„Ključevi! Gde su mi ključevi?!“, „Kako beše ide onaj broj telefona....”, i “Ko je bio onaj tip..?” su svima poznate fraze. Starenje nosi svoj ceh, i obično znači da postajemo malo zaboravni, što ume da dovede do svakodnevnih neprijatnih situacija.

“Zašto zaboravljamo?” je jako staro pitanje. Naučnici su sad jedan korak bliže razumevanju molekularnog mehanizma zaboravljanja i pokušavaju da opišu genetske i biohemijske promene koje se u mozgu dešavaju tokom starenja, koje su krive za sve.

Starenje i pamćenje?

U starijim istraživanjima, timovi naučnicnika, istražujući mehanizme pamćenja, su našli promene u načinu čitanja određenih gena u hipokampusu (delu mozga koji je najviše zaslužan za memoriju) koje su povezane sa starenjem. Rezultati su ukazivali da sa starenjem dolazi do promene u organizaciji određenih proteina povezanih sa DNK u neuronima u mozgu, te se tako Andre Fišer (André Fischer) zajedno sa kolegama odvažio da produbi priču. Da bi testirali ideju, koristili su grupe starih i mladih miševa. Naravno, miševi nemaju set ključeva da zaborave, ali imaju zadatak da zapamte gde se u njihovom kavezu nalaze male platforme, koje ih udare strujom svaki put kad na njih nagaze.

Tim je dobio zaprepašćujuće rezultate. Posle samo sat vremena treninga, došlo je do promene u broju uključenih gena : približno 2000 gena se aktiviralo u mozgu mladog miša nasuprot 6 aktiviranih gena u mozgu starijeg miša.

Da bismo shvatili ovaj fenomen, i način na koji pamtimo moramo se malo udubiti u priču o suptilnim načinma na koje ćelija kontroliše svoje procese...

Epigenetika vs. Genetika

Naša priča počinje 1989. godine kad su holandski naučnici na čelu sa Alexandarom van der Krol-om dobili jako čudne rezultate kad su pokušali da pojačaju ljubičastu boju petunije. Umesto očekivanog pojačavanja boje, veštački ubačene kopije gena za ljubičastu boju su upravo učinile suprotnu stvar- dobijene su razne kombinacije bele i ljubičaste boje, dok su neki cvetovi potpuno pobeleli. Jedini zaključak koji je se mogao izvesti iz ovoga je bio da je veštački ubačen gen za ljubičasto nekako uspeo da “isključi” svog prirodnog parnjaka.

Petunija koriščena u eksperimentu

Na osnovu navedenih istraživanja razvila je se jedna uzbudljiva oblast genetike - epigenetika (epi- Grčki: επί- iznad ). Epigenetika se odnosi na sve modifikacije dezoksiribonukleinske kiseline koje se prenose na ćerke ćelije, a koje nisu utkane u sam genetski kod, tako da ove promene nisu genetske, već epigenetske ("nadgenetske"). Na jedan suptilan način, ćelija može da manipuliše svojim genima, da ih aktivira ili “uspavljuje”, po potrebi. Ako posmatramo genom kao knjigu, ćelija ima sposobnost da određene stranice zalepi zajedno i preskoči, a da ostale „izliže od čitanja“. Objašnjenje zašto Vaša ćelija kože nije ista kao vaša ćelija jetre, upravo leži u ovoj činjenici, jednostavno, geni koji joj nisu potrebni su ugašeni.

C. elegans

Kako to ćelija uspeva?

Naime, moramo sad i videti kako to ćelija zaista i radi. Molekularna osnova epigenetike je jako složena i bazira se na finom podešavanju načina na koji ćelija “čita” svoj DNK - podešavanju prepisanih RNK molekula (kao što je navedeno), i hromatina kao samog.

Nekoliko osnovnih činjenica o hromatinu nije naodmet ponoviti. Hromatin, jako dinamična struktura, sačinjena od DNK i određenih proteina, sa zadatkom da obavijaju, štite i regulišu DNK, se nalazi u jedru ćelije. Ti proteini se zovu histoni, i postoji nekoliko vrsta: H1, H2A, H2B, H3 i H4. Specifično pakovanje DNK pomoću histona omogućava da se lanac DNK, koji je inače u raspletenom stanju dugačak oko 2 metra (u jednoj ćeliji) spakuje unutar jedra, veličine oko 6μm.

DNK vezana za histone

Biohemija histona je jako dinamična. Većina epigenetskih modifikacija se upravo bazira na modifikacijama histona. I histoni, kao i svi proteini, se sastoje od nizova amino-kiselina. Kada se pravilno savije, histoni imaju izgled sfere, oko koje se DNK obavija. Iako su svi delovi histona podložni modifikacijama, one su najčešće rezervisane za duge "repove" ovih proteina (tzv. histone tails). Spomenute promene uključuju prenošenje određenih hemijskih grupa (acetilacija, metilacija, ubikvitinacija i fosforilacija) na različite amino kiseline u strukturi histona. Različite modifikacije različito deluju na strukturu hromatina, čineći ga podložnijim ili nepodložnijim za manipulisanje i čitanje.

Modifikacije DNK u hromatinu su takođe jako zastupljene, i baziraju se na uvođenju metil (CH3) grupe na citozin, jednu od četri azotne baze koje ulaze u sastav DNK (ostale tri su adenin, citozin i timin). Ovakve promene se ne dešavaju na svim delovima DNK, nasumično. Ova transformacija se vrši na takozvanim CpG ostrvcima, na delovima DNK za koje se pokazalo da su neaktivni u prepisivanju, dok potpuni mehanizam još uvek nije poznat.

Mnogi naučnici veruju da postoje tačno određene kombinacije ovih kovalentnih modifikacija, koje čine specifičan, histonski kod. Po ovoj hipotezi, specifična spoljašnja promena bi dovodila do određenog specifičnog šablona modifikacije hromatina, što dovodi do kasnijeg utišavanja ili pojačavanja gena, i prevođenja ili neprevođenja gena u protein.

Ono što dovodi u sumnju poklonike histonskog koda je što acetilacija npr. lizina (bazne aminokiseline naročito podložne acetilaciji) na jednoj poziciji, ima savim različiti efekat na drugoj poziciji. Dakle, ili je histonski kod mnogo komplikovaniji nego genetski, pa svaka kovaletna modifikacija nosi u sebi i informaciju o mestu, vremenu, možda i prirodi efekta koji ju je uzrokovao, ili je histonski kod "tendencija" da se neke promene dese, ali ta promena zavisi od konkretnih okolnosti. Takodje, ova "nedoslednost" epigenetike je možda i prednost. Dok je genetski kod statičan, dinamične promene koje su u direktnoj vezi sa spoljašnjom sredinom mogu biti samo prednost u evoluciji, posebno viših kičmenjaka.

Zašto je ovo bitno za pamćenje?

Dakle, vratimo se na priču sa miševima. Andre Fišer i njegov tim su otkrili da je promena u aktivnosti gena povezana sa acetilacijom specifičnog histona- H4K12, koja je dozvoljavala da se geni zaduženi za “pamćenje” aktiviraju. Zaključak je dokazan kad je tim ubrizgao hemijsku supstancu , koja je sposobna da povrati mogućnost acetilacije u hipokampus starijeg miša. Rezultat: skoro isti šablon ekspresije gena kao kod mlađeg miša, i povećana sposobnost pamćenja položaja platformi.

Ovakve studije nas dovode jedan korak bliže razumevanju mehanizma pamćenja i zaboravljanja sa starenjem, kao i bliže mogućnosti razvijanja lekova koji će moći da nam pojačaju pamćenje u velikoj meri. Već je pokazano da supstance koje potpomažu acetilaciju histona umnogome mogu pomoći pri pamćenju kod Alchajmerove bolesti. Istraživanja epigenetskih uzroka bolesti, i mogućnost manipulacije genima su nas doveli korak bliže lečenju raznih teških oboljenja, kao što su Angelmanov i Prader-Vilijev sindrom.

Poslednjih godina je uveden i novi termin - epigenetski karcinogeni. Naime, neke supstance kao arsenit, legure nikla, neke forme benzenskih derivata nemaju direktni mutageni efekat, ali ipak rezultiraju u povišenoj incidenci tumora zbog epigentičkih promena koje uzrokuju. Razumevanje ovih mehanizama epigenetike i fine regulacije ćelijskih aktivnosti omogućava i njihovo efikasnije lečenje.