormonreceptorok fejlődésének időszakában a sejt a célhormonnal találkozik, és ennek hatására érését befejezi. Ha ilyenkor (a kritikus periódusokban, de elsősorban a születés körüli időszakban) az adott hormonhoz csak hasonló, de a receptorhoz kötődni képes molekulával kerül kapcsolatba a sejt, hibás imprinting lép fel, aminek következményei életre szólóan fennmaradnak, mert az imprinting az epigenom megváltozása által sejtről sejtre adódik át, egysejtűben és emlősökben egyaránt. 
 

A jelenleg ismert epigenetikusan befolyásolt kórképek
A férfiak spermiumszáma manapság lényegesen kevesebb, mint elődeiké volt.  Korábban egy ejakulátumban átlagosan mintegy 350 millió spermiumot számoltak meg, mára ez 160 millióra redukálódott. Ez számos, a modern korra jellemző tényező hatása alatt alakult ki, azonban mindezek az epigenomon – elsősorban a DNS-metiláción – keresztül hatnak. Ilyen tényezők például a kipufogógázokban lévő benzpirén, a növényvédő szerek (herbicidek és pesticidek), melyek az androgén vagy ösztrogén szteroid hormonokhoz hasonlítanak, éppen úgy, mint az antibébi tablettát szedők vizeletével a folyóvizekbe kerülő fogamzásgátló származékok, a műanyagok kialakításában fontos szerepet játszó és belőlük kioldódó biszfenol-A, de ilyen jellegűek a táplálkozásunkban egyre nagyobb szerepet játszó szója fitoösztrogénjei (genistein, daidzein) is [1]. A csökkent spermiumszám így is elegendő a megtermékenyítéshez, azonban egyéb spermiogenetikus kórképek is fellépnek. Bizonyos betegségek is egyre inkább metilációs zavarra vezethetők vissza, mint egyes prosztata- és vesebetegségek, a mell- és vastagbélrák, a korai öregedés, a magas szérum koleszterinszint, az immunzavarok (melyek a többi zavarért is indirekt módon felelősek lehetnek) és egyesek szerint – nem bizonyítottan – az Alzheimer-kór is. A hatások egyaránt megmutatkoztak magzati vagy perinatális kori expozíció esetében. A gén-expressziós vizsgálatok azt mutatták, hogy a hatás iránya nem volt egységes, volt ahol csökkent, volt ahol fokozódott a génexpresszió, a lényeg a zavaron volt, ami a szerek hatására az epigenomban fellépett.

A metilációs mintázat az életkor előre haladtával spontán is változhat. Az egypetéjű ikrek esetében nemcsak a genom azonos, hanem az epigenom is, születéskor. Ezért egyformák. Ahogy öregszenek, egyre több a már külsőleg is észlelhető eltérés, főleg, ha különböző környezetben élnek (1. ábra). Ez az epigenom eltérő változásának köszönhető, azaz a környezeti faktorok hatására megváltozik a metilációs mintázat vagy egyéb epigenetikus tényező. Ezek a változások nem nagyok, de elegendőek ahhoz, hogy a fenotipikus különbözőség kiütközzön, illetve, hogy a betegségekre való hajlam az ikerpár tagjai között némileg eltérő legyen. 

1. ábra. Idősödő egypetéjű ikrek. Az eltérések (főleg az öregedés sebességében megmutatkozóak) szembetűnőek

Vannak természetesen olyan esetek is, amikor a mutagenitás és az epigenetikus változás együtt hoz létre kóros állapotot. Ilyen volt a múlt század hetvenes éveiben felismert DES-katasztrófa. Az ösztrogén receptorokhoz kapcsolódó dietilstilbösztrolt (DES) kiterjedten alkalmazták a veszélyeztetett terhesség kezelésére, később már azért is, hogy szép, egészséges gyermekek szülessenek (2. ábra). Ennek azonban a fordítottja történt meg: a  DES-kezelt anyák leányaiban a pubertásban, vagy azt elhagyva tömegével találtak hüvelyrákot vagy azt megelőző állapotot, vagy egyéb, nem rákos, de nemi hormonok által befolyásolt betegségeket. Állatkísérletekben ezek a vizsgált esetek mintegy 95%-ában jelentek meg. Bár a DES mutagénnek bizonyult, ugyanakkor demetilálta az ösztrogén-receptor géneket is, tehát hibásan imprintálta azokat (3. ábra). Lehetségesnek tűnik, hogy a rosszindulatú daganatokért a mutáció volt a felelős, míg az összes többit az epigenetikus hatás okozta, de utóbbiak önmagukban is felősek lehettek a tumorokért.

2. ábra. A dietilstilbösztrolt (DES) úgy ajánlották a terhes nőknek, mintha az hozzásegítené őket a szép, egészséges csecsemőkhöz („in all pregnancies”,„bigger and stronger babies”). Ugyanakkor ez a szer úgy rendezte át az epigenomot, hogy sokaknál a hibás imprinting eredményeként mintegy két évtized elteltével a leány-utódokban hüvelyrák, vagy azt megelőző állapot lépett fel és a fiú utódokban is szexrendellenességek mutatkoztak Persze, akkor még szó sem volt epigenetikáról


3. ábra. Allilösztranollal (AE), vagy DES-sel újszülött korban kezelt kifejlett nőstény patkányok méh-receptorainak ösztradiol kötése. Jól látható, hogy a DES-sel kezeltek ösztradiol kötése mintegy harmada, a később emberben helyette adott AE-kezeltek kötése mintegy fele a kontrollénak, tehát a hibás imprinting alaposan megváltoztatta a receptorok kötési képességét (Csaba et al. Acta Physiol Hung, 1986, 67, 207)

Nem feltétlenül okoz azonban zavart az epigenetikus változás, melyet az imprinting vált ki. Ahogy a célhormonnal történő imprintingre szükség van a hormonreceptorok normális kötési képességének kialakulásában, ugyanúgy szükséges lehet bizonyos epigenetikus változás egyéb tulajdonságok fellépéséhez. Kimutatták például, hogy az újszülött anyai gondozása (állatkísérletekben) jelentősen befolyásolja a felnőtt kori magatartást. Azok a patkányok, melyek anyai szeretetben részesültek újszülött korukban, felnőtt korra kevésbé voltak félénkek és alkalmazkodó képesebbekké váltak. Mivel kimutatták a metilációs eltérést, feltételezik, hogy ez a hormon- (glukokortikoid) receptorok epigenetikus befolyásoltságának köszönhető.

Hogyan tudja a hibás epigenom előhívni a betegségeket? A mechanizmus még nem teljesen ismert.  Az emberi vastagbél- és végbélrák esetében azonban kimutatták, hogy a rákos sejtekben a gének kevésbé metiláltak, mint ugyanannak az egyénnek a normális sejtjeiben. Ez azt jelenti, hogy kevésbé gátoltak a gének, melyek a tumorképzésben részt vehetnek. Ugyanakkor a tumorgátló (szupresszor) gének hipermetiláltak, tehát tumorképződést gátló funkciójuk nem tud érvényesülni.

A genetikusan determinált szellemi visszamaradottság több esetében is kimutatták a metilációs zavart. Ezek egyike a fragilis (törékeny) X-szindróma. Ennek oka az FMR1 (fragilis X mentális retardáció) gén, ez kódolja ugyanis azt a fehérjét, amelynek hiánya felelős a betegségért. A hiba az epigenomban van, bizonyos gének metilálódnak és emiatt a gén a fehérje termelésére képtelen.  

Az epigenetikus öröklődés
A Tetrahymena amellett, hogy önálló sejt, teljes egysejtű organizmus, tehát ha úgy vesszük, az imprinting hatásának több száz generáció utáni megmaradása a szervezetről szervezetre való öröklődést is jelenti. Felvetődik tehát a kérdés, hogy a soksejtű emlősökben történik-e egyedről egyedre való öröklődés. Az újszülött patkányokon végzett kísérletek azt mutatták, hogy igen, bár érthető módon itt a vizsgált generációk száma sokkal kisebb. Akármilyen hormonnal történt az imprinting (perinatálisan), az utódgenerációkban felnőtt korban ennek hatása megmutatkozott. Az imprinter lehetett az inzulin, tehát egy fehérje jellegű hormon, vagy akár a szintetikus szteroidok, mint az allilösztranol (terhességvédő tabletták komponense), a városi levegőt töményen szennyező dioxin vagy benzpirén, vagy a D-vitamin is [2, 3]. Az utódokban megmutatkozó hatások kis koncentrációk esetében is igen kifejezettek voltak, az inzulin receptoriális kötésének megváltozásától egészen a szexuális libidó csökkenéséig vagy eltűnéséig. Ez azt jelenti, hogy egy szerzett tulajdonság nemcsak sejtről sejtre, hanem emlős egyedről annak utódára is átöröklődik, tehát az imprintingnek transzgenerációs hatása van. A gyűjtőfogalomként endokrin dizruptoroknak nevezett szerek (biszfenol, vinclozolin stb.) hatására még a negyedik utódgenerációban is mintegy 85%-ban léptek fel egyes betegségek állatkísérletekben.  

Az említett kísérletek óta már emberen tett megfigyelések is utalnak az epigenetikus változások öröklődésére. Mint már kiderült, a DES hatására is kialakul im­printing. Ez azt jelenti, hogy az utódgenerációkban is meg kell, hogy mutatkozzon a hatása. Ez valóban így is történt. Míg állatkísérletekben a nemi apparátus abnormalitásai az utódgenerációkban is megjelentek [4], bár egyre csökkenő mértékben, addig emberben még kevés a vizsgálható utódgenerációk száma. Mégis úgy látszik, hogy az állatkísérletekre jellemző kórképek szórványosan ugyan, de már megjelennek az unoka-generációban.

A rák (elsősorban a vastagbél- és emlőrák) esetében mintegy 5–10%-ban kimutatható a családi halmozódás, tehát a rák örökletessége. Számos alkalommal kimutatták ezzel kapcsolatban, hogy az epigenom eltérő a daganatos sejtekben, vagy éppenséggel az egész szervezetben. Nem tagadható ugyanakkor, hogy a rák fellépésében a genetikus mutáció alapvető szerepet játszik, de már mai ismereteink alapján is ugyanez mondható el az epigenetikus változásról.

Svéd kutatók [5] széleskörű statisztikai feldolgozás alapján mutatták ki, hogy a szülők vagy (elsősorban apai ági) nagyszülők korai pubertás kori táplálkozása jelentősen befolyásolja az utódok habitusát (kövérség), egyes betegségek (diabétesz, szív és keringési) megjelenését és az élettartamot. Ha az apai nagyapa túl sok táplálékot fogyasztott kamaszkorban (amikor az ivarsejtek érése megkezdődött), unokája nagyobb valószínűséggel lett diabéteszes és hamarabb halt meg. Ha viszont az apa alultáplált volt a jelzett időszakban, gyermekének kevésbé kellett tartania szív- és keringési betegségektől. Ha az apa túltáplált volt pubertás korban, az utódnál kevésbé lépett fel diabétesz. Egy lénye-gében élettani tényező (a diéta, és a benne lévő imprinter típusú anyagok) is tudja tehát úgy imprintálni a szervezet sejtjeit egy nem perinatális, de kritikus periódusban, hogy annak epigenetikusan öröklődő következménye legyen. 

Epigenetikus gyógymódok
Az epigenetikus hatások felismerése bizonyos betegségek etiológiájában magával hozta, hogy diagnosztikai és terápiás lehetőségek is felvetődjenek. A daganatok korai diagnosztikájában fontos lehet, ha testfolyadékok (pl. vér, vizelet), vagy testnedvek sejtjeiben megváltozott DNS-metiláció észlelhető, aminek vizsgálatára ma már relatíve egyszerű módszerek állnak rendelkezésre. A megváltozott metilációs mintázat a tumorra jellemző lehet és adott esetben gyógyszeresen befolyásolható. Ugyanis a DNS-metilációt, a hiszton-acetilációt és metilációt, a nukleoszóma-pozicionálást és bizonyos, nem kódoló RNS-ek epigenetikus akcióját állatkísérletekben befolyásolni képes gyógyszerek új csoportját fejlesztették ki.  A DNS-metiláció általi gátlásának feloldása elérhető a metilációs enzimek blokkolásával. Ilyen anyagok a már említett 5-azacitidin és származékai, melyek beépülve a DNS-be, megakadályozzák az enzimek működését, így a DNS metilálódását. A hiszton deacetiláz inhibitorok a hiszton acetilálását tudják megakadályozni, aktiválva ezzel a gátolt géneket. Ilyen a valproinsav és a fenilvajsav.

Bár némi előrehaladás ezen a területen megfigyelhető, ilyen és hasonló szerek alkalmazásával ember esetében nagyon óvatosnak kell lenni. Az epigenetikus masinéria ugyanis nem csak a kóros területekben működik, és jelenleg nem lehet célzottan befolyásolni. Így sokkal több kárt okozhatunk a szervezetben, mint hasznot, ugyanakkor más – kevésbé veszélyes – eszközeink is vannak a kóros folyamatok befolyásolására.

Az epigenetikus perspektíva
Úgy tűnik, az epigenetikus befolyásoltság első sejtszintű kísérletes megfigyelése a hormonális imprinting általunk végzett vizsgálata volt. Ezt követte a genom imprinting felismerése, melynek mechanizmusa elvezetett a DNS-metiláció szerepének megértéséhez. Ezután következett az epigenetikus és metabolikus imprinting fogalmának megjelenése. E két utóbbi lényege azonos a hormonális imprintingével, csak eltérő köntösben. Ha ma, amikor ez a cikk íródik, az interneten a Google-ba beírjuk, hogy hormonal imprinting, erre a kifejezésre 209 000; a genomic imprintingre 240 000; az epigenetic imprintingre 387 000; a metabolic imprintingre 1 970 000 web-lapot jelent be a rendszer. Nyugodt lelkiismerettel állíthatjuk tehát, hogy az epigenetika és epigenetikus öröklődés a modern genetika favoritja lett. Hogy miért, azt egyrészt az magyarázza, hogy az emberi génszekvenciának az ezredfordulón történt megismerése óta a fő kérdés a génexpresszió problémája, aminek megoldásában még csak a kezdeti lépéseket tettük meg. Másrészt, ha figyelembe vesszük a hormonális (epigenetikus, metabolikus) imprinting hatásait, észre kell vennünk, hogy betegségeink jelentős részének kialakulásában alapvető szerepet játszanak. Mindaz, ami a magzati életben, a perinatális korban, vagy a kritikus életperiódusokban ér minket, nyomot hagy, bevésődik, és késői következményekkel jár [1-6]. Ez nyilvánvalóan nem a modern kor eredménye vagy következménye, mert a mechanizmusok ősiek. Korunkra jellemző azonban a hibás imprinterek tömegének megjelenése és fogyasztása, és ennek elkerülhetetlenné válása.    

A vegyipar és főleg a gyógyszeripar ontja az új és még újabb vegyületeket, melyek túlnyomó része receptorokhoz kapcsolódik, illetve valamilyen módon befolyásolja az epigenomot. Az epigenom megváltozása viszont a genom expressziójában nyilvánul meg, megváltoztatva, növelve vagy csökkentve azt. Mivel a szervezet összefüggő egység, ahol egyes területek (sejtek, szövetek) struktúrájának, vagy működésének megváltozása kihat az egész szervezetre, az epigenomot befolyásoló általános és specifikus hatások egyaránt a szervezet egészét is érintik. Ezért szerepel az endokrin dizruptorok „fogyasztásának” eredményei között az immunrendszer működésének megváltozása éppúgy, mint a korai öregedés. Jelen pillanatban az Európai Unió mintegy 100 000 xenobiotikumot (biológiailag szervezetidegen, de az élő szervezetekbe bekerülő molekulát) tart nyilván a piacon, melyek közül mintegy 70 000 károsítja az emberi egészséget. Nyilvánvalóan nem mindegyik az epigenomon keresztül, de jelentős részük igen. Ennek a számnak a csökkenése nem várható, de növekedése igen, mert ez az ember tárgyakra átruházott evolúciójának következménye. Ezzel sem a hatósági nyilvántartás és tiltás, sem az emberek önfegyelmezése nem tud lépést tartani, mert benne vannak a használati tárgyainkban, a körülöttünk lévő levegőben, a táplálékban, amit eszünk, és a vízben, amit iszunk. Megkereshetjük, hogy milyen imprinting hajlamosított adott betegségre, de csak utólag, amikor a betegség már fellépett és addigra már újabb imprinterek százai léptek akcióba. És akkor még nem is vettük figyelembe az epigenetikus változás (a szerzett tulajdonságok) öröklődését. Ez ugyanis azt jelenti, hogy az epigenom az emberi evolúcióba is beleszól. Normális biológiai környezetben az epigenom által provokált változás éppúgy szelekciós hatásoknak van alávetve, mint a genom változásai által létrejött mutánsok. A jelenkor emberi világában ez azonban nem így működik, mert mindent elkövetünk egészségügyi és szociális beavatkozásokkal, hogy életben tartsuk és utódokhoz juttassuk az előnytelen változatokat (betegeket) is, ami humán és egyedi szempontból teljes mértékben elfogadható, sőt ösztönzendő. Evolúciós szempontból azonban nagy a valószínűsége annak, hogy az epigenetikus változások öröklődése negatív következményekkel jár [7,8].

Jelenleg azt sem tudjuk, hogy a ma élő emberi rasszok különbözőségében mi volt a szerepe az epigenetikus hatásoknak. Azt azonban igen, hogy a szója fogyasztása nagy mennyiségű, szteroid hormon receptorokhoz kapcsolódó molekulát visz be a szervezetbe. Az a rassz, amely az epigenomot befolyásolni képes szóját évezredek óta – terhesség alatt és születés után egyaránt – jelentős mennyiségben szerepelteti táplálékában, nemi habitusában eltér a többi rasszoktól. A nők emlői kevésbé fejlettek, a férfiak here- és péniszméretátlaga kisebb, máskor kezdődik a nemi érésük, alacsonyabb a vér nemihormon-szintjük stb. Nem tudjuk, hogy ezek az evolúciós jellegű fenotipikus különbségek valóban a szójakomponensek évezredes fogyasztásának köszönhetők-e, mert a szóját ott ma is fogyasztják, és a kaukázusi (fehér) populáció esetében is változnak a szexuális paraméterek a jelenlegi – már említett – szteroid-hormonális környezetben, de feltételezhető, hogy ehhez az epigenetikus öröklődés hozzájárult. Ez azért  is valószínű, mert a gazdaságilag fejlett országokban a gyermekek szülése későbbi életkorra tolódott, amikorra – mint az egypetéjű ikrek esetében észlelhető volt – az epigenetikus markerek inkább változnak.

Hogy az epigenetikus öröklődés hasznos vagy káros, az egyrészt mértékétől függ, másrészt a környezettől, amihez az embernek adaptálódnia kell. Fel lehet tételezni, hogy a természetes szelekció éppúgy válogatott az epigenetikusan szerzett, mint a mutáció által létrejött tulajdonságvariánsok között. Ezáltal mindkettő pozitív irányban hatott az evolúcióra, mindaddig, amíg a változások mértéke kicsi és a környezet többé-kevésbé természetes volt. Ma azonban már nem ez a helyzet. Az emberi fajnak ugyanis van genetikus öröklődése, melyben a mutáció és szelekció alakítja a faj evolúcióját, és ez juttatta el arra a fokra, amelyben már emberi kultúráról beszélhetünk. Ennek a kultúrának az evolúciója eredményezte, hogy generációról generációra fejlettebb technikai színvonalon áll, mert képes átörökíteni, amit előállított és a tudást, amit megszerzett.  Az egyre fejlettebb technika tömegméretekben előállított produktumai viszont visszahatnak létrehozójukra, mert az epigenetikus változások miatt a szerzett tulajdonságok alkati változásokban, betegségekre való hajlamban, vagy betegségekben nyilvánulnak meg és öröklődnek. Az epigenom „bombázása” miatt egy generációban egyre több az öröklődő epigenetikus változás, amire a tömegével megjelenő újabb imprinterek ártalmai rakódnak rá és öröklődnek át további generációkra. Miközben a folyamatosan gazdagodó technika lehetővé teszi, hogy a saját másik oldala által kiváltott kóros állapotokat többé-kevésbé kezelni tudjuk, az evolúciós változásokat ezzel sem tudjuk megállítani [9, 10]. 

Irodalom
[1]. ISIS Report 21/01/09, Epigenetic toxicology
[2]. Csaba G,-Karabélyos C.: Transgenerational effect of a single neonatal benzpyrene treatment (imprinting) on the sexual behavior of adult female rats. Hum Exp Toxicol 1997, 16, 553–556
[3]. Mirzahosseini S. et al.: Changes in sexual behavior of adult male and female rats neonatally treated with vitamin D3. Hum Exp Toxicol 1996, 15, 573–576
[4].Newbold RR. et al.:  Proliferative lesions and reproductive tract tumors in male descendants of mice exposed developmentally to diethylstilbestrol, Carcinogenesis 2000, 21, 1355–1363
[5]. Kaati G. et al.: Cardiovascular and diabetes mortality determined by nutrition during parents’ and grandparents’ slow growth period. Eur J Hum Genet 2002, 10, 682–688
[6]. Skinner MK. et al.: Epigenetic transgenerational actions of environmental factors in disease etiology. Trends Endocr Metab 2010, 30, 1–9
[7. Pembrey ME.: Time to take epigenetic inheritance seriously. Eur J Hum Genet 2002, 10, 669–671
[8] Csaba G. Hormonal imprinting: phylogeny, ontogeny, diseases and possible role in present day human evolution. Cell Biochem Funct 2008, 26, 1-10
[9]. Csaba G. The biological basis and clinical significance of hormonal imprinting, an epigenetic process. Clin Epigenet 2011, 2, 187-196
[10]. Csaba G.: Thoughts on the cultural evolution of man. Developmental imprinting and transgenerational effect. Riv Biol 2007, 100,  461–474


Természet Világa, 143. évfolyam, 2. szám, 2012. február
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/