Epigenetikk

En kombinasjon av arv og miljø påvirker personligheten og de kroppslige egenskapene våre. De siste årene har forskerne funnet ut stadig mer om hvordan miljøet påvirker genene våre, i noen tilfeller på måter som går i arv. Studiet av dette kalles epigenetikk.

Å hevde at alt ligger i genene, er en sannhet med bokstavelig talt store modifikasjoner. Det er bred enighet om at en kombinasjon av arv og miljø påvirker utviklingen vår og hvem vi er (se temaside om arv og genetikk). Enkelte trekk og egenskaper, som for eksempel øyenfarge, er bestemt av genene: Har du arvet genene som gir blå øyefarge, vil du ha blå øyne, uavhengig av hva slags miljø du lever i. Også enkelte arvelige sykdommer bestemmes i stor grad av genene vi har. Andre egenskaper, som språkutvikling og interesser, formes hovedsakelig av miljøet rundt oss.

I mange tilfeller påvirkes imidlertid også selve genene av miljøet. Vi får genene tildelt ved unnfangelsen, men miljøpåvirkninger kan gi varige endringer i hvordan de uttrykkes og hvordan de påvirker egenskapene våre. Studiet av epigenetikk (fra latin: over eller ved siden av genetikken) undersøker hvordan gener aktiveres eller inaktiveres. Hvert enkelt gen kan ha flere kjemiske grupper festet til seg som virker som en av-bryter, i en kort periode eller i noen tilfeller hele livet (les mer i fordypningsfanen). Når noen kjemiske grupper fester seg til et gen kan informasjonen i genet bli vanskelig å avlese, slik at det blir «skrudd av». Det hele kan sammenlignes med en avis: Hvis den ligger oppslått på bordet, er det mulig å lese innholdet. Hvis vi krøller den sammen, er det ikke lenger mulig å tyde det som står der, selv om informasjonen fortsatt er der. Andre kjemiske grupper får genstrukturen til å åpne seg opp, slik at det blir enkelt for de enzymene som skal lese av informasjonen i DNA å få tilgang.  Epigenetiske endringer kan altså overstyre informasjonen i selve DNA-sekvensen i genet, ved å påvirke om genet er aktivt eller ikke. Eksempler på ytre påvirkninger som ser ut til å kunne påvirke genaktiviteten, er kosthold, trening, røyking og ekstrem frykt.

Det er derfor ikke nødvendigvis sikkert at man for eksempel utvikler en bestemt sykdom selv om man har en genmutasjon som forårsaker denne sykdommen. Miljømessige eller epigenetiske faktorer kan påvirke hvordan det aktuelle genet uttrykkes. I de senere årene har det blitt klart at enkelte epigenetiske endringer i genene ikke bare kan overføres fra celle til celle gjennom celledelingen i hvert individ, men også til neste generasjon gjennom kjønnscellene. For eksempel har en studie vist at kvinner som har opplevd hungersnød har større sannsynlighet for å få barn som utvikler overvekt eller diabetes (les mer om dette lenger ned på siden). Dette kalles epigenetisk arv.

 

Viktig for fosterutviklingen

Blastocyst. Foto: iStock.

Epigenetikken gjør at cellene i et tidlig embryo klarer å utvikle seg til alle de over 220 ulike celletypene vi har i kroppen. Rundt fem til syv dager etter befruktning består embryoet av en struktur med om lag 250 celler, som kalles blastocyst. Blastocysten ser ut som et bringebær, med store celler som omslutter et hulrom som inneholder stamcellene som skal utvikle seg til et helt individ. Disse stamcellene er pluripotente, det vil si at de kan utvikle seg til alle kroppens celler i individet som skal bli født ni måneder senere (se temaside om stamceller).

Siden alle kroppens celler utvikler seg fra disse stamcellene, betyr det at alle cellene våre inneholder de samme genene. Cellene har imidlertid aktivert de genene som er nødvendige i det vevet de befinner seg i. For eksempel har hudceller og nyreceller identisk DNA, men i nyrene har cellene aktivert de genene som er nødvendige for at nyrene skal rense og skille ut urin, mens resten av genene er inaktivert. I hudcellene er genene som gjør at huden danner et beskyttende lag rundt kroppen aktivert, mens andre gener er slått av.

Ved å kombinere ny DNA-sekvenseringsteknologi med detaljert analyse av de ulike epigenetiske modifikasjonene, har det blitt mulig å lage epigenetiske kart som sier noe om hvilke gener som er skrudd på og hvilke som er skrudd av i forskjellige celletyper. Den totale mengden genetisk materiale i en celle kalles genomet, og er relativt likt i alle cellene i et individ. Det viser seg imidlertid at måten de epigenetiske modifikasjonene fordeler seg langs genomet på (det såkalte epigenomet) varierer mellom ulike celletyper og ulike cellestadier. Selv om vi bare har ett genom, har vi hundrevis av forskjellige epigenomer. Disse epigenomene forandrer seg gjennom utviklingen fra embryo til voksent menneske, ved miljøpåvirkning og fra celletype til celletype.

 

Arv eller miljø?

Siden epigenetikk er et forholdvis nytt forskningsfelt, er det mye vi ikke vet ennå, men feltet har åpnet opp for en ny forståelse av hvordan genene våre påvirkes av miljøet rundt oss. Den svært raske metodeutviklingen innen molekylærbiologi har gjort at vi har større kjennskap til hvordan miljøet endrer genene våre nå enn for bare noen få år siden.

Epigenetikk er et stort, komplekst samspill hvor flere grupper av enzymer (proteiner som katalyserer reaksjoner) inngår. Én klasse enzymer setter på ulike kjemiske grupper på DNA-et, en annen gruppe enzymer leser hva slags kjemisk gruppe som er tilstede og i tillegg finnes det en stor gruppe enzymer som fjerner de kjemiske gruppene. Noen av de kjemiske gruppene lager endringer som vanskelig lar seg viske bort, enzymene som setter dem på kan sammenlignes med kulepenner. Hvis dette skjer i kjønnscellene, kan påfølgende generasjoner arve endringene. Andre kjemiske grupper er reversible, slik at de kjemiske gruppene de setter på er lettere å viske bort. Enzymene som setter på disse er derfor mer som blyanter enn kulepenner.

Mye av forskningen på hvordan miljøet påvirker genene våre kommer fra studier med eneggede tvillinger. De har identiske gener, og i de fleste tilfeller vokser de opp i den samme familien med det samme miljøet rundt seg. Likevel kan én tvilling utvikle en sykdom hvor arv spiller en viktig rolle, mens den andre holder seg frisk. Hvis for eksempel den ene eneggede tvillingen blir schizofren, er det bare rundt 50 prosent sjanse for at den andre tvillingen også blir det. Hvorfor er det slik? Mange forskere mener at selv om tvillingenes gener er identiske, kan mange av genene være aktive hos den ene tvillingen og passive hos den andre. Livsstil og miljøpåvirkninger kan føre til ulik aktivering og inaktivering av genene i tvillingene slik at genene uttrykkes forskjellig, og dette kan være med på å forklare sykdomsutviklingen.

 

Teksten fortsetter under bildet. 

Pelsfargen til Calico-katter er et synlig og vakkert utslag av epigenetisk genregulering. Genet som styrer orange og svart pels er lokalisert på hunkattens X-kromosom. På et tidlig stadium i kattens fosterutvikling blir ett av de to X-kromosomene permanent inaktivert ved at en lang RNA-tråd fester seg til X-kromosomet og inaktiverer alle genene. Dette fører til at noen av cellene beholder et X-kromosom med et aktivt gen for orange pels, mens de andre sitter igjen med et X-kromosom som gir svart pels. Genet for hvit pels sitter ikke på X-kromosomet og reguleres ikke på samme måte. Foto: iStock.

 

Mange miljøfaktorer kan påvirke epigenomet

I løpet av de siste årene har det kommet mange studier som viser at for eksempel stress, kosthold og temperatur kan påvirke epigenetikken i cellene våre – og i noen tilfeller også i kjønnscellene, slik at endringene overføres til fremtidige generasjoner. Ved å studere epigenetiske forskjeller i blodceller fra eneggede tvillinger, viste en studie at det var få forskjeller i genreguleringen da tvillingene var små. Tre år gamle tvillinger hadde de samme genene aktivert, men desto eldre tvillingparene ble, jo større ble forskjellene. Hos 50 år gamle identiske tvillinger var forskjellen i den epigenetiske reguleringen stor, og forskjellene var størst hos de tvillingparene som hadde ulik livsstil og levde lenger fra hverandre.

Kosthold er én av miljøfaktorene som kan påvirke de epigenetiske modifikasjonene av bestemte gener. Vi vet fra historiske studier at tilgang på næring under svangerskap påvirker fosteret. Et godt eksempel er fra vinteren 1944 da Nederland var okkupert av Tyskland og mer enn fire millioner mennesker ble rammet av hungersnød. Et stort forskningsprosjekt undersøkte i etterkant helsedata fra gravide kvinner som var i første trimester (de første 12 ukene av svangerskapet) under hungersnøden, og også fra barna deres, som ble født etter at krigen var over. Til forskernes overraskelse hadde disse barna en større grad av overvekt enn resten av befolkningen. De hadde også økt risiko for sykdommer som diabetes og hjerte- og karsykdommer, og levde i snitt seks år kortere enn resten av befolkningen. Den påfølgende generasjonen fulgte det samme mønsteret: kortere livslengde og økt risiko for visse sykdommer.

Epigenetikk ser ut til å være en del av forklaringen. Fra dyrestudier vet vi at når gravide mus får lite mat under svangerskapet, endrer metyleringsmønstrene seg slik at genene som styrer sult blir aktive i museembryoene.  Hvis museungene får god tilgang på mat når de vokser opp, fører den økte sultfølelsen til at de spiser mer mat enn de trenger. Det samme ser ut til å  gjelde for mennesker.

For noen år siden viste en annen studie fra svenske forskere at det var en sammenheng mellom frekvensen av diabetes, overvekt og livslengde hos barn og hvordan deres bestefedre og bestemødre sultet da de var i henholdsvis puberteten og i mors liv rundt 1900-tallet. Disse arvbare endringene gjenspeilet seg ikke i selve DNA-sekvensen, kun i epigenetikken. Også fars kosthold ser ut til å kunne føre til arvelige epigenetiske endringer. Hvis en mann er overvektig, gjør det at gener som styrer insulinresistens og overvekt aktiveres i sædcellene. Hvis han får barn, har barna derfor økt risiko for å bli overvektige og utvikle diabetes, siden de har de samme endrede metyleringsmønsteret i sine celler. Andre faktorer som røyking, stress og eksponering for visse giftstoffer påvirker også metyleringsmønsteret i sædcellene.

Figur 1: Når en gravid kvinne røyker, blir både hennes egne celler, fosterets celler og fosterets kjønnsceller utsatt for toksiske stoffer som kan påvirke arvestoffet. Figur: Elisabeth Gråbøl-Undersrud/iStock.

En stor studie fra Sverige har også vist at hvis mormor røykte under graviditeten, har barnebarna en 20 prosent økt risiko for å utvikle astma sammenlignet med den øvrige befolkningen. Det er fordi nikotinet har laget permanente endringer i metyleringen i gener som er involvert i lungefunksjon, både i den gravide selv (mormor), og i hennes barn og barnebarn (figur 1).

 

Kan frykt gå i arv?

En studie på mus viste for noen år siden at frykt kan lage permanente endringer i metyleringene i kjønnscellene i hannmus, og dermed gis videre til neste generasjon. Forskerne ga hannmus elektriske støt under potene i fem dager. De elektriske støtene var ubehagelige og musene viste tydelig tegn på redsel. Samtidig som musene fikk støt kom det en sterk lukt av mandler inn i museburene (gitt som kjemikaliet acetophenone). Etter noen uker ble musene på nytt eksponert for mandellukt, og da viste de tydelige tegn på frykt, selv om de denne gangen ikke fikk støt under potene. Musene forbandt altså lukten med de vonde, elektriske støtene.

Da disse hannmusene ble krysset med hunnmus, viste det seg at museungene som ble født hadde arvet farens redsel for mandellukt. Hver gang museungene kjente lukten av mandler, ble de redde, selv om de aldri hadde opplevd å få elektriske støt. Det samme skjedde med neste generasjon museunger. Da forskerne som gjennomførte studien analyserte hvilke gener som var endret i musene, fant de ut at gener som laget reseptorer for mandellukt var aktivert i musene. Det samme var gener som styrer frykt og nervøs adferd. Mus bruker luktesansen for å finne mat og unngå farer, og det er viktig å tilpasse seg endringer i miljøet raskt. Museunger kan dermed få en evolusjonær fordel ved at genene deres har fått med seg erfaringen fra foreldrene og besteforeldrene.

 

Epigenetikk, aldring og medisin

Aldring er en komplisert biologisk prosess hvor normale fysiologiske funksjoner i kroppen gradvis slutter å virke. Fra studier på bier og mus vet vi at forskjellige miljøpåvirkninger som mat og trening påvirker epigenetikken og samsvarer med livslengden. En av grunnene til at cellene blir gamle er at epigenetikken får enkelte gener til å bli inaktive, og andre til å bli aktive, på en slik måte at cellene fungerer dårligere. Vi har en epigenetisk klokke i alle cellene våre, som kan være med på å forklare hvor gamle vi blir. Studier har vist at den epigenetiske klokken går fort i mus, mens den går saktere i aper og enda saktere i mennesker. Dette kan være noe av forklaringen på at mus bare lever i to år, aper i 25 år og vi mennesker i rundt 80 år. Det ser ut til at mange av de epigenetiske endringene som kommer gjennom et langt liv kan være reversible, og at enzymer som setter på og fjerner de kjemiske gruppene kan aktiveres raskt.

Flere studier som er nylig publisert de siste par årene viser at biologisk alder og epigenetikk kan henge tett sammen. De epigenetiske forandringene som skjer i cellene våre etter hvert som vi blir eldre, ser ut til å gå saktere i mennesker som lever sunt. Det kan forklare hvorfor to personer som begge er 60 år, kan ha helt ulik biologisk alder. Trening, sunt kosthold og nok søvn ser ut til å forsinke den epigenetiske aldringsprosessen.

Siden de fleste epigenetiske endringer er reversible, forskes det på å utvikle medisiner som kan endre metyleringen i genene. Kreftceller har for eksempel ofte et annet metyleringsmønster enn andre celler. Det er derfor håp om at man kan hemme kreftutvikling ved å utvikle medisiner som kan endre metyleringsmønsteret i kreftcellene tilbake til slik det opprinnelig var. En av fremtidens behandlinger mot kreft og andre sykdommer som diabetes kan derfor kanskje være en epigenetisk medisin som skrur av og på helt bestemte gener.

 

Innholdet på denne siden ble sist oppdatert i september 2017. 

Send oss en epost hvis du har spørsmål eller kommentarer til innholdet.

Siden ble opprettet: 28.09.2017. Siden ble oppdatert: 28.09.2017

© 2017 Bioteknologirådet. | Design: Tank - Utviklet av: Spekter