Epigenetika i epigenomika

Epigenetika je dinamična i dobro uspostavljena grana genetike koja proučava nasljedne promjene u ekspresiji i funkciji gena koje ne uključuju promjene u sekvenci DNK.

Epigenomika je proučavanje kompletnog niza epigenetskih modifikacija na genomu.

Epigenom je skup informacija sadržan u hromatinu koji utiče na transkripciju.

Pojam epigenetika (od gr. epigenesis – iznad gena) je u nauku 1942. godine uveo embriolog i evolucioni biolog Konrad Vadington kako bi opisao interakcije gena i njihovih proizvoda kojima se obrazuje fenotip.

Globalne klimatske promjene su posljedica složenih abiotičkih i biotičkih procesa i ogledaju se kroz statistički značajne promjene klimatskih parametara.Istraživanja su pokazala da sukcesivni događaji suše pokrećutrajne promjene u reakcijama biljaka u smislu da prethodni stresni događaji mogu pripremitibiljku za prevladavanje sljedećih nepovoljnih uslova, stvarajući neku vrstu biljne memorije naove poremećaje. Ovo se „pamćenje“ stresa može razviti u različitim životnim fazama, apovezano je s promjenama u fiziološkim i molekularnim procesima biljaka (Neves et al., 2017).

Epigenetska regulacija ima ključnu ulogu u mehanizmima biljnog odgovora na uslove spoljne sredine, bez promjene DNK sekvence.

Različiti stresovi djeluju kao podsticaj i mijenjaju nivo genske ekspresije pomoću:

• metilacije DNK;
• modifikacije histona;
• djelovanja mikro RNK;
• aktivnosti transpozona i
• represijskog polikomb-kompleksa.

Proučavanjemepigenetičkih promjena povećavamo razumijevanje prilagođavnja biljaka na stresne uslove imehanizma na kojem se ona temelji.

Naučna istraživanja iz oblasti epigenetike pokazuju da sredina i te kako može uticati na to kako se i u kolikoj mjeri geni čitaju. Dugo se dovodilo u pitanje da li osobine biljke zavise od genetike ili i od okoline u kojoj se uzgaja ta biljka.

• Epigenetički mehanizmi su posrednik između gena i životne sredine.
• Epigenetička informacija je fleksibilna i reverzibilna.
• Ukoliko je određeni faktor spoljne sredine signal za promjenu određene epigenetičke informacije, doći će do promjene u eskpresiji određenih gena,a nakon prestanka djelovanja tog faktora prvobitno stanje se može ponovo uspostaviti.
• Epigenetičke informacije se mogu prenijeti i u sljedeću generaciju.
• Epigenetska raznolikost utiče na fenotipsku raznolikost.
• Epigenetske modifikacije su pod direktnim uticajem faktora spoljne sredine.

Epigenetske modifikacije nisu karakteristične samo za somatske ćelije, već se može dogoditi da one završe i na polnim ćelijama, a time postoji mogućnost da se prenesu i na potomke pa tada nastaje transgeneracijsko epigenetsko nasljeđivanje.

Epigenetiki mehanizmi u biljkama djeluju na razvoj sjemena, vegetativni rast, sazrijevanje plodova, reagovanje na podsticaje iz okoline, reagovanje na biotički i abiotički stres i stvaranje nasljednih epialela. Epialeli su nasljedni aleli koji su epigenetski modifikovani.

Epigenetika bi mogla da podstakne oplemenjivanje biljaka selekcijom povoljnih epigenetskih stanja, stvaranjem novih epialela i regulacijom ekspresije transgena. Razvoj novih alata omogućiće istraživačima pristup i kvantifikovanje postojećih epigenetskih varijacija koje doprinose važnim osobinama poput disanja i efikasnosti korišćenja energije, a posebno agronomskim osobinama kao što su prinos i kvalitet sjemena.

Očuvanje biodiverziteta, kao početnog materijala za oplemenjivanje biljaka u sve većem je fokusu savremenih naučnih istraživanja. Ogromno genetičko bogatstvo koje se čuva u bankama gena dobija ekonomski značaj samo onda kada se pravilno koristi, a jedan od tih načina je identifikacija potencijalno korisnih gena, tj. pronalaženje superiornih genotipova koji posjeduju visok potencijal za prinos, otpornost na bolesti i štetočine, veću tolerantnost na abiotički stres ili bolji nutritivni sastav. 

Primer uspješnog epigenetskog oplemenjivanja prikazan je povećanjem prinosa vrste Brassica napus selekcijom kroz komponentu epigenetske energetske efikasnosti (EUE).

Takođe, buduća primjena epigenetike mogla bi se zasnivati na epigenetskim rekombinacijama inbred linija, kao u primjeru arabidopsisa (Arabidopsis thaliana), inhibiciji DNK metilacije kod riže (Oryza sativa) ili otkriću sistema MSH1 kod paradajza (Solanum lycopersicon) i soje (Glycine max). 

O SOST akciji CA19125

SOST Action CA19125 - EPIgenetic mechanisms of Crop Adaptation To Climate cHange (EPI-CATCH) 

Glavni cilj ove akcije je da značajno doprinese:

1. Promovisanju ulaganja u istraživanja iz oblasti epigenetike / epigenomike biljaka.
2. Sticanju uvida u razumijevanje heterogene i složene prirode biljnih epigenetičkih mehanizama.
3. Pružanju novih otkrića u ovoj nedovoljno istraženoj oblasti. 

Trajanje akcije: 2020-2024

Učesnici akcije: 43 institucije iz 22 države 

Izazovi i očekivanja:

1. Definisanje standarda, protokola, tokova rada i najbolje prakse za laboratoriju, in silico analizu podataka i integraciju podataka u epigenetici biljaka kroz pristup kuracije zasnovan na zajednici u kojem će svaki partner podijeliti svoje podatke, znanje i iskustvo u ovoj oblasti.
2. Ažuriranje znanja i definisanje standarda u trenutnoj međunarodnoj istraživačkoj aktivnosti koja se bavi molekularnom adaptacijom usjeva na klimatske promene.
3. Promovisanje zajedničke strategije za objavljivanje prihvatanja predloženih standardizovanih formata podataka dobijenih u oblasti epigenetike / epigenomike biljaka.
4. Širenje ovih standardizovanih pristupa i metodologije ne samo klasičnim putevima (publikacije, usmene prezentacije) već i obukom i praktičnim sesijama za doktorante i mlade istraživače.
5. Prenos znanja i metodologija u epigenetskim / epigenomskim istraživanjima sa model biljaka na ostale usjeve i žive organizme.
6. Promovisanje budućeg razvoja molekularnih alata (epi-molekularni markeri, bolje prilagođene sorte, suhe i mokre metode) za zainteresovane strane (uzgajivače, agroindustriju i biotehnološke kompanije). 

O projektu podrške SOST akciji CA19125

Epigenetički mehanizmi prilagođavanja usjeva na klimatske promjene: podrška SOST akciji CA19125- EPIgenetic mechanisms of Crop Adaptation To Climate cHange (EPI-CATCH) 

Cilj ovog projekta je definisanje, razvoj, generisanje i razmjena najnovijih saznanja  i metodologija za ispitivanje epigenetičkih mehanizama koji utiču na prilagođavanje biljaka na faktore stresa pod uticajem klimatskih promjena. Postojeće tehnologije u poljoprivredi, kao i moderne tehnike u oplemenjivanju biljaka nastoje omogućiti visoke prinose i intenzitet proizvodnje. Genetska raznovrsnost, odnosno genetički resursi koje bismo mogli upotrijebiti za razvoj novih, otpornijih sorti, mogla bi biti ključna za ostvarivanje efikasnije poljoprivredne proizvodnje.

Implementacija projekta će se sprovoditi u okviru sljedećih aktivnosti: poboljšanje znanja u epigenetici/epigenomici kroz više programa stručne obuke mladih naučnika i istraživača, promocije razvoja i značaja novih biotehnoloških metoda i inovacija u oblasti poljoprivrede  kroz publikacije, prezentacije kao i onlajn promocija na internet stranici na kojoj će biti dostupne informacije o projektnim aktivnostima ali i samoj epigenetici/epigenomici s obzirom na malu dostupnost informacija o navedenoj oblasti. 

Finansijer projekta: Ministarstvo civilnih poslova Bosne i Hercegovine

Trajanje projekta: 01.01.2021. - 31.12.2021.

Nosilac projekta: Institut za genetičke resurse, Univerzitet u Banjoj Luci

Rukovodilac projekta: doc. dr Mirela Kajkut Zeljković

Projektni tim:       

• doc. dr Marina Antić
• doc. dr Sanda Stanivuković
• doc. dr Jelena Nikitović
• Tanja Krmpot, ma, viši asistent
• Sonja Rašeta, ma

Korištene reference:

Grant-Downton, R.T., Dickinson, H.G. (2005): Epigenetics and its implications for plant biology. The epigenetic network in plants. Annals of Botany, 96 (7), p. 1143-1164. DOI: doi.org/10.1093/aob/mci273.

Neves, M., D., Almeida, L., A., Santana-Vieira, D., D., S., Freschi, L., Fortes Ferreira, C., Filho, W., S., Cardoso-Costa, M., G., Micheli, F., Filho, M., A., C., Gesteira, A. (2017): Recurrent water deficit causes epigenetic and hormonal changes in citrus plants. Nature, 7: 13684. DOI:10.1038/s41598-017-14161-x.

Novak, A. (2020): Genetika i epigenetika kao izvor neplodnosti čovjeka. Diplomski rad. Sveučilište u Zagrebu, Medicinski fakultet.

Rajnović, T., Vokurka, A., Bolarić, S. (2020): Epigenetics in plant breeding. Journal of Central European Agriculture, 21(1), p.56-61. DOI: /10.5513/JCEA01/21.1.2765.

Trošelj, K. G., Kujundžić, R. N., Grbeša, I. (2009): Epigenetika i fiziologija gena. Medicina, 45(2), p. 127-135.

https://www.cost.eu/cost-action/epigenetic-mechanisms-of-crop-adaptation-to-climate-change/#Management%20Structure

https://www.epicatch.eu/