Epigenetikai információelmélet

Ma még hihetetlenül hangzik, de már bizonyított tény, hogy az öreg sejtek tartalmazzák azokat az információkat, amelyek ahhoz szükségesek, hogy ismét fiatalokká váljanak. Az öregedés során a sejtek információt veszítenek és információ módosulást is szenvednek, időben mind többet és többet. Azok az adatok, amelyek biztonsági mentés nélkül vesznek el, örökre elvesznek. De, ahogy azt a klónozás is bizonyítja, a sejtjeink öregen is őrzik a fiatalkori információkat. Ha ezeket az információkat sikerülne visszaállítani akkor megszerezhetnénk azt a képességet, amit az evolúció nem adott meg nekünk.  

Az információtovábbítás elméletének nagy guruja, Claude Shannon, 1948-ban írt híres tanulmányával megalapozta a reményt, hogy léteznie kell olyan információnak, mely megmondja a sejtnek, hogyan állítsa vissza önmagát. Az elmélete szerint ugyanis az információvesztés egyszerűen az entrópia fokozása, ez okozza az üzenet megfejtésének bizonytalanságát. Ötletét káprázatos egyenletekkel támasztotta alá, melyek bizonyítják, hogy egészen addig szinte hiba nélkül lehet információt továbbítani, amíg az nem haladja meg a csatorna kapacitását, ám ha azt az adatmennyiség túllépi vagy zajossá válik, úgy biztosíthatjuk az adatoknak a vevőhöz való eljutását, ha eltárolunk egy adatsorozat mentést. Így abban az esetben, ha az elsődleges információ egy része elvész, egy megfigyelő egység elküldheti a hiányzó adatokat egy javítóeszközre, ami így képes helyreállítani az eredeti üzenetet. Nos, ha napjainkban már az internet és a mobiltelefonok is így működnek, akkor miért ne lehetne ez érvényes az öregedés információelméletére is.  

Egy szervezet minden sejtje alapvetően ugyanazt a genetikai információt hordozza, ezt a DNS megbízható és tartós digitális formában tárolja. A szervezet különböző sejtípusaiban viszont más-más gének aktívak, ezt egy analóg struktúra, az epigenom kontrollálja. Az epigenetikai információ vezényli azt a teljes folyamatot, amely során egyetlen megtermékenyített petesejtből létrejön a sokmillió genetikailag azonos sejtből álló szervezet és lehetővé teszi, hogy ezek a legkülönfélébb módon működjenek. Ez a sejtdifferenciáló mechanizmus utasítja az őssejteket, hogy milyen típusú sejtekké váljanak és maradjanak hosszú évtizedekig. Ezért nem történhet meg az sem, hogy egy osztódó vesesejtből két májsejt legyen, vagy hogy egy idegsejt bőrsejtként viselkedjen.

Ez bizony egy analóg kémiai rendszer, adott vegyületek koncentrációjának és helyzetének a változtatásával finoman szabályoz, mert ezek viszonylag könnyen módosíthatók folytonosan mindkét irányba, bármikor, amikor azt a sejten belüli vagy kívüli környezet szükségessé teszi. A mechanizmusnak két fő szabályzó eleme van: a DNS láncon levő gének hozzáférhetővé tétele, vagy szoros fehérjekötegekbe való csomagolása (ez az acetilezés), illetve a géneknek metil vegyületekkel való címkézése, melyek ki/be kapcsolják a géneket (ez a metiláció). A számos előnye mellet azonban, mint minden analóg rendszernek, van két komoly hátránya: az analóg információk károsodnak az idő múlásával a környezeti zavarhatások miatt és a másolásuk során adatvesztés történik. Nos, ezek az epigenetikai módosulások okozzák az öregedést, mivel a hibák felhalmozódását nehéz, a sejtosztódás során fellépő információvesztességet pedig lehetetlen megakadályozni. Szóval a sorsunk nem a DNS-ünkben van megírva, az öregedés egyetlen közvetlen oka az analóg információk romlása.

Ha az epigenetikai zaj miatt sok epigenetikai információ el is vész öregkorra, léteznie kell olyan információnak, amely megmondja a sejtnek hogyan állítsa vissza önmagát. Ez lenne az eredeti üzenet elmentett változatának a megfelelője. De ahhoz, hogy Shannon tétele alapján visszaállítsuk a zaj által elnyomott jelet, szükségünk van egy megfigyelőre, aki rögzíti az eredeti információt és egy javítóegységre, amely visszaállítja az eredeti jelet. A megfigyelő kiléte egyelőre még homályos, de a legfrissebb kutatások azt bizonyítják, hogy sikerült megtalálni a biológiai javítóegységet. Tulajdonképpen ezért Shinya Yamanaka japán őssejtkutató már 2012-ben megkapta a Nobel díjat, mert felfedezte azt a négy génkombinációt, - Oct4, Klf4, Sox2 és c-Myc géneket – amely képes pluripotens őssejtté visszaalakítani a felnőtt sejteket, vagyis olyan éretlen sejtekké, amelyeket rá lehet venni, hogy tetszőleges sejttípussá alakuljanak. Ezt a négy gént ma már Yamanaka faktoroknak hívjuk, de hívhatnánk akár újraprogramozási faktoroknak is, hiszen a felfedezésükre alapozva laboratóriumi körülmények között teljes mértékben visszafordítható a sejtek életkora.  A laboratóriumon túli próbálkozások azonban már nem bizonyultak ennyire sikeresnek, ugyanis az állatokon végzett kísérletek rendre végül rákos sejteket eredményeztek. Csak az utolsó években sikerült a szervezeten belüli öreg sejtek öregedését visszafordítani anélkül, hogy ne váltak volna tumorsejté. A siker elsősorban annak köszönhető, hogy a Yamanaka faktorból kihagyták a c-Myc gén aktiválását. A megmaradt három gén pedig teszi a dolgát és olyan transzlokációs enzimeket vezérelnek, amelyek eltávolítják azokat a metiltageket a DNS-ből, amelyek az öregedés során, az egyre zajosabb információátvitelnek köszönhetően jöttek létre. Ezzel újraindítják az öregedés óráját és lehetővé teszik a sejteknek, hogy úgy kezdjenek növekedni és osztódni, mint új korukban. A csodálatos a dologban az, hogy az enzimek NEM távolítják el az összes metilt a genomból, ellenkező esetben az primordiális őssejté változtatná a sejtet. Az, hogy miként képesek a transzlokációs enzimek az új metileket kiszedni és az eredetieket a helyükön hagyni, egyelőre még rejtély.

Shannon biológiai megfigyelőjét, akinek a birtokában van az eredeti információ, még nem fedezték fel. Ez nem lehet önmagában a DNS metiláció, mert az nem magyarázná meg azt, hogy miként képesek az újraprogramozott sejtek csak az eredeti, fiatal metiljeleket figyelembe venni és az öregedés folyamán felhalmozottakat eltávolítani. Talán egy speciális fehérje kapcsolódik a DNS-re a magzati fejlődés során, hogy ott várakozzon csipkerózsikai álomban hosszú évtizedeken át egy érkező jelre, hogy helyreállítsa az eredeti információt.  

Mindenesetre az a tény, hogy a test kifejlett sejtjei, még az öreg idegsejtek is, újraprogramozhatók, azt jelenti, hogy nem veszett el a fiatalság információja. Valahol vannak a testünkben molekuláris jelek, egy elmentett korrekciós adatbázis, amely megmarad öreg korban is, és amihez a Yamanaka faktorokkal hozzá lehet férni, hogy reszeteljük az epigenomot. Mikor bekapcsol ez a javítóegység, a sejtek valahogyan tudják, hogy miként léphetnek kapcsolatba a megfigyelővel és a javító adatcsomag használatával miként állíthatják helyre az eredeti jelet úgy, mintha azt egy fiatal sejt küldte volna.

Próbáljunk szembe menni a konvenciókkal. Több évtizedes kutatómunkára volt szükség, hogy csökkentsük a zajt az epigenomunkban, hogy néhány százalékkal lassítsuk az öregedést és az azzal járó betegségeket. Ehhez képest a sejtek újraprogramozása gyors és könnyű műveletnek ígérkezik.