Dobrze, że po okresie pandemicznym ponownie organizowane są tego typu zjazdy, w których można spotkać się na żywo. Wydaje mi się, że w takiej formule dużo lepiej jest przyswajać wiedzę i przekazywać między sobą informacje i doświadczenia. Dobrą informacją jest to, że na zjeździe, który będzie organizowany w naszym kraju pojawią się wybitni specjaliści z innych krajów, co z pewnością podniesie rangę tego wydarzenia. Być może na konferencji zostaną zaprezentowane ciekawe badania, które wniosą wiele istotnych informacji do świata nauki.

Miejmy nadzieję, że konferencja okaże się sporym sukcesem i z każdym rokiem zainteresowanie nią będzie systematycznie wzrastać. Dzisiejsze możliwości technologiczne, a także coraz większa wiedza naukowców będzie sprawiać, że badania w różnych dziedzinach będą dużo bardziej zaawansowane, na czym z pewnością skorzysta całe społeczeństwo. Moim zdaniem bardzo ważne jest zjawisko, które miało chociażby miejsce podczas wybuchu pandemii wywołanej koronawirusem. W tamtym czasie ośrodki badawcze, w momencie różnych odkryć na temat nowego wirusa, upubliczniały je, dzięki czemu naukowcy z innych miejsc mogli je wykorzystać w swoich badaniach, co znacznie mogło przyspieszyć ich przebieg.

Dobrze ,że świat wraca do normalności po okresie pandemii. Co do tematu konferencji - epigenetyka jest jedną z prężniej rozwijających się dziedzin medycznych. Czym jest epigenetyka? Organizm człowieka buduje ponad 200 typów komórek a każda z nich zawiera identyczny zestaw około 21 000 genów. Geny, a precyzyjniej białka kodowane przez geny umożliwiają komórce pełnienie różnorodnych funkcji. Jak to możliwe, że ten sam zestaw genów pozwala komórce mięśniowej produkować głównie białka umożliwiające skurcz i w konsekwencji ruch różnych części ciała, a w komórce nerwowej aktywne są tylko geny produkujące białka budujące system przewodzenia sygnałów elektrycznych? Pozwalają na to epigenetyczne mechanizmy kontroli aktywności genów, które najprościej mówiąc włączają geny które są potrzebne komórce do pełnienia specyficznej funkcji, jednocześnie utrzymując geny które nie są potrzebne komórce w nieaktywnym stanie. Początkowo epigenetyczne mechanizmy regulacji genów interesowały głównie embriologów i biologów rozwoju, gdyż sekwencyjne włączanie i wyłączanie genów jest podstawą rozwoju organizmu i umożliwia powstanie skomplikowanego wielokomórkowego organizmu z jednej komórki. Szybko okazało się, że czynniki środowiskowe takie jak na przykład, odżywianie, aktywność fizyczna czy dym tytoniowy mogą wpływać na funkcjonowanie epigenetycznych mechanizmów kontroli aktywności genów. Zakłócenie prawidłowego funkcjonowania tych mechanizmów prowadzi do stanu, w którym w komórce aktywne są geny które nie są komórce potrzebne, a geny czasem krytyczne do prawidłowego funkcjonowania komórki są wyłączone. Komórka taka nie funkcjonuje prawidłowo i może przekształcić się w komórkę nowotworową. Po latach badań możemy w stosukowo łatwy sposób zbadać, które geny zostały rozregulowane, „zepsute” przez zakłócone mechanizmy epigenetyczne. To daje nam możliwość wykrycia komórek ze zmianami epigenetycznymi, zanim jeszcze doprowadzą one do zawansowanego procesu nowotworowego. Epigenetyczne zmiany aktywności genów są odwracalne, w przeciwieństwie do mutacji genetycznych, które tak samo jak zmiany epigenetyczne zakłócają normalną funkcję genu, ale nie jesteśmy jeszcze w stanie ich efektywnie naprawiać. To otwiera możliwość opracowania nowych metod terapeutycznych które pozwolą przywrócić prawidłową aktywność rozregulowanych genów i odwrócić proces chorobowy. Co więcej nie tylko leczeniem możemy odwrócić niekorzystne zmiany epigenetyczne. Zmiany w stylu życia takie jak zbilansowana dieta czy aktywność fizyczna mogą tak samo skutecznie jak leczenie, odwrócić niekorzystne zmiany epigenetyczne.

Epigenetyka oznacza w dosłownym tłumaczeniu coś, co znajduje się ponad genetyką. Epigenetyka zajmuje się zmianami funkcji genów, które zachodzą niezależnie od zmian w sekwencji DNA. Wiadomo, że choroby jednogenowe (monogenowe) są spowodowane mutacjami (uszkodzeniem) genów. Gen to odcinek nici DNA (nośnika informacji genetycznej), w którym jest zakodowana informacja. Mutacja to prowadząca to wystąpienia choroby zmiana pojawiająca się w DNA danego genu. W miarę postępu prac nad poznaniem (rozpisaniem) sekwencji genomu, okazało się, że istnieją inne czynniki kontrolujące ekspresję genów, a mutacjami nie udaje się wytłumaczyć mechanizmów wielu chorób uwarunkowanych genetycznie. Część chorób spowodowanych jest zmianami epigenetycznymi, czyli takimi, które zmieniają ekspresję genów, powodując mimo braku zmian w sekwencji DNA. Są to właśnie choroby epigenetyczne. W przypadku tych chorób dochodzi do zmian w obrębie chromatyny. Chromatyna jest przestrzenną strukturą tworzącą chromosomy, zbudowaną z DNA, histonów i innych białek. Podstawową jednostką chromatyny jest nukleosom, zbudowany z DNA owiniętego wokół rdzenia białkowego, składającego się z histonów. Poszczególne nukleosomy przypominają koraliki połączone nicią DNA, porozdzielane strukturami białkowymi i kilkakrotnie zapętlone. Istnieje kilka mechanizmów epigenetycznych prowadzących do zmiany funkcji genów. Pierwszy mechanizm polega na metylacji, czyli modyfikacji DNA przez przyłączenie grupy metylowej. Bierze on udział w zjawisku zwanym piętnowaniem, czyli naznaczeniem rodzicielskim. Polega ono na tym, że pewne geny wykazują aktywność bądź są wyciszane w zależności od tego, czy są oddziedziczone od matki, czy od ojca. Przykładami chorób związanych z genomowym naznaczeniem rodzicielskim są między innymi zespół Pradera i Willego, zespół Angelmana, zespól Beckwitha i Wiedemana, zespół Silvera i Russella. Kolejnym mechanizmem epigenetycznym jest modyfikacja białek histonowych, odpowiadająca za niektóre choroby nowotworowe czy neurodegeneracyjne. Do czynników uczestniczących w kontroli genów zaliczane są również małe fragmenty RNA, które - przyłączając się do fragmentów DNA - blokują jego właściwe odczytywanie, czyli powodują wyciszenie danego genu. Wydaje się, że ten mechanizm epigenetyczny może być wykorzystany w terapii genowej. Podsumowując, wydaje się, że epigenetyka kryje przed nami jeszcze wiele tajemnic. W niektórych sytuacjach, różnice w fenotypie (zespół cech) mimo takiego samego genotypu (zespół genów) potrafimy wytłumaczyć zmianami epigenetycznymi. Poznajemy wpływ środowiska i mechanizm dziedziczenia zmian epigenetycznych. Można mieć nadzieję, że dalsze badania pozwolą nie tylko na zrozumienie tych skomplikowanych procesów, ale stworzą również nowe możliwości terapii.

Postęp cywilizacyjny wraz z towarzyszącym mu polepszeniem warunków życia przedłużyły średnie życie ludzkie z 20-30 lat na początku naszej ery do prawie 70 lat (w krajach rozwiniętych nawet do 80 lat) w roku 2010. To przedłużenie życia zmienia, przede wszystkim w krajach rozwiniętych, proporcje - ludzie produktywni/ ludzie nieproduktywni na korzyść tych ostatnich. Rodzi to wiele problemów natury demograficznej, ekonomicznej i medycznej. W roku 2013 liczba osób pracujących w krajach Unii Europejskiej wynosiła 308 milionów. Prognozowana liczba pracujących w 2060 roku spadnie do 265 milionów kosztem zwiększenia liczby osób starych, powyżej 65 roku życia. Zwiększenie liczby osób starych rodzi wiele problemów z dziedziny ochrony zdrowia, medycyny praktycznej i teoretycznej. Próby ich rozwiązywania są już obecnie podejmowane. Zainteresowanie biologią starzenia i praktyczną gerontologią odzwierciedla lawinowy wzrost liczby naukowych publikacji w ostatnich dwóch dekadach. Szczególnie bujnie rozwijają się badania molekularnych i komórkowych mechanizmów starzenia, a także coraz śmielsze próby odmładzania komórek, tkanek i całych organizmów. Badania te wykazują, że u podstaw procesu starzenia znajduje się głównie zmien ność epigenomu, modyfikacje genomu oraz dysfunkcje makrocząsteczek powodowane przez stres oksydacyjny i glikację. Przyczyny starzenia wyjaśnia wiele teorii opisanych w licznych opracowaniach przeglądowych. Wśród tych teorii–przyczyn starzenia znajdują się najważniejsze: • modyfikacje epigenomu (metylacja cytozyny DNA, kod histonowy oraz mikroRNA i długie, niekodujące RNA, • zmiany genomu (mutacje i uszkodzenia DNA, skracanie telomerów oraz modyfikacje ruchomych elementów DNA. Procesowi starzenia towarzyszą głębokie zmiany epigenomu, odpowiedzialnego za pozagenetyczną regulację ekspresji genów (bez ingerencji w sekwencję nukleotydów DNA), która odbywa się, poprzez tzw. cis-epigenetyczną kontrolę, tj.: • metylację/demetylację cytozyny DNA występującej w parach CpG lub poprzez tzw. trans-epigenetyczną kontrolę aktywności genów, tj.: • acetylację/deacetylację oraz metylację/demetylację histonów, a także ich ubikwitynację i fosforylację. Te zmiany struktury histonów przybierają postać tzw. kodu histonowego • mikroRNA, który hamuje translację poprzez blokowanie mRNA. Zasada działania epigenomu. Jest w uproszczeniu następująca: metylacja cytozyny DNA par CpG gęsto upakowanych w promotorze genu unieczynnia go (wycisza), natomiast metylacja rzadkich par CpG aktywuje geny. Demetylacja cytozyny DNA na ogół uczynnia geny i może być bierna wobec braku metylacji w czasie kilku cykli syntezy DNA, albo czynna – z udziałem enzymów, np. dioksygenazy wytwarzającej hydroksymetylocytozynę z metylocytozyny lub z użyciem mechanizmów reperacji DNA, tj. wycięcia zmetylowanej cytozyny i jej zastąpienie cytozyną niezmetylowaną. Metylacja histonów może uczynniać lub unieczynniać geny, deacetylacja histonów unieczynnia geny. Metylom i wyspy CpG. Pary CpG znajdują się na całej długości DNA w liczbie kilkudziesięciu milionów/ komórkę tworząc czynnościową strukturę – metylom. Wzorzec metylacji DNA jest swoisty dla rodzaju komórki i tkanki będąc odpowiednikiem odcisków palców. W komórkach ludzi starzejących się zmetylowana cytozyna par CpG szczególnie obficie występuje w kilkudziesięciu tysiącach krótkich odcinków DNA komórki nazywanych wyspami CpG, w których jest skoncentrowana w promotorach ważnych genów. Stan epigenetyczny trwa przez całe życie komórki i przenoszony jest wiernie poprzez mitozy, co nazywa się bookmarkingiem lub pamięcią komórkową. Epigenom jest modyfikowany począwszy od zapłodnienia poprzez rozwój zarodkowy, płodowy i pozamaciczny. Wynikiem tych modyfikacji jest różnicowanie komórkowe i plejomorfizm komórek, a następnie zmiany starcze komórek i starzenie entropowe. Zachodzące z wiekiem stochastyczne zmiany (dryft) epigenomu są jedną z głównych cech starzenia komórkowego. Zmiany metylacji DNA pozwalają określać wiek epigenetyczny komórek i tkanek i porównywać go z wiekiem kalendarzowym komórek i człowieka. W czasie i po zapłodnieniu, aż do stadium moruli/blastocysty, trwa proces kasowania (resetownia) metylacji miejsc cytozynowych DNA. Komórki stają się całkowicie niezróżnicowane, czyli totipotentne (mogą z nich powstawać wszystkie rodzaje komórek) i teoretycznie mają zdolność nieskończonego dzielenia się, są zatem nieśmiertelne. Mogą także wytwarzać wszystkie rodzaje komórek organizmu oraz komórki błon płodowych. Ich nieśmiertelność, jest wynikiem działania wielu czynników, ale głównie jest efektem wydłużania końcowych fragmentów chromosomów - telomerów. Wydłużanie telomerów zachodzi mimo braku w komórkach zarodkowych aktywnej telomerazy (katalizującej wydłużanie telomerów) i jest skutkiem tzw. alternatywnego wydłużania telomerów (ALT, alternative lenghtening of telomeres), m.in. wskutek zmian ich struktury i wymian między telomerami siostrzanych chromosomów. ALT jest także sposobem zachowania odpowiedniej długości telomerów w komórkach ok. 10% nowotworów. W komórkach późniejszego rozwoju embrionalnego za wydłużanie telomerów odpowiada enzym - telomeraza, który w aktywnej formie występuje także po urodzeniu w komórkach macierzystych narządowych, w męskich komórkach płciowych i w komórkach ok. 90% nowotworów. Komórki somatyczne pozbawione są telomerazy, co prowadzi, obok wpływu innych czynników, do starzenia replikacyjnego i śmierci. W komórkach moruli/blastocysty rozpoczyna się odbudowa zapisu epigenetycznego w postaci metylacji cytozyny DNA i modyfikacji histonów, czyli różnicowanie komórkowe. Komórki stają się pluripotentne (mogą z nich powstawać wszystkie komórki z wyjątkiem komórek błon płodowych). Apogeum odbudowy zapisu epigenetycznego przypada na okres okołoporodowy, kiedy 81% miejsc cytozynowych DNA jest zmetylowanych. W życiu po urodzeniu dochodzi do postępującej hipometylacji DNA - u ludzi 26-letnich 78% miejsc cytozynowych jest zmetylowanych, a u starców tylko 73%. U ludzi starzejących się, jednocześnie ze spadkiem ogólnej metylacji cytozyny DNA, pojawiają się lokalnie miejsca hipermetylacji w wyspach CpG. W wyniku hipermetylacji wysp CpG komórki ludzi starzejących się tracą stopniowo zdolność ekspresji wielu genów. Należą do nich głównie geny INH4 (ich produkty białkowe hamują namnażanie komórek), dla białka p53 (hamuje wzrost nowotworów), dla PCG (czynniki transkrypcji regulujące biogenezę mitochondriów, wytwarzanie ATP i metabolizm), dla dysmutazy ponadtlenkowej (SOD, jeden z antyoksydantów), dla syntazy NO, lipooksygenazy i wielu innych. Stosując ilościowe mapy epigenetyczne stopnia metylacji DNA można określać wiek epigenetyczny komórek ludzkich, który jest różny dla komórek różnych narządów. Również wiek epigenetyczny komórek narządów zawierających komórki rakowe jest bardziej zaawansowany niż komórek narządów zdrowych. Na przykład, w przypadku gruczołu mlekowego ze zmianami rakowymi jego komórki są o 36 lat starsze epigenetycznie niż komórki innych narządów. Co więcej, przeprowadzane są próby używania różnic między wiekiem epigenetycznym, a wiekiem kalendarzowym komórek do szacowania postępu starzenia i przewidywania statystycznego wystąpienia chorób mu towarzyszących. W ten sposób dąży się do przewidywania długości życia pozostałego człowiekowi. Epigenom jest także modyfikowany przez czynniki zewnętrzne, np. środowiskowe (dieta, patogeny i in.) i wtedy otrzymuje piętna (signatures) inaktywujące/aktywujące geny. Prowadzi to do zmian struktury i funkcji komórek przejawiających się m.in. jako starzenie entropowe i powstawanie chorób towarzyszących starzeniu. Niektóre z tych zmian epigenomu mogą być dziedziczone międypokoleniowo. Deacetylacja histonów jest, poza metylacją DNA i histonów, innym, epigenetycznym mechanizmem regulacji aktywności genów. Deacytylację katalizują deacetylazy histonów (HDAC), które u ludzi występują w postaci 7 sirtuin (SIRT1-7). Pobudzają one lub hamują ekspresję genów. Czynniki, które modulują SIRT należą do tzw. leków epigenetycznych i stosowane są w celu spowalniania starzenia, w leczeniu towarzyszących starzeniu chorób degeneracyjnych i nowotworowych oraz otyłości. Naturalnymi inhibitorami SIRT są β-hydroksymaślan (βOHB) – główne źródło energii w czasie wysiłków fizycznych i postu oraz zredukowany dinukleotyd nikotynoamido-adeninowy, NADH. Natomiast NAD+ jest aktywatorem SIRT. Inhibitory SIRT prowadzą do hamowania stresu oksydacyjnego zmniejszając stopień uszkodzeń DNA, karbonylacji białek i utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych, reperując sprawniej DNA. Spowalnia to procesy starzenia entropowego. Inhibitory HDAC – vorinostat i romidepsynę dopuszczono ostatnio do leczenia chłoniaków T-komórkowych. Stosuje się je także w leczeniu choroby Huntingtona, Alzheimera i Parkinsona oraz jako immunomodulatory i środki przeciwzapalne. Silnym aktywatorem SIRT1 i SIRT5 jest polifenol resweratrol znajdujący się w czerwonym winie. Resweratrolowi przypisuje się główną rolę w wywoływaniu tzw. francuskiego paradoksu: stosunkowo długie życie mimo tłustej i wysokokalorycznej diety z jednoczesnym spożywaniem dużej ilości czerwonego wina. Zmiana powtarzających się, rezerwowych sekwencji DNA W miarę upływu wieku organizmu wśród zmian genomu występują jakościowe zmiany rezerwowych, powtarzających się sekwencji identycznych odcinków DNA (tzw. śmieciowego DNA) oraz ich wzrost/zmniejszenie. Stopień nagromadzenia takich sekwencji jest swoisty gatunkowo i, jak się przypuszcza, przyczynia się do różnic długości życia między gatunkami. Ten rodzaj DNA wiąże się z występowaniem ruchomych elementów DNA (transposonów, skaczących genów), które w ludzkich komórkach stanowią 50% całego DNA. Elementy ruchome DNA utrzymywane są w ryzach funkcjonalnych poprzez mechanizm epigenetyczny – metylację ich cytozyny. Liczne badania wskazują na rolę i transposonów i metylacji w rozwoju zmian starczych u ludzi, u naczelnych, a także u innych ssaków. Telomery są powtarzającymi się sekwencjami nukleotydów DNA końców ramion chromosomów tworzących rodzaj czapeczki. Chronią chromosomy zapobiegając ich enzymatycznemu rozkładowi i fuzji ich końców. Po każdym podziale komórki telomery się skracają, co w końcu doprowadza do ich zaniku i zahamowania po działów komórkowych, czyli starzenia replikacyjnego. Dlatego ludzkie i zwierzęce komórki mają ograniczoną zdolność dzielenia się. Na przykład, ludzkie fibroblasty embrionalne hodowane in vitro po ok. 50 podwojeniach populacji przestają się dzielić, chociaż mogą jeszcze latami pozostawać żywe i pełnić swoje funkcje. Skracanie telomerów jest prawidłowością, która legła u podstaw sformułowania teorii zegara telomerowego. Na podstawie długości telomerów można bowiem określać wiek replikacyjny komórek, a zatem także stopień ich starzenia replikacyjnego. Organizm ludzki stosuje dwie naturalne strategie zapobiegania starzeniu replikacyjnemu: • komórki przedimplantacyjnego rozwoju zarodkowego oraz komórki ok. 10% nowotworów zapobiegają starzeniu replikacyjnemu włączając alternatywny sposób wydłużania telomerów (ALT) poprzez ich rekombinację między homologicznymi chromosomami. • narządowe komórki macierzyste powstające w późniejszym rozwoju embrionalnym, w wyniku organogenezy, męskie komórki płciowe oraz komórki ok. 90% nowotworów przeciwstawiają się starzeniu replikacyjnemu włączając i utrzymując ekspresję telomerazy katalizującej replikację telomerów. Mutacje DNA są zmianami kolejności zasad DNA powstającymi wskutek błędów w syntezie tego związku lub pod wpływem działania toksyn, promieniowania jonizującego, UV i wolnych rodników. Ich gromadzenie uważane jest za jedną z przyczyn prowadzących do starzenia i chorób mu towarzyszących. Średnio w ludzkim organizmie dzieli się 10 komórek/s, a w 1/3 spośród ich potomstwa powstają mutacje DNA. Na ogół zmutowane komórki są niszczone na drodze ich samobójczej śmierci. Pozostałe mutacje kumulują się, szczególnie w komórkach rzadko się dzielących, upośledzają funkcje komórek i prowadzą do starzenia entropowego. Szczególne znaczenie mają mutacje mitochondrialnego DNA (mitDNA) powstające obficie wskutek bliskości źródeł wolnych rodników oraz braku histonów mitDNA i ich ochronnej roli. Kumulujące się mutacje mitDNA, szczególnie w komórkach rzadko się dzielących, uszkadzają mitochondria, co powoduje zwiększoną produkcję wolnych rodników i w konsekwencji narastanie procesu starzenia. Nawet mutacje pojedynczych genów mogą skracać życie całego organizmu. Dowodzą tego badania genu azot i białek flower i sparc u muszki owocowej D. melanogaster. Konfiguracja tych białek na powierzchni komórek włącza gen azot, który eliminuje defektywne, ale ciągle funkcjonujące komórki polepszając funkcjonowanie całych narządów i przedłużając życie muszki. Przyczynami uszkodzeń DNA (np. pęknięcia jednej lub obu nici DNA) są najczęściej wolne rodniki. Ze względu na częstość występowania uszkodzeń (średnio 2,5 tys. uszkodzeń DNA/komórkę/godz.) i ich konsekwencje są one wiązane z rozwojem zmian starczych i chorób im towarzyszących – degeneracyjnych i nowotworów. Ostatnio jednak, opierając się na badaniach przeprowadzonych głównie na komórkach robaków C. elegans i gryzoni wysuwa się hipotezę, że wolne rodniki nie są pierwotną przyczyną zmian starczych. Przypuszcza się, że współistnieją one z tymi zmianami, a ich rola polega na przekazywaniu tkankom sygnałów (oraz ich uszkadzania) od nieznanego czynnika wywołującego starzenie. ( publikacja: p. Wojciech Sawicki i wsp.)