Για περισσότερο από έναν αιώνα, η βιολογία καθοδηγείται από τις αρχές της κληρονομικότητας που περιγράφονται για πρώτη φορά από τον Γκρέγκορ Μέντελ στα περίφημα πειράματά του σε φυτά μπιζελιού. Ενώ αυτοί οι κανόνες εξηγούν πόσα γενετικά χαρακτηριστικά μεταβιβάζονται από τους γονείς στους απογόνους, οι επιστήμονες γνωρίζουν επίσης ότι οι αλληλουχίες DNA δεν είναι η όλη ιστορία.
Εκτός από τα γονίδια, οι γονείς μπορούν να μεταδώσουν και επιγενετικές αλλαγές. Αυτές είναι χημικές αλλαγές που επηρεάζουν τον τρόπο λειτουργίας των γονιδίων χωρίς να αλλάζουν τον υποκείμενο κώδικα DNA.
Τώρα, μια νέα ομοσπονδιακή μελέτη σε ποντίκια υποδηλώνει ότι ορισμένα από αυτά τα κληρονομικά επιγενετικά σημάδια δεν ακολουθούν τους κλασικούς νόμους του Μέντελ. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι περίπου το 7% των προτύπων επιγενετικής κληρονομικότητας που εξέτασαν συμπεριφέρονταν με απροσδόκητους τρόπους. Η έρευνα αποκάλυψε επίσης σπάνιες μορφές κληρονομικότητας που είχαν προηγουμένως παρατηρηθεί σε φυτά και μύγες αλλά όχι σε θηλαστικά.
«Τα κληρονομικά μη μεντελιανά πρότυπα επιγενετικής μπορεί να είναι ένας ταχύτερος τρόπος απόκτησης διαφορετικών ή νέων χαρακτηριστικών από τις αλλαγές στη γονιδιωματική αλληλουχία, ιδιαίτερα ως απάντηση σε περιβαλλοντικούς στρεσογόνους παράγοντες», δήλωσε ο Andrew Feinberg, MD, διακεκριμένος καθηγητής Bloomberg, Σχολή Δημόσιας Υγείας του Πανεπιστημίου Johns Hopkins και Ιατρική Σχολή Μηχανικών Bloomberg. Συνοδήγησε τη μελέτη με συναδέλφους στο Texas A&M University.
Τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν στις 20 Μαΐου Γενετική της φύσης και τονίζουν σε ένα σύντροφο η φύση Η σύντομη εργασία υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
Πώς ο νόμος του Μέντελ εξηγεί την κληρονομικότητα
Οι νόμοι του Μέντελ περιγράφουν πώς διαφορετικές εκδοχές γονιδίων, γνωστών ως αλληλόμορφα, περνούν από τη μια γενιά στην άλλη. Στα θηλαστικά, οι απόγονοι κληρονομούν ένα αλληλόμορφο από κάθε γονέα. Μερικά αλληλόμορφα είναι κυρίαρχα, δηλαδή τα χαρακτηριστικά τους εκφράζονται, ενώ άλλα είναι υπολειπόμενα και κρυφά όταν συνδυάζονται με ένα κυρίαρχο αλληλόμορφο.
Αυτές οι αρχές αποτέλεσαν τη βάση της σύγχρονης γενετικής. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν ήδη εντοπίσει εξαιρέσεις που αφορούν επιγενετικές διαδικασίες όπως η γονιδιωματική αποτύπωση. Σε αυτή την περίπτωση, το αν ένα αλληλόμορφο είναι ενεργό εξαρτάται από το αν κληρονομείται από τη μητέρα ή τον πατέρα και αν είναι κυρίαρχο ή υπολειπόμενο.
Νέα έρευνα έχει αποκαλύψει πρόσθετα παραδείγματα γονιδιωματικής αποτύπωσης και αρκετές άλλες μορφές κληρονομικότητας που δεν ταιριάζουν στο παραδοσιακό πλαίσιο του Mendel.
Νέα στοιχεία για μη Μεντελική επιγενετική κληρονομικότητα
Στη γονιδιωματική αποτύπωση, ένα αλληλόμορφο μπορεί να αναγνωριστεί χημικά και να απενεργοποιηθεί αποτελεσματικά μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεθυλίωση. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να προέρχονται από σπέρμα ή ωάρια και μεταβιβάζονται στους απογόνους.
Οι ερευνητές εντόπισαν αποτυπώματα σε πέντε επιπλέον γονίδια.
Πέρα από αυτά τα ευρήματα, η ομάδα ανακάλυψε ότι η μη Μεντελιανή επιγενετική κληρονομικότητα μπορεί να εμφανίζεται πιο συχνά από ό,τι είχε αναγνωριστεί προηγουμένως. Βρήκαν επίσης κληρονομικά επιγενετικά πρότυπα που δεν βρέθηκαν σε κανέναν γονέα.
Για να διερευνήσουν αυτά τα αποτελέσματα, οι επιστήμονες παρακολούθησαν τη μεθυλίωση του DNA, μια κοινή επιγενετική τροποποίηση στην οποία χημικές ομάδες που περιέχουν άτομα άνθρακα και υδρογόνου προσκολλώνται σε περιοχές υποκινητή που ελέγχουν εάν τα γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται.
Η μελέτη εξέτασε δείγματα ιστού από τρεις γενιές ποντικών 4 έως 6 μηνών. Η πρώτη γενιά περιελάμβανε 26 ποντίκια, η δεύτερη γενιά 34 και η τρίτη γενιά 19 ζώα.
Οι ερευνητές ανέλυσαν μεγάλα τμήματα του γονιδιώματος του ποντικού, παρατηρώντας τόσο τη γενετική αλληλουχία όσο και 12 προηγουμένως αναγνωρισμένα πρότυπα κληρονομικής μεθυλίωσης του DNA.
Το έργο συγκέντρωσε ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins και το Texas A&M University. Ο Φάινμπεργκ εργάστηκε με τους συν-ανταποκριτές του David Threadgill, Ph.D., Regents Professor στο Texas A&M, και τον Kasper Hansen, Ph.D., καθηγητή βιοστατιστικής στο Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Johns Hopkins Adam Davidovich βοήθησε στην ανάπτυξη νέων εργαστηριακών και υπολογιστικών μεθόδων που επιτρέπουν τη μελέτη των δεδομένων γονιδιώματος και μεθυλίωσης μαζί.
Ιδιότητες που εμφανίζονται χωρίς γονικά σύμβολα
Σε όλο το σύνολο δεδομένων, οι ερευνητές εντόπισαν 522 περιπτώσεις, που αντιπροσωπεύουν περίπου το 7% των προτύπων επιγενετικής κληρονομικότητας που εξετάστηκαν σε μη φυλετικά χρωμοσώματα, που δεν ακολούθησαν τις προσδοκίες του Μεντελιανού.
Από αυτές, οι 54 ήταν σπάνιες ή «πιθανές» κληρονομικές περιπτώσεις που απουσίαζαν και στους δύο γονείς.
Σε ένα παράδειγμα, δύο ποντίκια παρήγαγαν απογόνους χωρίς μεθυλίωση σε ένα συγκεκριμένο αλληλόμορφο όπου και τα δύο αντίγραφα αυτού του αλληλόμορφου έφεραν μεθυλίωση.
«Η μεθυλίωση εμφανίστηκε φαινομενικά από το πουθενά», λέει ο Feinberg.
Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ορισμένα επιγενετικά χαρακτηριστικά μπορεί να εμφανιστούν στους απογόνους μέσω μηχανισμών που είναι ελάχιστα κατανοητοί.
Πρώτη ένδειξη παραμετάλλαξης σε θηλαστικό
Η μελέτη αποκάλυψε επίσης ένα σπάνιο φαινόμενο κληρονομικότητας γνωστό ως παραμετάλλαξη σε ένα γονίδιο. Capn11που παίζει σημαντικό ρόλο στη φυσιολογική ανάπτυξη του σπέρματος. Οι μεταλλάξεις στην ανθρώπινη έκδοση αυτού του γονιδίου έχουν συνδεθεί με στειρότητα και διαταραχές που σχετίζονται με το σπέρμα.
Η παραμετάλλαξη συμβαίνει όταν η μεθυλίωση που υπάρχει σε ένα αλληλόμορφο πυροδοτεί τη μεθυλίωση στο άλλο αλληλόμορφο.
«Είναι σχεδόν σαν η μεθυλίωση να μεταφέρεται στο άλλο αλληλόμορφο», λέει ο Feinberg.
Η παραμετάλλαξη βρέθηκε σε μια περιοχή που σχετίζεται με ένα επαναλαμβανόμενο γενετικό στοιχείο που είναι γνωστό ότι επηρεάζεται από περιβαλλοντικές εκθέσεις. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι επιγενετικές αλλαγές συνδέονταν προηγουμένως με παράγοντες όπως η διατροφή, το στρες και το τραύμα.
Επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία και ασθένειες
Σύμφωνα με τον Hansen, τα ευρήματα υπογραμμίζουν την αξία της μελέτης τόσο της γενετικής όσο και της επιγενετικής μαζί κατά τη διερεύνηση των κληρονομικών χαρακτηριστικών και του κινδύνου ασθένειας.
«Αυτή η εργασία μπορεί να πείσει τους επιστήμονες να ενσωματώσουν πιο συχνά τόσο τη γονιδιωματική όσο και την επιγονιδιωματική για να αποκτήσουν μια πλήρη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο κληρονομούνται οι ασθένειες και οι υγιείς καταστάσεις».
Για τη διεξαγωγή της έρευνας, η ομάδα βασίστηκε σε τεχνολογία προσδιορισμού αλληλουχίας DNA με μεγάλη ανάγνωση, η οποία μπορεί να αναλύσει τμήματα DNA που κυμαίνονται σε μήκος από περίπου 10.000 ζεύγη βάσεων έως περισσότερα από 1 εκατομμύριο ζεύγη βάσεων. Αν και είναι πιο εντατική από την αλληλουχία σύντομης ανάγνωσης, η τεχνική παρέχει μια σαφέστερη εικόνα των αλληλικών διαφορών και των απομακρυσμένων θέσεων μεθυλίωσης.
Κοιτάζοντας το μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν παρόμοια μοτίβα κληρονομικότητας στα ανθρώπινα γονιδιωματικά δεδομένα. Τέτοιες μελέτες μπορούν να βοηθήσουν τους κλινικούς γενετιστές να κατανοήσουν καλύτερα τις κληρονομικές ασθένειες και να αποκαλύψουν πώς οι περιβαλλοντικές επιρροές, συμπεριλαμβανομένης της διατροφής, μπορούν να επηρεάσουν την επιγενετική κληρονομικότητα μεταξύ των γενεών.
Άλλοι συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν την Daniela Cuomo και την Alexandra Naran από το Texas A&M University. Hang Su και Leonard McMillan από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill. και ο Sandeep Kamhampati, ο King King Gong και η Raquel Trygvadotti από το Johns Hopkins.
Η χρηματοδότηση της έρευνας παρασχέθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (DP1DK119129, R35GM149323, RM1HG008529, R01DK130333), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και μια επιχορήγηση του Texas A&M Health Science Center Seedling Grant.
