Gen królowej

Wyobraź sobie, że przychodzisz na świat jako pszczoła. Jeżeli jesteś samcem, czyli trutniem, twój los nie zapowiada się ciekawie i od początku wiadomo, że długo nie pożyjesz. Rola trutnia ogranicza się do zapłodnienia królowej w czasie jedynego wiosennego lotu godowego. Te, którym misja się powiedzie, od razu giną. Pozostałe wracają do ula i wegetują do pierwszych jesiennych chłodów, kiedy to są wypędzane na zewnątrz, gdzie wkrótce umierają z zimna i głodu.

Sytuacja wygląda zupełnie inaczej, gdy rodzisz się samicą. Wtedy możesz zostać bezpłodną robotnicą i przez całe życie pracować na rzecz ula. Do codziennych obowiązków należy utrzymanie czystości, zbieranie pokarmu, opieka nad larwami, stróżowanie i ochrona przed intruzami. W tym samym czasie jedna z twoich licznych sióstr zostanie królową. Będzie żyła do 20 razy dłużej od ciebie i w tym czasie stanie się matką wielu pokoleń robotnic.

Pod względem genetycznym robotnice i królowa są identyczne. Co więc sprawia, że z jednego genomu powstają tak różne organizmy? Odpowiedź daje epigenetyka (z gr. επί – nad, ponad genetyką).

Nadgenetyka

Nauka ta zajmuje się rozwikływaniem mechanizmów dziedziczenia pozagenowego. Otóż nie wszystkie nasze cechy są bezpośrednio zapisane w genach. Niektóre ujawniają się dopiero po odpowiedniej ich modyfikacji. To właśnie zmiany epigenetyczne,a nie więzy krwi, decydują o tym, która z wielu setek pszczół w ulu zostanie królową-matką.

A za zmiany epigenetyczne powodujące ujawnianie się konkretnych genów odpowiedzialnych za płodność u królowej odpowiedzialna jest... dieta.

Larwy, z których wylęgają się królowe, karmione są specjalnym pokarmem, tzw. mleczkiem pszczelim, w dużych ilościach i przez długi czas. Jest to bardzo pożywna substancja wydzielana przez gruczoły ślinowe robotnic. Przyszłe robotnice karmione są mleczkiem tylko przez trzy dni, a przyszłe matki – przez cały okres larwalny aż do przepoczwarzenia w imago, czyli dojrzałego osobnika. Ta dieta prowadzi do zadziwiających różnic w wyglądzie, rozwoju, fizjologii i zachowaniu w obrębie dwóch głównych kast zamieszkujących ule.

Pszczoły miodne to unikalny przykład, kiedy losy osobnika w całości zależą od jego wczesnej diety. Obserwacja, iż z identycznego genomu rozwijają się zupełnie inne osobniki, dowodzi, że wielkie znaczenie ma ekspresja, czyli ujawnianie się genów.

W dalszym ciągu nie rozumiemy natomiast, w jaki sposób robotnice decydują, według której diety karmić larwy i wybierać przyszłe królowe.

Wyłącznik do genów

Sekwencję genomu pszczoły miodnej już poznaliśmy. Czyni to ten gatunek idealnym obiektem badań nad tym, jak czynniki zewnętrzne wpływają na ekspresję genów.

Ekspresja genów w komórkach to proces, w którym informacja zawarta w genie jest odczytywana i przepisywana na jego produkty. Ten proces jest precyzyjnie regulowany na wielu etapach, może być stymulowany lub hamowany.

Jednym ze znanych sposobów wyciszania genów jest przyłączanie do nici DNA grup metylowych (tzw. metylacja) przez specjalne enzymy – transferazy metylowe. Ten proces jest odwracalny i mogą go modulować zmieniające się czynniki zewnętrzne. Wtedy grupy metylowe są odcinane przez enzymy i gen może ponownie ulegać ekspresji.

Inną modyfikacją, której podlega materiał genetyczny, jest przyłączanie grup acetylowych (czyli acetylacja). Ma ona odwrotny skutek do metylacji, czyli powoduje „włączanie” genów i jest również odwracalna.

Ale jak substancje pokarmowe wpływają na geny? Naukowcy przeprowadzili doświadczenia, w których sztucznie „wyłączyli” enzym – transferazę metylową – i wykazali, że ta zmiana ma taki sam efekt jak karmienie mleczkiem pszczelim – z larw powstawały same królowe matki, zdolne do reprodukcji. Z eksperymentu tego wynika, iż zmniejszenie poziomu metylacji DNA powoduje ujawnianie się genów, które decydują o tym, że z larwy rozwija się królowa. Jest to więc bezpośredni dowód, że substancje zawarte w mleczku pszczelim mają wpływ na ekspresję genów. Badania wykazały, że genom pszczoły miodnej składa się z 10 tys. genów (dla porównania: szacuje się, że genom człowieka zawiera około 20 tys. genów), z czego metylacja aż 550 z nich różni się u robotnic i królowych.

Obecnie przypuszcza się, że związki chemiczne zawarte w pokarmie przyszłej królowej matki odpowiadają za modyfikacje genomu. W skład mleczka pszczelego obok aminokwasów, tłuszczy i białek wchodzi także substancja o nazwie maślan fenylu. Reguluje ona poziom acetylacji genomu, hamując aktywność enzymów odcinających grupy acetylowe od DNA.

W efekcie, poprzez modyfikacje – zmniejszoną metylację i zwiększoną acetylację DNA – „nadpisywane” nad genami larw karmionych mleczkiem pszczelim rozwijają się z nich królowe matki.

Jesteś tym, co jesz

Wpływ wczesnej diety na zmiany epigenetyczne wykazano także u ludzi. Badania przeprowadzono w Holandii. Zimą na przełomie lat 1944-45, w czasie niemieckiej okupacji ludzie cierpieli tam głód. Osoby wtedy urodzone mają dziś 70 lat i częściej niż ich rodzeństwo cierpią na przewlekłe choroby takie jak cukrzyca, choroby układu krwionośnego i otyłość. Powodem była uboga dieta ich matek w trakcie ciąży, co – podobnie jak u pszczół – wywołało zmiany w metylacji niektórych kluczowych genów, np. zaangażowanych w metabolizm insuliny. Podobnych zmian nie zaobserwowano u osób, które doświadczyły głodu na innych etapach rozwoju.

Badania te dowodzą, że genom człowieka jest szczególnie podatny na modyfikacje w okresie prenatalnym. Chociaż zmiany epigenetyczne są odwracalne, niektóre z nich się utrwalają, z nie zawsze korzystnym wpływem na dojrzały organizm.

Wiadomo, że np. brokuły zawierają izotiocyjaniany, które zwiększają acetylację genomu. Natomiast związki zawarte w soi i zielonej herbacie hamują metylację DNA. Jak na razie badania nad tymi substancjami prowadzono jedynie w hodowlach komórkowych in vitro. Nie zostało jeszcze potwierdzone eksperymentalnie, że te same efekty można zaobserwować w żywym organizmie. Nie wiadomo też, ile związków chemicznych z pożywienia tak naprawdę trafia do naszych komórek i jakim podlegają przemianom chemicznym w układzie trawiennym.

Zmiany epigenetyczne dotyczą także komórek nowotworowych. Pojawiają się w nich już na wczesnych etapach procesu nowotworzenia. Często dochodzi w nich do „wyłączania” genów odpowiedzialnych za kontrolowanie podziałów komórek, co prowadzi do ich nadmiernego namnażania i rozprzestrzeniania się w organizmie.

Tu epigenetyka stwarza szczególne nadzieje: ponieważ, jak pamiętamy, modyfikacje epigenetyczne genomu da się odwrócić, naukowcy szukają substancji, które po podaniu choremu mogłyby cofnąć przemiany i zahamować rozwój nowotworu.


ANNA BARTOSIK jest doktorem nauk biologicznych Uniwersytetu w Heidelbergu. Obecnie prowadzi badania naukowe w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie.


Pszczoły i ludzie

Badania nad ujawnianiem się genów u pszczół są bardzo ważne dla zrozumienia biologii rozwoju człowieka. Wszystkie macierzyste komórki embrionalne mają ten sam materiał genetyczny, ale rozwiną się w serce, mózg czy mięśnie. Zależy to właśnie od ekspresji genów w odpowiednim miejscu i czasie. Także u dorosłego np. komórka nerwowa i skóry bardzo się różnią, ale zawierają ten sam materiał genetyczny, który podlega innej ekspresji. Naukowcy ciągle nie rozumieją, jak te procesy są skoordynowane na poziomie molekularnym.

AB