Předkládáme vám sérii článků na téma, které je čím dál zajímavější a tudíž hodné sledování – a přitom vůbec ne nové! Se slovy epigeneze/epigenetika je to v biologii 1  jako na houpačce, a to už přes 2000 let.

Už samy tyto termíny potřebují upřesnění, protože jde sice o slova odvozená od jednoho kořene, ale ne vždy jsou dnes tak pociťována. Co mají společného? A jak se k tomu má genetika?

Epigeneze je proces, kterým v živých bytostech vzniká z řádu jistého druhu řád jiného druhu, z nediferencovaného čehosi strukturovaná bytost, např. z vajíčka, kde nic není vidět, vyleze za tři týdny kuřátko. Zdůrazňuji: řád z řádu, od počátku života. Řád totiž může vznikat i z neřádu, de novo, a to i v systémech neživých. Příkladem jsou třeba hvězdy, plameny, víry nebo rostoucí krystaly. Epigenezi postuloval u živáčků 2 už Aristotelés (viz Eliška Luhanová: Jak se dělá potomek: Aristotelés o rozmnožování živočichů) a předpokládal v pozadí formující a hnací sílu – entelechii. Dnes ji nahrazujeme pojmy poněkud (ale jen poněkud) určitějšími a vědecky snáz uchopitelnými, jako struktura, informace, uspořádanost, program, komplexita, energie apod., anebo i pojmy do přírodovědy nepatřícími, jako znak, význam nebo interpretace. (To neznamená, že v jiných oblastech poznání nehrají důležitou roli.)

Epigenetika je důležitá mimo jiné proto, že svrhla takzvané „centrální dogma“molekulární genetiky tvrdící, že příčinnost, a tedy i informace, prochází pouze jedním směrem – z DNA do RNA a dále do proteinů.
J. Dupré (2012) Processes of life. Essays in philosophy of biology. Oxford Univ. Press, s.158.

Ona houpačka má původ v tom, že mnozí myšlence epigeneze odporovali, a to až do konce 18. století; nedovedli si představit a tudíž ani neuznávali možnost vzniku něčeho strukturovaného z hmoty nestrukturované. Předpokládali jakési mikroskopické zárodky, krystalizační jádra, která teprve umožní povstání struktur. Z dnešního pohledu je poněkud ironické, že zatímco zastánce epigeneze můžeme nazývat epigenetiky (ovšem pozor: nezaměňovat s epigenetiky dnešními!), stoupenci opačného názoru, tedy že nihil novi sub sole (neboť zárodky všeho existují již od počátku stvoření) dlouhá léta sluli jako evolucionisté. Latinský výraz evolutio totiž původně označoval rozvoj čehosi už připraveného, existujícího − například rozvíjení květu z poupěte. Teprve později, když slovo evoluce začalo v druhé polovině devatenáctého století popisovat postupné změny vedoucí ke stále větší složitosti, přejmenovali historici z logických důvodů původní evolucionisty na preformisty. Dnes je čas oba extrémy smazat. Na jedné straně preformismus sice nikdo nezastává, ale přesné předávání genetické informace přece jen tímto směrem poukazuje.

Zmatení pojmů – preformismus a epigeneze

Když už v polovině 19. století došlo ke shodě embryologů, že ve spermii nesedí malý človíček a v něm ještě menší atd. až donekonečna, tedy že ontogeneze mnohobuněčných organismů je epigenetická, celé se to opět zkomplikovalo posunem pojmů – pravda možná jen z hlediska našeho pohledu na věci.

Ukázalo se, že mnozí (zejména pak „vyšší“) živočichové odkládají už v nejranější embryogenezi stranou buňky, které posléze dají vznik gametám. Tyto buňky se neúčastní výstavby ostatních tělních struktur, nepodléhají útrapám, které tělo zažívá v tomto slzavém údolí, a také na rozdíl od těla neumírají, protože se přenesou jako jediné do další generace. August Weissmann koncem století pojmenoval tento „věčný“ materiál zárodeční plazmou (Keimplasma, germen), a ta se nezměněná přenáší dál, zatímco na samotném těle (Somatoplasma, soma) nezáleží: přenese germen do další generace a pak ať si umře. Takže opět cosi preformovaného, i když jinak, sofistikovaně, a právě na tomto věčném materiálu záleží.

Jako obvykle se málokdo věnoval rostlinám a houbám, kde pohlavní buňky vznikají ze somatických, takže zkušenost těla může být do nich přenesena přímo. (Koneckonců také někteří živočichové to dělají takto.) Četné projevy rostlinné „dědičnosti získaných vlastností“ zůstávaly nepovšimnuty, i když začátkem 20. století jich bylo popsáno hodně jako tzv. vyznívající modifikace (Dauermodofokationen). Ty na rozdíl od „pravých“ modifikací netrvaly „věčně“, ale vracely se po několika generacích k normálu. Příkladem je například rýže, kterou trávíme rtutí. Pár semen přece jen vyprodukuje a ta – sázená už do netoxické půdy – dají rostlinku 5 cm vysokou, ale schopnou přinést semena. V další generaci už byla rostlinka o trochu mohutnější, až po nějakých deseti generacích se navrátila k normálu. Pokud nevěříte na homeopatické účinky rtuti, interpretací je epigenetická dědičnost rostlinného habitu. Pokud na homeopatii věříte, vězte, že podobné výsledky se dají získat i bez jedů, výsevem vysokohorských trpasličích forem v nížině: rovněž se nevracejí k nížinné „normě“ ihned, ale až po pár generacích.

Zpět k zárodečné plazmě: Weissmann přece musel znát meiózu a věděl, že zygota je produktem splynutí dvou buněk a dvou verzí dědičných vlastností, takže „nesmrtelná“ zárodeční plazma vzniká vždy znovu a v nové verzi – jinak by přece lidské matky nemohly rodit chlapečky. I kdyby to Weissmann nevěděl, víme to my, a přesto povídáním o zárodečné plasmě zaplevelujeme různé učebnice nebo články, jakým je například i tento.

Další kolo ještě sofistikovanějšího preformismu přišlo s vírou v principy, částice, faktory, které vše „vědí“, mají ke všemu plány a vzájemnou kombinací a spoluprací postaví organismus. U Darwina tyto faktory kolují v celém organismu, náhodně se dostávají do pohlavních buněk a při oplodnění se zkombinují s částicemi od druhého rodiče. Pak byla dědičnost lokalizována do jádra a později dostala název gen (viz Josef Lhotský: Malá historie epigenetiky). Ještě později byla určena „materiální podstata genu“ jakožto posloupnosti nukleotidů v DNA. A ten je opět neměnný, mění se pouze náhodnou mutací atd. – Sobecký gen četl každý a kdo ne, měl by. A tak se ptám: je výrok „Všechno je v DNA“ výrokem preformisty, nebo epigenetika?

Na straně druhé, žádný tvor nepovstává z neřádu – zárodečná buňka je všechno jiné než chaos (více o tom Vladimír Krylov: Deterimniace nebo regulace, aneb Jak vytvořit tělo, Vesmír 2/2015 – článek přístupný předplatitelům). Živáčkové se rodí, řád z řádu, v různých fázích vždy jinak strukturovaného.

Je tedy epigenetika biologickou vědou studující epigenezi? Budu tuto interpretaci držet, avšak její přijetí nemusí být ve všech kruzích vstřícné. Dnešní epigenetika je vědou mladou a její provozovatelé často o dějinách zmíněných sporů nevědí nic, anebo si svou vědu s dávnými epigenetiky nespojují. Podle toho také vypadají nejrůznější definice – některé jsou uvedeny v boxu Definice epigenetiky. Protože ne každý má čas a chuť číst objemné Dějiny biologických teorií E. Rádla, připojujeme krátké dějiny oněch sporů, které byly úporné, nikoli však žabomyší (viz Josef Lhotský: Malá historie epigenetiky).

Definice epigenetiky

(víceméně náhodně posbírané)

Epigenetika byla Waddingtonem chápána jako suma změn genové exprese, které vedou k diferenciaci v ontogenezi. Po pochopení určitých mechanizmů epigenetických procesů byla epigenetika považována za tzv. chromatinovou dědičnost, tedy že o expresi či umlčování genů rozhoduje stav chromatinového templátu. Po objevu regulačních úloh malých molekul RNA je situace ještě složitější, neboť jejich úloha se týká především posttranskripčních regulací. Dnes tedy epigenetiku můžeme chápat jako široký soubor mechanizmů, které dědičně ovlivňují genovou expresi beze změny primární genetické informace, tedy sekvence nukleotidů v DNA. Dědičnost může fungovat jen v buněčných liniích (v průběhu života jedince) nebo transgeneračně, tedy předávaná do pohlavních generací. Jde však prakticky vždy o procesy reverzibilní, tedy potenciálně vratné v řadově vyšších frekvencích, než je tomu u genetických mutací. Některé typy epigenetických změn jsou relativně velmi nestálé, potom hovoříme o vyznívající dědičnosti. Zpočátku se zdálo, že epigenetika je omezena jen na náhodné jevy, tzv. epimutace, a její význam je jen okrajový. Dnes se ukazuje, že epigenetické řízeni genové exprese je v říši eukaryotických organismů univerzální. Pouze můžeme konstatovat, že dílčí molekulární epigenetické mechanismy (např. metylace DNA) jsou u různých skupin eukaryot (jako jsou například kvasinky, prvoustí či druhoustí živočichové) odlišné.
B. Vyskot: Epigenetika. Skripta UP Olomouc 2010, s.5.

Epigenetika je v moderním slova smyslu vědní podobor genetiky, jenž studuje změny v genové expresi (a tedy obvykle i ve fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA. Jde o výjimku z obecného pravidla, že dědičné fenotypické změny jsou způsobeny změnami v genech. Také epigenetické jevy mohou být děděny z buňky na buňku a z generace na generaci, tedy jak při mitóze, tak při meióze. Genom včetně epigenetických změn se označuje jako epigenom.
Česká Wikipedie, 7.12.2014.

Epigenetika je dosud málo probádaná cesta přenosu dědičné informace. Některé vlastnosti nemusejí být kódovány v nukleových kyselinách (DNA, RNA), a přesto se přenášejí. Právě epigenetické mechanismy mohou ovlivnit fenotyp, aniž by měnily genotyp.  Epigenetické mechanismy se uplatňují na celé řadě úrovní (před transkripcí i po transkripci, ale i před translací a po translaci). Jsou důležité v morfogenezi a v procesu diferenciace buněk. Epigenetickými mechanismy jsou například acetylace histonů či metylace DNA. V genetice člověka se epigenetika uplatňuje například při inaktivaci chromozomu X a v rámci genového imprintingu. Genový imprinting je spojen s celou řadou lidských patologií.
Wikiskripta, 7.12.2014

Epigenetika je poměrně nový obor, zabývá se změnou chování našich genů jako následek chování nás samotných. Vědci zjistili, že nedostatečná výživa těhotných žen způsobuje, že jejich potomci mají v dospělém věku více nemocí, jako je cukrovka, mrtvice a onemocnění srdce. Chování genů lze ovlivnit k horšímu i k lepšímu. Velmi hodně toho tedy můžeme ovlivnit sami tím, jak se chováme a stravujeme. Jde o to, že vystavení vnějším podmínkám spouští v těle chemické změny, některé z nich mobilizují skupinu molekul, kterým říkáme metylové skupiny. Metylové skupiny se dokážou přitulit ke spuštěným genům a přilepit se na jejich řídící úseky. Tím  jejich funkčnost na čas utlumí. Umí ale působit i opačně, výkon jiných genů zase posílit. Co má tedy větší vliv na naše zdraví? Strava, geny nebo vnější prostředí? Vše je spolu nerozlučně provázáno spletitým předivem vztahů. Nejen strava, ale nyní už i prožitek se může projevit prostřednictvím vyvolaných biochemických změn, které ve svém důsledku  určují genům, zda se mají projevit a jako moc. Epigenetické děje zapínají nebo vypínají geny nebo jejich výkon podle potřeby. Ovlivnění genů však určitou dobu trvá. K největšímu vlivu dochází v embryonálním vývoji.
Stránky Rozvoj nadání, Brno

Epigenetika studuje reverzibilní dědičné změny ve funkci genu, které nastávají bez ohledu na změny v sekvenci jaderné DNA. Epigenetiku lze také definovat jako tzv. chromatinovou dědičnost, protože je provázena strukturními i chemickými modifikacemi chromatinu především DNA a histonů. Epigenetické změny hrají klíčovou roli v normálním vývoji, stejně jako v nemoci. Epigenetické děje – zapínání, korigování výkonu či úplné vypínání genů – jsou vrcholem genetického řízení. Epigenetické změny jsou ovlivnitelné, dědičné a v mnoha případech vratné.
Stránky epigenetika.cz

„Epigenetika“ odkazuje ke kovalentním modifikacím DNA, proteinů, nebo RNA, což vede ke změnám funkce anebo regulace takových molekul, aniž by se pozměnila jejich primární sekvence. Někdy jsou epigenetické modifikace stabilní a předávají se do dalších generací, jindy jsou dynamické a mění se pod vlivem vnějšího působení. Epigenetikou je ovlivněna snad každá oblast biologie, čímž se epigenetika stává jedním z nejdůležitějších odvětví vědy.
Zymo Research

Epigenetika doslova znamená „nad“, či „na špičce“ genetiky. Vztahuje se k (vnějším [sic!]) úpravám DNA, které „zapínají“ a „vypínají geny“. Tyto změny nevedou ke změně sekvence DNA, ovlivňují však způsob, jakým buňky [sic!] „čtou“ geny.
Live Science

Epigenetika je studium chemických modifikací specifických genů a s nimi sdružených proteinů v organismu. Epigenetické modifikace mohou určovat, jak se informace obsažená v genech bude vyvolávat a používat buňkami. Termín epigenetika se dostal do oběhu v raných 40. letech 20. století, kdy ho zavedl britský embryopog C. Waddington pro popis interakcí mezi těmi geny a genovými produkty, které řídí vývoj a dávají vzniknout fenotypu (pozorovatelným projevům). Od té doby poznatky  epigenetiky způsobily revoluci v oblasti genetiky i vývojové biologie. Konkrétně, badatelé odhalili řadu možných chemických modifikací DNA, a také proteinů zvaných histony, které jsou s DNA v jádře těsně propojené. Takové změny určují kdy, nebo zda vůbec bude daný gen v buňce či organismu exprimován [vyvolán].
Encyclopaedia Britannica

Držme se – už jen ze zvědavosti, zda se nám některé druhy poznání propojí – širší definice: epigenetika je vědou o epigenezi. Epigenetika by v tomto pojetí mohla zahrnovat dosti různorodou skupinu jevů:

1. Dědivost získaných vlastností: genetická asimilace; přetrvávající, dědičné modifikace u rostlin; genomový imprinting; ovlivnění ontogeneze mateřskou péčí, ale také třeba parazitem; pomnožování buněk a velké části buněčných struktur (viz box Embryologie a evoluce). Zde si hned každý vzpomene na ten o žirafě, jak natahuje krk: kdyby někoho zajímalo, co vlastně Lamarck hlásal, relevantní kapitoly z jeho díla najde přeloženy i s komentářem na mém webu.

Embryologie a evoluce

Spojení embryologie a myšlenky přeměny druhů začalo již se samotným slovem evoluce, jehož původním významem je „odvíjení“ (např. svitku), „odhalovaní“ (velum = závoj, tj. odhalování toho, co je zahaleno). V osmnáctém století tento termín používali zastánci tzv. preformismu, aby popsali rozvíjení organismu během vývoje od vajíčka po dospělce. Preformisté se domnívali, že jde o postupné zjevování již existujících struktur (podobně jako celý květ růže je již skryt v poupěti). Opačným pólem byla představa epigeneze, jejíž zastánci naopak prohlašovali, že orgány se vyvíjejí a strukturují postupně a v každé generaci znovu. S rozvojem transcendentální formy teorie rekapitulace během prvních desetiletí devatenáctého století začal termín evoluce popisovat sekvenci událostí během embryonálního vývoje. Jenže jak rekapitulace začala odkazovat i k fylogenezi, tvrdí Richards, slovo přijalo oba významy a znamenalo jak embryologický vývoj, tak přeměnu druhů. Chápání termínu „evoluce“ jako postupných změn vedoucích ke stále se zvyšující komplexitě pak mají na svědomí především Charles Lyell a Herbert Spencer.

Sapp, J., Genesis: Velký Příběh biologie, Academia 2015, str. 78

2. Regulace genové exprese buněčnými strukturami: ekosystémem proteinů, uspořádáním chromatinu, krátkými regulačními RNA, signály.

3. Tudíž epigenetickým dějem je i obyčejná ontogeneze a diferenciace buněk.

4. Zmíněné regulace se dosahuje velmi často epimutacemi – chemickou modifikací, a tedy záměnou konstituentů nukleových kyselin a proteinů. Na rozdíl od pravých mutací jsou epimutace vratné. A na rozdíl od pravých mutací, které jsou do velké míry náhodné (ne vždy), epimutace jsou zaváděny i odstraňovány cíleně – komplikovaným ekosystémem proteinů.

5. Takové ekologické interakce jsou pak epigenetickými i na jiných úrovních popisu – mezibuněčné i meziorganismální: abychom s výčtem neskončili u celé biosféry, omezíme se na holobionta a mateřskou péči – což je svého druhu také případ holobiontního vztahu.

Holobiont

Individualita je pojem, s nímž by biologové zdánlivě neměli mít mnoho potíží: individuem či jednotlivcem je každý z nás; je jím náš pes či naše kočka; rybičky v akváriu; na větvi stromu většinou rozeznáme kosa od veverky. A přesto je otázka, co je vlastně jednotlivec, velmi záludná.

Tak například bakteriology bakterie jako jedinec vůbec nezajímá – s bakteriemi odjakživa zacházejí jako s populacemi (přestože jednu bakteriální buňku si samozřejmě dovedeme představit docela dobře). A byly to právě prokaryotní organismy, které s definicí jednotlivce zamávaly. Již krátce poté, co molekulární sekvenování začlenilo organismy s prokaryotním typem buňky do fylogenetických analýz a biologové začali vytvářet první univerzální stromy života, se totiž přišlo na to, že dlouho známé mechanismy přenosu DNA mezi bakteriemi (horizontální přenos genů) nám představu geneticky „stabilního“ jedince pěkně komplikují. Přijetí teorie sériové endosymbiózy (SET) navíc pořádně zamíchalo i s klasifikací organismů, která v průběhu dvacátého století procházela svou vlastní evolucí.

Taková situace však ve výsledku poněkud komplikovala snahy evolučních biologů, kteří se museli znovu poprat s otázkou, na co přesně tedy vlastně působí přírodní výběr. Pokud totiž jako jedince označíme soubor několika různých, navzájem více či méně provázaných genealogických linií, a to nejen uvnitř jader našich buněk v podobě jednotlivých genů, ale i uvnitř našich těl (např. konkrétní kráva na louce coby jedinec = eukaryotní genom krávy + v něm vmezeřená virová DNA + bakteriální endosymbionté a jejich vmezeřená virová DNA + protistní symbionté  a jejich bakteriální symbionté a virová DNA v obou skupinách, atd.), je nutné se přinejmenším konceptuálně zamyslet nad tím, na co a jak vlastně působí selekční tlak. Zvláště pokud jde o symbionty obligátní, bez nichž eukaryotický makroorganismus není schopen plně fungovat. Pro popis takto provázaného celku, na nějž působí přírodní výběr, byl navržen pojem holobiont; termínem hologenom se pak označuje celková genetická informace hostitele i všech jeho symbiontů (Gilbert et al., 2012; Rosenberg & Zilber-Rosenberg, 2011). Termín holobiont byl poprvé použit v roce 1992 (Mindell, 1992) pro popis systému zahrnujícího hostitelský organismus a jeho primární symbionty, v roce 2002 se však definice rozšířila na hostitele spolu se všemi jeho symbiotickými mikroorganismy včetně virů (Rohwer et al., 2002).

J. Lhotský, Úvod do studia symbiotických interakcí mikroorganismů. Nový pohled na viry a bakterie. (Praha, Academia, vyjde 2015)

Nabízí se ale ještě jedna interpretace celého fenoménu, a totiž ta, že umělé vytváření rozporů typu genetika versus epigenetika je zkrátka nesmysl – znovu a znovu totiž budeme zjišťovat, že ve skutečnosti jde o plynulou škálu, s různým zastoupením obou. Drobné podobenství ze sféry kulturní: slogan „Všechno je v knihách“ – nebo dnes „na discích“ – je v jistém smyslu pravdivý; až po krátkém zamyšlení rádi připustíme, že bez čtenáře – a jeho aktivního výběru – neznamenají tato úložiště zkušenosti vůbec nic. Na druhé straně dávno ztracené, ba dokonce často i zapomenuté knihy dodnes ovlivňují charakter naší kultury. Kde je uložena tato informace?

Vědecké vymezení

Vidíme tedy, že epigenetika je věda – alespoň se tak uvedla za posledních dvacet let. Ale o čem vlastně? Autorem označení je anglický vývojový biolog Conrad Waddington (1905-1975), kterého ve čtyřicátých letech znechutily trendy dobové biologie, stále více unikající do virtuálního světa genů a statistiky. Neodarwinistická syntéza byla právě na vzestupu a stále více ji zajímaly jen dva extrémy: hypotetické alely obsažené v genotypu na jedné straně, a finální, rozmnožování schopný fenotyp dospělce na straně druhé. Co se děje mezi vznikem oplozeného vajíčka (coby nositele genů, tj. konkrétních alel) a vznikem rozmnožování schopného jedince (který byl podle neodarwinistů přímým důsledkem působení těchto alel), nikoho v podstatě nezajímalo. Vývojová stádia k přenosu alel do další generace přispívají pramálo, a tak nebyla zajímavá – není divu, že vývojoví biologové z toho byli krapet roztrpčeni. Vždyť ještě padesát let předtím žila evoluční teorie teorií rekapitulace, v níž měla vývojová biologie důležité místo.

Najednou však se staly důležitějšími statistické metody, Mendelovy zákony a od nich odvozené genové interakce, Hardy-Weinberg, frekvence alel v populaci a její změny během po sobě jdoucích generací, později i složitější modely, jako jsou evolučně stabilní strategie nebo teorie her. Jak příslušní živáčkové vypadají, bylo podružné. Zde tkví asi zdroj sloganů typu „Všechno je v genech“, a později „Všechno je v DNA“. Vždyť mnozí biologové se nerozpakovali umístit do DNA i schopnost mluvit. (Abychom ale byli spravedliví, hledání jednoduché příčiny či „viníka“ není specialitou jen naší doby: vzpomeňme na zažité výroky „Má to v krvi“, či „Nemá na to buňky“.)

mendel

Geny řídí, interagují, způsobují, mutují a kdovíco ještě mají na svědomí (tedy „svědomí“, abychom byli přesní). Výsledkem je (a přeháním jen trochu), že dnešní bioinformatik, který dostane zadání, aby vytvořil kladogram druhů E. maximus, E. coli, E. scolopes a E. helioscopia, stáhne z databází příslušné sekvence a úkol splní, aniž by ho zajímalo, co se skrývá za oněmi „éčky“ (oliheň, bakterie, pryšec kolovratec, slon, schválně v pozměněném pořadí!).

Epigenetika byla u Waddingtona myšlena jako něco, co je nad genetikou (tj. mimo dosah jejího tehdejšího bádání), co je tělesnou realizací virtuálních vloh, co je interpretací, cestou od genotypu k fenotypu. Waddington také nabídl možný průběh evolučních změn nepříliš slučitelný s klasickou genetikou, tzv. genetickou asimilaci, kde mezihra mezi pasivním zápisem a činným tělem mohla být zajímavým polem výzkumu – vždyť tělo se dědí stejně jako genetický zápis. (Na generatio spontanea v té době už nikdo kromě lysenkistů nevěří, a ti to možná také jen předstírají.) Nebyl ale jaksi zájem. Teprve poslední dobou se nachází i možné vysvětlení celého úkazu modelem „genetického kondenzátoru“, který se po mnoho generací nabíjí, aby náhlým výbojem pozměnil síť regulací, které jsou zodpovědné za vzhled organismu.

Současně ve 40. letech 20. století započal i výzkum „preformistický“, který  měl ovšem na epigenetiku obrovský vliv. Už dávno se vědělo, že stejně jako samotné buňky, ani většina struktur uvnitř buněk nemůže vznikat de novo – jinými slovy musí existovat jejich předobraz, který se zmnoží dělením nebo funguje jako „krystalizační jádro, kolem kterého se poskládá nová struktura. Tracy Sonneborn začal ve zmíněné době s mikrooperacemi na nálevnících – buňky jsou to dost velké a skýtaly i přehršli snadno sledovatelných struktur. Otočil řadu brv o 180°, přidělal nálevníkovi nová „ústa“ a prováděl jim i mnohé další zlomyslnosti, aby s překvapením zjistil, že se tyto znetvořeniny předávaly potomstvu po celých 700 generací, jedno zda nepohlavních nebo zpestřených sexem. (Ani potom nedošlo k nápravě, jen byl pokus ukončen a milí epimutanti skončili asi ve výlevce.)

Operace nálevníků: preformismus, nebo epigeneze?

Nálevníci nesou na svém povrchu řadu kortikálních struktur, např. řady brv, ústa a řiť, různé sekreční útvary apod. Před dělením buňka roste, řady brv se tím prodlouží a nesou více brv, jedinečné struktury se zdvojí a odputují k pólům, načež se buňka uprostřed zaškrtí. Žádná z těchto struktur nemůže vzniknout de novo: odebereme-li nálevníkovi ústa, už si je nevytvoří a umře hlady.

Zdroj: Sonneborn T (1964)

Zdroj: Sonneborn T (1964)

Sonneborn a spolupracovníci transplantovali buňkám nadbytečné orgány: zde vlevo trepka se dvěma ústy a řitními otvory, vpravo tři řady brv, přičemž prostřední řada byla operací otočena o 180°. Buňka se nedovedla takových a podobných znetvořenin zbavit po stovky generací.

Nálevníci jsou skupinou starou snad 2 miliardy let: představa, že všechny ty drobné ústroje mají tak dlouhou nepřetržitou kontinuitu, je úžasná, ale koneckonců buňky jsou zde ještě déle. Fantastičtější je představa, že různé karamboly, které se za tu dobu udály, mohly strukturu pozměnit a – dát třeba vznik novému druhu.

Sonneborn T (1964) The differentiation of cells. PNAS 51, 975-929.

Genetika v tom roli nehrála, geny fungovaly jako předtím, jen dodaný stavební materiál byl použit netradičně. Také na jiných modelech bylo prokázáno, že jednou odstraněná struktura se víckrát nemůže objevit – nikoli kvůli mutovaným genům, nýbrž proto, že chyběl tělesný „vzor“: zničíme-li například kinetochory, buňka je už nikdy nevytvoří, i když genetickému zápisu se nestalo nic: nebude mít bičíky ani brvy a nebude schopna se mitoticky dělit. (To se stalo kdysi dávno semenným rostlinám, naštěstí však zvládly umění mitózy jinými prostředky a nevyhynuly; bičíky však nemají nikde, ani na spermiích.)

Takže epigenetika, nebo preformace? Škoda plýtvat místem disku na podobné otázky – prostě biologie.

Doba poválečná

Waddingtonovská epigenetika byla přijatelná a mohla se rozvíjet paralelně s molekulární genetikou, z metodologických důvodů a možná i vlivem „ducha doby“ se však vývoj ubíral směrem převážně k molekulární genetice a na ní postaveném neodarwinismu; aby následně vyvrcholil Dawkinsovou syntézou, jež představovala logicky dotaženou verzi tohoto způsobu myšlení. Tělesná stránka živého byla zanedbána, vždyť je „odvozena z DNA“. Ještě jinak: tělesná schránka (fenotyp) byla zajímavá, jen pokud sloužila rozmnožování, přenosu genů do další generace. Ontogeneze, cesta k fenotypu (epigeneze!), nebyla nutnou součástí této teorie.

Když si přečteme některé dobové dokumenty, k duchu doby možná přispěli i lysenkisté – bylo nutné se distancovat od jejich demagogie a s tím se podvědomě odsunula i některá zajímavá témata. Další příčinou zanedbávání epigenetiky – ale to patří už do filosofie vědy – může být vzájemná podmíněnost světonázoru badatelů a dostupných technik. Neodarwinistická syntéza znamenala genocentrismus a usměrňovala jak zájem badatelů o tuto oblast, tak vývoj přístrojů a metod – např. levných sekvenačních technologií. Zpětně: když už tady ty metody a přístroje jsou, byla by škoda nevyčerpat jejich možnosti, už jen proto, že to vše hodně stálo a výcvik vědce také chvíli trvá. Tento obrovský pokrok však nakonec vedl mj. i k velmi jemným technikám značení (vzpomeňme jen GFP a „zeleného králíka“) a vynutil si novou generaci zobrazovacích technik: konfokální, elektronové a jiné mikroskopy, propojené s obrovskou kapacitou ukládání a zpracování dat – a díky tomu se vracíme od lineárních posloupností genů k dynamickým strukturám. Zajisté vznikne řada disertací na téma této vzájemné podmíněnosti: nerozvíjela se epigenetika (i) proto, že se pozornost soustředila na molekulární genetiku; anebo (ii) proto, že neexistovaly techniky ke studiu na tomto poli; či dokonce (iii) protože to všechno čekalo na „metatechniku“ v podobě digitální revoluce?

**

Když v 90. letech začala být epigenetika opět zmiňována, objevovalo se podezření, že někdo chce křísit ducha pavědy, zejména té lysenkovské, která ještě byla v neblahé paměti. Až poté, co v nultých letech nového tisíciletí vyšly světově uznávané učebnice s epigenetikou v názvu, byla vzata na milost – i tak se však o ní mluví jen v souvislosti s dočasnými modifikacemi genetického zápisu či jeho bezprostředního okolí (chromatinu).

Jenže „bezprostředním okolím“ zápisu je často celek organismu či dokonce biosféra a klást umělé hranice nemá cenu. Pojmeme-li to však zase takto, letíme do opačného extrému a na genetiku zbude vlastně jen klasická a populační genetika, bioinformatika a některé další virtuální nauky, a pak cosi, co bychom mohli nazvat „technickou chemií“ nukleových kyselin: jak sekvenovat, rekombinovat, hledat anebo připravovat mutanty, plasmidy, GMO apod.

Domyšleno do důsledků, při této perspektivě se genetice vymykají například i epistatické interakce, genová vazba, crossing over apod.: sice jsme si zvykli používat sousloví „geny řídí“, ale co by si počaly bez negenetických (tedy epigenetických!) zařízení buňky. Vždyť gen je koneckonců jen informace, tedy jedna z forem „nehmotné síly“, ve kterou prý věří vitalisté. Tato informace bývá implementována například do DNA, a DNA, to už je přece tělo! Všechno je epigenetika!

**

Zůstaňme na chvíli v této extrémní, dlouhodobě zajisté neudržitelné pozici, třeba odsud zahlédneme něco nového! Vybízím, abychom na chvíli upozadili slogany typu „Geny staví organismus“, „Jsme tací, jaké máme geny“, „Tělo není nic než prostředek pro přenos genů do další generace“, „Život, tak jak ho známe, je založený na informacích uložených v nukleových kyselinách“, apod. Nepopírám heuristickou hodnotu podobných zobecnění, k epigenetice nás však nedovedou. Geny nic dělat nemohou bez obsluhujícího „wetwaru“, a o ten v epigenetice jde. Zkusme touto optikou nahlédnout dokonce i tak pod kůži zažraná schémata, jako je regulace lac-operonu u bakterií, nebo přepínání lytické a lysogenní fáze bakteriofága. V kontextu našeho zkoumání budeme tvrdit, že jde o děje epigenetické, a s tímto poznáním pak snáze nahlédneme roli třeba metylace DNA, derivatizaci chromatinu, nebo nejrůznějších morfogenů.

Regulace genů

Bakteriální virus – bakteriofág poté, co infikoval bakterii, má dvojí volbu. Může zůstat v infekční – lytické fázi, kdy je vše orientováno na rychlé množení nových infekčních částic, což vede nakonec k záhubě a rozpadu bakteriální buňky a rozptýlení částic. Druhá možnost je nemnožit se a vložit svou DNA do bakteriálního chromozómu. Tato tzv. lyzogenní fáze může trvat po řadu generací, bakterii nijak neškodí, ba naopak ji chrání před infekcí podobnými fágy, protože produkuje faktory zajišťující buňce imunitu. Do lytické fáze se opět může překlopit buď náhodou, anebo poté, co se bakterie octla v nesnázích (opouští potápějící se loď). Schéma uspořádání fágového genomu je na obrázku: fágový genom má společnou regulační oblast, na kterou nasedá RNA polymeráza a protein represor, který obsazuje vždy dvě ze tří regulačních prvků oblasti. Tím zablokuje čtení genů pro jednu nebo druhou fázi. Sám represor se syntetizuje z „lyzogenní“ poloviny genomu a má tendenci blokovat půlku lytickou; při změně podmínek však naopak zablokuje imunitní reakce a dovolí, aby se rozjela fáze lytická.

uvod-regulace1

Na podobném principu je založena regulace souboru genů – operonů – u bakterií. Proteiny umožňující příjem a zpracování cukru laktózy syntetizuje buňka jen v situaci, kdy je v médiu laktóza přítomna, a současně není přítomna „chutnější“ glukóza (vlevo 0 – transkripce operonu probíhá, 0 – neprobíhá).

uvod-regulace2

Vpravo: Transkripce probíhá od šipky „Lac“, pokud nestojí v cestě dva proteiny navázané na DNA. Jeden se váže na DNA, je-li přítomna glukóza, a „pustí“ se jen v její nepřítomnosti, druhý se naopak uvolní pouze v přítomnosti laktózy. (Ilustrace: Fatima Cvrčková.)

„Časotvar“

Je snad tedy – viděno navrženou perspektivou – epigenetikou celý zbytek biologických nauk? Jistěže ne. Začněme oklikou. Několik měsíců jsem chodil kolem katedry, která měla na dveřích napsáno „Life is a chemical reaction“ – tedy, při troše zlomyslnosti „Život je jakási chemická reakce“, anebo dokonce nic než chemická reakce? Kteráže to přesně je? O nic lepší není zoufalá definice, se kterou se vydává NASA hledat život ve vesmíru: „Život je samopodpůrný chemický systém schopný darwinovské evoluce.“ 3 Znovu a znovu si potřebujeme dokazovat, že syntéza organických molekul není žádná záhada, a pak už to bude jen reagovat, krystalizovat apod. (nejnovější příklad viz Respekt 5/2015).

Zamyslíme-li se nad tím, vracíme se s podobnými definicemi do 19. století, které neznalo pojem informace nebo kód, zato chemie už vzkvétala. Těžko by se taková tvrzení dnes obhajovala, vyvstala by ihned spousta nejasností. Jako klišé ne nepodobné těm na předvolebních billboardech se však hodí a nikomu nestojí za komentář. V čem je problém? Chemie a biochemie při svém zkoumání vychází přece z počátečních a okrajových podmínek, zkoumání reakcí, jejich energetiky i katalýzy jsou založeny na tom, že v čase nedochází ke změnám parametrů – tedy evoluci ani ontogenezi, nepřetržitý sled generací, nevyžadují. Z epigenetiky vynecháme tedy biochemii a biofyziku, fyziologii, biomechaniku a podobné „synchronní“ nauky. Vynecháme také ustálený dynamický stav (steady state), zpětněvazebné systémy modelovatelné kybernetikou. Soustředíme se na změny v čase, způsobené vnitřními a také vnějšími podmínkami – epigenetika jako nauka o epigenezi, povstávání řádu – nikoli však z chaosu, ale z předchozího řádu. Ano: počáteční podmínky prostě z principu zařídit nelze, život nezačíná, ale rodí se – z jiného života, který už zde byl. A ty okrajové zajišťujeme jen s velkým úsilím – to je doména biologů.

Ještě jedna nutná poznámka: tak jako se všechny stránky života nevejdou do biologie (proto potíže s definicí života), ne všechny stránky epigeneze se dají uchopit a studovat epigenetikou, mnohé z toho přesahuje do filosofie, historie, sémiotiky, kulturologie a podobných oblastí poznání. Několik takových přesahů bude také zmíněno – a proto je součástí tohoto korpusu i článek Elišky Luhanové Jak se dělá potomek.

A ještě k definici: Box Definice epigenetiky (výše) jich uvádí několik – pro jedny je epigenetika podoborem (sic!) genetiky, pro jiné je záležitostí embryogeneze, pro další se do ní vejde i dědičnost získaných vlastností. Moje vymezení je ještě jiné, jde o krátkodobé nebo trvalé struktury a vztahy, které se nějak podílejí na regulaci exprese genů a výstavby těla.

**

Jako editor tohoto tématu jsem si mohl vybrat ze tří možností:

1. Stačilo pouze přiložit prst na „tep doby“. Mohl jsem vyžádat a shromáždit příspěvky věnované bezprostřednímu okolí DNA, tj. genetického zápisu. Jde zejména o pět okruhů – není třeba zdůrazňovat, že se navzájem prolínají:

(i) Derivatizace DNA, tj. přidávání a odstraňování „diakritických znamének“ v podobě metylace, hydroxymetylace, glykozylace apod. Na takto ošetřenou DNA hledí tělo jinak než na „čistou“. Na obrázku níže se na DNA váže jeden systém regulátorů, je-li však DNA modifikována „diakritikou („Č“), vážou se tam regulátory jiné. Regulátory pak určí, zda a jak se bude přiléhající úsek transkribovat, což se nakonec projeví pokaždé jinak na chování buňky.

derivatizace DNA

Fascinující téma, které se obírá dvěma skupinami otázek. Jednou z nich je, „Co se stane, když…?“, tj. jaký vliv tyto operace na DNA mají na další chování buněk, organismů či konsorcií organismů, popř. i jejich potomstva. Druhá otázka samozřejmě je „Kdo za to může?“ a dostáváme se do kolotoče enzymů a struktur a sítě informačních drah (viz Aleš Kovařík: Metylace cytosinu jako přidaná hodnota DNA, Vesmír 2/2015).

(ii) Struktura a derivatizace chromatinu, tj. zejména úžasné pole dynamiky nukleozomů a jejich proteinové složky – histonů. Jako v prvním případě jde o mnohočetnou derivatizaci – epimutace – těchto proteinů a její změny, a pochopitelně vliv této dynamiky na strukturu DNA. Opět se problematika dá srovnat kolem dvou otázek zmíněných výše. A když mluvíme o epimutacích, proč se zastavovat u histonů – v ostatních rodinách proteinů je to také tak: zejména u proteinů složitých regulačních sítí od receptorů až po jaderné proteiny včetně oněch histonů. A z druhé strany k receptorům přiléhají neskutečné barokní kudrlinky mnohočetně upravovaných a přestavovaných proteinů mezibuněčné hmoty (viz Vít Latzel: Epigenetická dědičnost v ekologii a evoluci rostlin, Vesmír 2/2015, dále také Vojtěch Čermák, Šárka Motylová:  Džungle epigenetických modifikací u rostlin a Jana Švorcová, Anton Markoš: Epimutace proteinů).

(iii) Výzkum nekódující RNA, tj. oné velké skupiny ribonukleových kyselin, které, jak se stále víc ukazuje, mluví snad do všech známých procesů na úrovni genové exprese. Dávné jsou doby, kdy jsme si vystačili jen s pouhými třemi třídami RNA, tak jak jsou vyjmenovány v učebnicích.  A opět se ptáme jaké RNA, co dělají, a co se pak stane (viz Petr Svoboda, Radek Jankele: Malé RNA: Mocní trpaslíci).

(iv) Čtvrtou skupinou je výzkum struktury samotného jádra, tj. jak je chromatin v různých typech buněk uspořádán, jaké struktury a jaká předchozí historie má na toto uspořádání vliv. S tím se pojí i otázka, čím se diferencované buňky liší od zárodečných, embryonálních a kmenových, a jak jejich strukturu „rozvolnit“, aby se do těchto stádií dokázaly vrátit. A vrátí-li se, zda je to pro organismus přínosné, nebo zhoubné (viz Magdaléna Krulová: Čeká nás století kmenových buněk?).

(v) Pátou skupinou je „molekulární ekologie“: ovlivňování struktury chromatinu vnějšími faktory, ať už jde o (a) běžné diferenciační pochody, anebo (b) záškodníka – parazita, který si svého hostitele upravuje k obrazu svému, (c) o péči matky anebo (d) o jemnou mezihru soustátí holobionta. Patří sem i kultura a jazyk?

Zde se nepříliš dařilo obsáhnout všechna tato témata. Ranou embryogenezi pojednává Vladimír Krylov (Deterimniace nebo regulace, aneb Jak vytvořit tělo, Vesmír 2/2015); Petr Bogusch zase ukazuje, Jak potrava ovlivňuje vzhled hmyzu. Jaroslav  Petr přináší jeden příklad, jak bakterie ovlivňují genovou expresi člověka: Střevní bakterie řídí aktivitu lidských genů.

(vi) Poslední skupinou je dědivost nabytých zkušeností – zejména mezigeneračně, viz Vít Latzel, Epigenetická dědičnost v ekologii a evoluci rostlin (Vesmír 2/2015) a Vojtěch Čermák, Šárka Motylová: Džungle epigenetických modifikací u rostlin (+ box Operace nálevníků) a její možná role v evoluci (box Embryologie a evoluce).

2. Druhým okruhem otázek jsou výstupy do praxe, tedy biomedicínský výzkum a jeho aplikace. Možnost potlačit nejrůznější nádory; opravit vrozené poruchy; přenastavit fungování holobionta; léčba s pomocí kmenových buněk; „konstrukce“ nových odrůd plodin a zvířat, a mnoho dalších. Zde přiznávám své selhání: Tento okruh otázek není v souboru předkládaných prací pokryt skoro vůbec – nemám kontakty do medicínských kruhů a pro krátkost termínů se mi je nepodařilo navázat. Předkládaná množina článků však není uzavřená a zatím ani časově omezená: apeluji na možné autory, aby své poznání co nedříve zviditelnili pro nás, zvídavé laiky.

3. Třetí a poslední možností bylo pojmout celé téma zeširoka a témata vyjmenovaná v první skupině vložit i do souvislostí historických a kulturních. Tento přístup jsem nakonec zvolil – většinu článků z první skupiny bychom bez násilí mohli přesunout i sem. Mezery odhalí čtenář záhy: ne na všechno jsem si vzpomněl, ne na všechno jsem objevil autory, a pokud ano, ne všichni měli zrovna čas a chuť. Jak ale bylo zmíněno: nejde o ukončený sborník (pardon: kolektivní monografii), ale o vhled jak do nových směrů biologie, tak do myšlení biologů: oba vhledy mohou s pomocí dalších a dalších příspěvků doznat změn.

Na závěr úsměvná historka, která by se snad dala nazvat meta-epigenetickou. Součástí tohoto souboru měl být i článek o epigenetických pochodech v mozku (změny chromatinu v mozkových buňkách vlivem vnějších faktorů). Autor na poslední chvíli odmítl: chystá rozsáhlý soubor psychologických testů, a kdyby si pokusné osoby přečetly jeho článek ve Vesmíru, byly by ovlivněny a odpovídaly by jinak. Epigenetické ovlivňování mozku psaným slovem!

Titulní ilustrace: Metylace cytosinu v DNA, jedna z nejdůležitějších epigenetických modifikací. Zdroj: UC San Diego School of Medicine.

Další články tématu

Print Friendly

Notes:

  1. Geologové odpustí, ale rudné žíly probírat nebudeme: ty totiž také vznikají epigenezí.

  2. Zdá se, že jednoslovné řecké pojmenování zoon nejde do moderních jazyků přeložit, a proto se používají složeniny typu živá bytost, živý tvor; filosofové si vyzkoušeli v překladech novotvar živok, ale neujal se; stvoření, kreatura, zase nese konotace jednak ke stvořiteli, jednak poukazuje na ošklivé charaktery lidské. Živáček není novotvar, slovo zná každý a ví, co si pod ním představit. Zkoušíme u nás na katedře, zda se ujme.

  3. „Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution.“ Několik desítek podobných definic viz např. Barbieri 2006, 203-209.

Tagy

O autorovi

Anton Markoš

Anton Markoš

Doc. RNDr. Anton Markoš, CSc., (*1949) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK. Na katedře filozofie a dějin přírodních věd PřF UK se zabývá teoretickou biologií. Napsal knihy Povstávání živého tvaru (1997), Tajemství hladiny (2000), Berušky, andělé a stroje (spolu s J. Kelemenem, 2004), Život čmelákův (spolu s T. Daňkem, 2005), Staré pověsti (po)zemské (spolu s L. Hajnalem, 2007), Profil absolventa (2008), editoval sborníky Náhoda a nutnost (2008), monografii Markoš a spol.: Life as its own designer (Springer, 2009), Jazyková metafora živého (2010). Články v tištěném Vesmíru.