Эпигенетика — сравнительно недавнее направление биологической науки и пока не так широко известно, как генетика. Под ней понимают раздел генетики, который изучает наследуемые изменения активности генов во время развития организма или деления клеток.

Эпигенетические изменения не сопровождаются перестановкой последовательности нуклеотидов в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

В организме существуют различные регуляторные элементы в самом геноме, которые контролируют работу генов, в том числе в зависимости от внутренних и внешних факторов. Долгое время эпигенетику не признавали, т. к. было мало информации о природе эпигенетических сигналов и механизмах их реализации.

Структура генома человека

В 2002 г. в результате многолетних усилий большого числа ученых разных стран закончена расшифровка строения наследственного аппарата человека, который заключен в главной молекуле ДНК. Это одно из выдающихся достижений биологии начала ХХI века.

ДНК, в которой находится вся наследственная информация о данном организме, называется геномом. Гены — это отдельные участки, занимающие очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Каждый ген отвечает за передачу в организме человека данных о строении рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белка. Структуры, которые передают наследственную информацию, называют кодирующими последовательностями. В результате проекта «Геном» были получены данные, согласно которым геном человека оценивался в более чем 30 000 генов. В настоящее время, в связи с появлением новых результатов масс-спектрометрии, геном предположительно насчитывает около 19 000 генов .

Генетическая информация каждого человека содержится в ядре клетки и расположена в особых структурах, получивших название хромосомы. Каждая соматическая клетка содержит два полных набора (диплоидный) хромосом. В каждом единичном наборе (гаплоидном) присутствует 23 хромосомы — 22 обычные (аутосомы) и по одной половой хромосоме — Х или Y.

Молекулы ДНК, содержащиеся во всех хромосомах каждой клетки человека, представляют собой две полимерные цепи, закрученные в правильную двойную спираль.

Обе цепи удерживают друг друга четырьмя основаниями: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тиамин (Т). Причем основание А на одной цепочке может соединиться только с основанием Т на другой цепочке и аналогично основание Г может соединяться с основанием Ц. Это называется принципом спаривания оснований. При других вариантах спаривание нарушает всю целостность ДНК.

ДНК существует в виде тесного комплекса со специализированными белками, и вместе они составляют хроматин.

Гистоны — это нуклеопротеины, основная составляющая хроматина. Им свойственно образование новых веществ путем присоединения двух структурных элементов в комплекс (димер), что является особенностью для последующей эпигенетической модификации и регуляции.

ДНК, хранящая генетическую информацию, при каждом клеточном делении самовоспроизводится (удваивается), т. е. снимает с самой себя точные копии (репликация). Во время клеточного деления связи между двумя цепями двойной спирали ДНК разрушаются и нити спирали разделяются. Затем на каждой из них строится дочерняя цепь ДНК. В результате молекула ДНК удваивается, образуются дочерние клетки.

ДНК служит матрицей, на которой происходит синтез разных РНК (транскрипция). Этот процесс (репликация и транскрипция) осуществляется в ядрах клеток, а начинается он с области гена, называемой промотором, на котором связываются белковые комплексы, копирующие ДНК для формирования матричной РНК (мРНК).

В свою очередь последняя служит не только носителем ДНК-информации, но и переносчиком этой информации для синтеза белковых молекул на рибосомах (процесс трансляции).

В настоящее время известно, что зоны гена человека, кодирующие белки (экзоны), занимают лишь 1,5% генома . Большая часть генома не имеет отношения к генам и инертна в плане передачи информации. Выявленные зоны гена, не кодирующие белки, называются интронами.

Первая копия мРНК, полученная с ДНК, содержит в себе весь набор экзонов и интронов. После этого специализированные белковые комплексы удаляют все последовательности интронов и соединяют друг с другом экзоны. Этот процесс редактирования называется сплайсингом.

Эпигенетика объясняет один из механизмов, с помощью которого клетка способна контролировать синтез производимого ею белка, определяя в первую очередь, сколько копий мРНК можно получить с ДНК.

Итак, геном — это не застывшая часть ДНК, а динамическая структура, хранилище информации, которую нельзя свести к одним генам.

Развитие и функционирование отдельных клеток и организма в целом не запрограммированы автоматически в одном геноме, но зависят от множества различных внутренних и внешних факторов. По мере накопления знаний выясняется, что в самом геноме существуют множественные регуляторные элементы, которые контролируют работу генов. Сейчас это находит подтверждение во множестве экспериментальных исследований на животных .

При делении во время митоза дочерние клетки могут наследовать от родительских не только прямую генетическую информацию в виде новой копии всех генов, но и определенный уровень их активности. Такой тип наследования генетической информации получил название эпигенетического наследования.

Эпигенетические механизмы регуляции генов

Предметом эпигенетики является изучение наследования активности генов, не связанной с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК. Эпигенетические изменения направлены на адаптацию организма к изменяющимся условиям его существования.

Впервые термин «эпигенетика» предложил английский генетик Waddington в 1942 г. Разница между генетическими и эпигенетическими механизмами наследования заключается в стабильности и воспроизводимости эффектов .

Генетические признаки фиксируются неограниченное число, пока в гене не возникает мутация. Эпигенетические модификации обычно отображаются в клетках в пределах жизни одного поколения организма. Когда данные изменения передаются следующим поколениям, то они могут воспроизводиться в 3-4 генерациях, а затем, если стимулирующий фактор пропадает, эти преобразования исчезают.

Молекулярная основа эпигенетики характеризуется модификацией генетического аппарата, т. е. активации и репрессии генов, не затрагивающих первичную последовательность нуклеотидов ДНК.

Эпигенетическая регуляция генов осуществляется на уровне траскрипции (время и характер транскрипции гена), при отборе зрелых мРНК для транспорта их в цитоплазму, при селекции мРНК в цитоплазме для трансляции на рибосомах, дестабилизации определенных типов мРНК в цитоплазме, избирательной активации, инактивации молекул белков после их синтеза.

Совокупность эпигенетических маркеров представляет собой эпигеном. Эпигенетические преобразования могут влиять на фенотип.

Эпигенетика играет важную роль в функционировании здоровых клеток, обеспечивая активацию и репрессию генов, в контроле транспозонов, т. е. участков ДНК, способных перемещаться внутри генома, а также в обмене генетического материала в хромосомах .

Эпигенетические механизмы участвуют в геномном импритинге (отпечаток) — процессе, при котором экспрессия определенных генов осуществляется в зависимости от того, от какого родителя поступили аллели. Импритинг реализуется через процесс метилирования ДНК в промоторах, в результате чего транскрипция гена блокируется.

Эпигенетические механизмы обеспечивают запуск процессов в хроматине через модификации гистонов и метилирование ДНК. За последние два десятилетия существенно изменились представления о механизмах регуляции транскрипции эукариот. Классическая модель предполагала, что уровень экспрессии определяется транскрипционными факторами, связывающимися с регуляторными областями гена, которые инициируют синтез матричной РНК. Гистонам и негистоновым белкам отводилась роль пассивной упаковочной структуры для обеспечения компактной укладки ДНК в ядре.

В последующих исследованиях была показана роль гистонов в регуляции трансляции. Был обнаружен так называемый гистоновый код, т. е. модификация гистонов, неодинаковая в разных районах генома. Видоизмененные гистоновые коды могут приводить к активизации и репрессии генов .

Модификациям подвергаются различные части структуры генома. К концевым остаткам могут присоединяться метильные, ацетильные, фосфатные группы и более крупные белковые молекулы.

Все модификации являются обратимыми и для каждой существуют ферменты, которые ее устанавливают или удаляют.

Метилирование ДНК

У млекопитающих метилирование ДНК (эпигенетический механизм) было изучено раньше других. Показано, что он коррелирует с репрессией генов. Экспериментальные данные показывают, что метилирование ДНК является защитным механизмом, подавляющим значительную часть генома чужеродной природы (вирусы и др.).

Метилирование ДНК в клетке контролирует все генетические процессы: репликацию, репарацию, рекомбинацию, транскрипцию, инактивацию Х-хромосомы. Метильные группы нарушают ДНК-белковое взаимодействие, препятствуя связыванию транскрипционных факторов. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина, блокирует транскрипционные репрессоры .

Действительно, повышение уровня метилирования ДНК коррелирует с относительным увеличением содержания некодирующей и повторяющейся ДНК в геномах высших эукариот. Экспериментальные данные показывают, что это происходит потому, что метилирование ДНК служит главным образом как защитный механизм, чтобы подавлять значительную часть генома чужеродного происхождения (реплицированные перемещающиеся элементы, вирусные последовательности, другие повторяющиеся последовательности).

Профиль метилирования — активирование или угнетение — меняется в зависимости от средовых факторов. Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования здорового организма, чтобы подавлять значительную часть генома чужеродного происхождения, т. е. реплицированные перемещающиеся элементы, вирусные и другие повторяющиеся последовательности.

Метилирование ДНК происходит путем обратимой химической реакции азотистого основания — цитозина, в результате чего метильная группа СН3 присоединяется к углероду с образованием метилцитозина. Этот процесс катализируется ферментами ДНК-метилтрансферазами. Для метилирования цитозина необходим гуанин, в результате образуется два нуклеотида, разделенные фосфатом (СрG).

Скопление неактивных последовательностей СрG называется островками СрG. Последние представлены в геноме неравномерно . Большинство из них выявляются в промоторах генов. Метилирование ДНК происходит в промоторах генов, в транскрибируемых участках, а также в межгенных пространствах.

Гиперметилированные островки вызывают инактивацию гена, что нарушает взаимодействие регуляторных белков с промоторами.

Метилирование ДНК оказывает огромное влияние на экспрессию генов и, в конечном счете, на функцию клеток, тканей и организма в целом. Установлена прямая зависимость между высоким уровнем метилирования ДНК и количеством репрессированных генов.

Удаление метильных групп из ДНК в результате отсутствия метилазной активности (пассивное деметилирование) реализуется после репликации ДНК. При активном деметилировании участвует ферментативная система, превращающая 5-метилцитозин в цитозин независимо от репликации. Профиль метилирования меняется в зависимости от средовых факторов, в которых находится клетка.

Утрата способности поддерживать метилирование ДНК может приводить к иммунодефициту, злокачественным опухолям и другим заболеваниям .

Долгое время механизм и ферменты, вовлеченные в процесс активного деметилирования ДНК, оставались неизвестными.

Ацетилирование гистонов

Существует большое число посттрансляционных модификаций гистонов, которые формируют хроматин. В 1960-е годы Винсент Олфри идентифицировал ацетилирование и фосфорилирование гистонов из многих эукариот .

Ферменты ацетилирования и деацетилирования (ацетилтрансферазы) гистонов играют роль в ходе транскрипции. Эти ферменты катализируют ацетилирование локальных гистонов. Деацетилазы гистонов репрессируют транскрипцию.

Эффект ацетилирования это ослабление связи между ДНК и гистонами из-за изменения заряда, в результате чего хроматин становится доступным для факторов транскрипции.

Ацетилирование представляет собой присоединение химической ацетил-группы (аминокислоты лизин) на свободный участок гистона. Как и метилирование ДНК, ацетилирование лизина представляет собой эпигенетический механизм для изменения экспрессии генов, не влияющих на исходную последовательность генов. Шаблон, по которому происходят модификации ядерных белков, стали называть гистоновым кодом.

Гистоновые модификации принципиально отличаются от метилирования ДНК. Метилирование ДНК представляет собой очень стабильное эпигенетическое вмешательство, которое чаще закрепляется в большинстве случаев.

Подавляющее большинство гистоновых модификаций более вариативно. Они влияют на регуляцию экспрессии генов, поддержание структуры хроматина, дифференциацию клеток, канцерогенез, развитие генетических заболеваний, старение, репарацию ДНК, репликацию, трансляцию. Если гистоновые модификации идут на пользу клетки, то они могут продолжаться довольно долго .

Одним из механизмов взаимодействия между цитоплазмой и ядром является фосфорилирование и/или дефосфорилирование транскрипционных факторов. Гистоны были одними из первых белков, фосфорилирование которых было обнаружено. Это осуществляется с помощью протеинкиназ.

Под контролем фосфорилируемых транскрипционных факторов находятся гены, в том числе гены, регулирующие пролиферацию клеток. При подобных модификациях в молекулах хромосомных белков происходят структурные изменения, которые приводят к функциональным изменениям хроматина.

Помимо описанных выше посттрансляционных модификаций гистонов имеются более крупные белки, такие как убиквитин, SUMO и др., которые могут присоединяться с помощью ковалентной связи к боковым аминогруппам белка-мишени, оказывая воздействие на их активность.

Эпигенетические изменения могут передаваться по наследству (трансгенеративная эпигенетическая наследственность). Однако в отличие от генетической информации, эпигенетические изменения могут воспроизводиться в 3-4 поколениях, а при отсутствии фактора, стимулирующего эти изменения, исчезают. Передача эпигенетической информации происходит в процессе мейоза (деления ядра клетки с уменьшением числа хромосом вдвое) или митоза (деления клеток).

Модификации гистонов играют фундаментальную роль в нормальных процессах и при заболеваниях.

Регуляторные РНК

Молекулы РНК выполняют в клетке множество функций. Одной из них является регуляция экспрессии генов. За эту функцию отвечают регуляторные РНК, к которым относятся антисмысловые РНК (aRNA), микроРНК (miRNA) и малые интерферирующие РНК (siRNA)

Механизм действия разных регуляторных РНК схож и заключается в подавлении экспрессии генов, реализующейся путем комплементарного присоединения регуляторной РНК к мРНК, с образованием двухцепочечной молекулы (дцРНК). Само по себе образование дцРНК приводит к нарушению связывания мРНК с рибосомой или другими регуляторными факторами, подавляя трансляцию. Также после образования дуплекса возможно проявление феномена РНК-интерференции — фермент Dicer, обнаружив в клетке двухцепочечную РНК, «разрезает» ее на фрагменты. Одна из цепей такого фрагмента (siRNA) связывается комплексом белков RISC (RNA-induced silencing complex) .

В результате деятельности RISC одноцепочечный фрагмент РНК соединяется с комплементарной последовательностью молекулы мРНК и вызывает разрезание мРНК белком семейства Argonaute. Данные события приводят к подавлению экспрессии соответствующего гена.

Физиологические функции регуляторных РНК разно-образны — они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза, дополняют «классическую» схему регуляции генов.

Геномный импритинг

Человек обладает двумя копиями каждого гена, один из которых унаследован от матери, другой от отца. Обе копии каждого гена имеют возможность быть активной в любой клетке. Геномный импритинг это эпигенетически избирательная экспрессия только одного из аллельных генов, наследуемых от родителей. Геномный импритинг затрагивает и мужское и женское потомство. Так, импритингованный ген, активный на материнской хромосоме, будет активным на материнской хромосоме и «молчащим» на отцовской у всех детей мужского и женского пола. Гены, подверженные геномному импритингу, в основном кодируют факторы, регулирующие эмбриональный и неонатальный рост .

Импритинг представляет сложную систему, которая может ломаться. Импритинг наблюдается у многих больных с хромосомными делециями (утраты части хромосом). Известны заболевания, которые у человека возникают в связи с нарушением функционирования механизма импритинга.

Прионы

В последние десятилетие внимание привлечено к прионам, белкам, которые могут вызывать наследуемые фенотипические изменения, не изменяя нуклеотидной последовательности ДНК. У млекопитающих прионный белок расположен на поверхности клеток. При определенных условиях нормальная форма прионов может изменяться, что модулирует активность этого белка.

Викнер выразил уверенность в том, что этот класс белков является одним из многих, которые составляют новую группу эпигенетических механизмов, требующих дальнейшего изучения. Он может находиться в нормальном состоянии, а в измененном состоянии прионные белки могут распространяться, т. е. стать инфекционными .

Первоначально прионы были открыты как инфекционные агенты нового типа, но сейчас считают, что они представляют собой феномен общебиологический и являются носителями информации нового типа, хранимой в конформации белка. Феномен прионов лежит в основе эпигенетической наследственности и регуляции экспрессии генов на посттрансляционном уровне.

Эпигенетика в практической медицине

Эпигенетические модификации контролируют все стадии развития и функциональную активность клеток. Нарушение механизмов эпигенетической регуляции напрямую или косвенно связано с множеством заболеваний.

К заболеваниям с эпигенетической этиологией относят болезни импринтинга, которые в свою очередь делятся на генные и хромосомные, всего в настоящее время насчитывают 24 нозологии.

При болезнях генного импринтинга наблюдается моноаллельная экспрессия в локусах хромосом одного из родителей. Причиной являются точечные мутации в генах, дифференцированно экспрессирующихся в зависимости от материнского и отцовского происхождения и приводящих к специфическому метилированию цитозиновых оснований в молекуле ДНК. К ним относят: синдром Прадера-Вилли (делеция в отцовской хромосоме 15) — проявляется черепно-лицевым дисморфизмом, низким ростом, ожирением, мышечной гипотонией, гипогонадизмом, гипопигментацией и задержкой умственного развития; синдром Ангельмана (делеция критического района, находящегося в 15-й материнской хромосоме), основными признаками которого являются микробрахицефалия, увеличенная нижняя челюсть, выступающий язык, макростомия, редкие зубы, гипопигментация; синдром Беквитта-Видемана (нарушение метилирования в коротком плече 11-й хромосомы), проявляющийся классической триадой, включающей макросомию, омфалоцеле макроглоссию и др. .

К числу важнейших факторов, влияющих на эпигеном, относятся питание, физическая активность, токсины, вирусы, ионизирующая радиация и др. Особенно чувствительным периодом к изменению эпигенома является внутриутробный период (особенно охватывающий два месяца после зачатия) и первые три месяца после рождения. В период раннего эмбриогенеза геном удаляет большую часть эпигенетических модификаций, полученных от предыдущих поколений. Но процесс репрограммирования продолжается в течение всей жизни .

К заболеваниям, где нарушение генной регуляции является частью патогенеза, можно отнести некоторые виды опухолей, сахарный диабет, ожирение, бронхиальную астму, различные дегенеративные и другие болезни .

Эпигоном при раке характеризуется глобальными изменениями в метилировании ДНК, модификации гистонов, а также изменением профиля экспрессии хроматин-модифицирующих ферментов.

Опухолевые процессы характеризуются инактивацией посредством гиперметилирования ключевых генов-супрессоров и посредством гипометилирования активацией целого ряда онкогенов, факторов роста (IGF2, TGF) и мобильных повторяющихся элементов, расположенных в районах гетерохроматина .

Так, в 19% случаев гипернефроидные опухоли почки ДНК островков СрG была гиперметилированной, а при раке груди и немелкоклеточной карциноме легких выявлена взаимосвязь между уровнями гистонового ацетилирования и экспрессией супрессора новообразований — чем ниже уровни ацетилирования, тем слабее экспрессия гена.

В настоящее время уже разработаны и внедрены в практику противоопухолевые лекарственные препараты, основанные на подавлении активности ДНК-метилтрансфераз, что приводит к снижению метилирования ДНК, активации генов-супрессоров опухолевого роста и замедлению пролиферации опухолевых клеток. Так, для лечения миелодиспластического синдрома в комплексной терапии применяют препараты децитабин (Decitabine) и азацитидин (Azacitidine) . С 2015 г. для лечения множественной миеломы в сочетании с классической химиотерапией применяют панобиностат (Panibinostat), являющийся ингибитором гистоновой деацитилазы . Данные препараты по данным клинических исследований оказывают выраженный положительный эффект на уровень выживаемости и качество жизни пациентов.

Изменения экспрессии тех или иных генов могут происходить и в результате действия на клетку факторов внешней среды. В развитии сахарного диабета 2-го типа и ожирения играет роль так называемая «гипотеза экономного фенотипа», согласно которой недостаток питательных веществ в процессе эмбрионального развития приводит к развитию патологического фенотипа . На моделях животных был выявлен участок ДНК (локус Pdx1), в котором под влиянием недостаточности питания снижался уровень ацетилирования гистонов, при этом наблюдались замедление деления и нарушения дифференцировки B-клеток островков Лангерганса и развития состояния, схожего с сахарным диабетом 2-го типа .

Активно развиваются и диагностические возможности эпигенетики. Появляются новые технологии, способные анализировать эпигенетические изменения (уровень метилирования ДНК, экспрессию микроРНК, посттрансляционные модификации гистонов и др.), такие как иммунопреципитация хроматина (CHIP), проточная цитометрия и лазерное сканирование, что дает основания полагать, что в ближайшее время будут выявлены биомаркеры для изучения нейродегенеративных заболеваний, редких, многофакторных болезней и злокачественных новообразований и внедрены в качестве методов лабораторной диагностики .

Итак, в настоящее время эпигенетика бурно развивается. С ней связывают прогресс в биологии и медицине.

Литература

1. Ezkurdia I., Juan D., Rodriguez J. M. et al. Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes // Human Molecular Genetics. 2014, 23 (22): 5866-5878.
2. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. 2001, Feb. 409 (6822): 860-921.
3. Xuan D., Han Q., Tu Q. et al. Epigenetic Modulation in Periodontitis: Interaction of Adiponectin and JMJD3-IRF4 Axis in Macrophages // Journal of Cellular Physiology. 2016, May; 231 (5): 1090-1096.
4. Waddington C. H. The Epigenotpye // Endeavour. 1942; 18-20.
5. Бочков Н. П. Клиническая генетика. М.: Гэотар.Мед, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C. D. Translating the Histone Code // Science. 2001, Aug 10; 293 (5532): 1074-1080.
7. Коваленко Т. Ф. Метилирование генома млекопитающих // Молекулярная медицина. 2010. № 6. С. 21-29.
8. Элис Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д. Эпигенетика. М.: Техносфера, 2010.
9. Taylor P. D., Poston L. Development programming of obesity in mammals // Experemental Physiology. 2006. № 92. P. 287-298.
10. Льюин Б. Гены. М.: БИНОМ, 2012.
11. Plasschaert R. N., Bartolomei M. S. Genomic imprinting in development, growth, behavior and stem cells // Development. 2014, May; 141 (9): 1805-1813.
12. Wickner R. B., Edskes H. K., Ross E. D. et al. Prion genetics: new rules for a new kind of gene // Annu Rev Genet. 2004; 38: 681-707.
13. Мутовин Г. Р. Клиническая генетика. Геномика и протеомика наследственной патологии: учеб. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. 2010.
14. Романцова Т. И. Эпидемия ожирения: очевидные и вероятные причины // Ожирение и метаболизм. 2011, № 1, с. 1-15.
15. Bégin P., Nadeau K. C. Epigenetic regulation of asthma and allergic disease // Allergy Asthma Clin Immunol. 2014, May 28; 10 (1): 27.
16. Martínez J. A., Milagro F. I., Claycombe K. J., Schalinske K. L. Epigenetics in Adipose Tissue, Obesity, Weight Loss, and Diabetes // Advances in Nutrition. 2014, Jan 1; 5 (1): 71-81.
17. Dawson M. A., Kouzarides T. Cancer epigenetics: from mechanism to therapy // Cell. 2012, Jul 6; 150 (1): 12-27.
18. Kaminskas E., Farrell A., Abraham S., Baird A. Approval summary: azacitidine for treatment of myelodysplastic syndrome subtypes // Clin Cancer Res. 2005, May 15; 11 (10): 3604-3608.
19. Laubach J. P., Moreau P., San-Miguel J..F, Richardson P. G. Panobinostat for the Treatment of Multiple Myeloma // Clin Cancer Res. 2015, Nov 1; 21 (21): 4767-4773.
20. Bramswig N. C., Kaestner K. H. Epigenetics and diabetes treatment: an unrealized promise? // Trends Endocrinol Metab. 2012, Jun; 23 (6): 286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C. M., Ozanne S. E., Constância M. Developmental and environmental epigenetic programming of the endocrine pancreas: consequences for type 2 diabetes // Cell Mol Life Sci. 2013, May; 70 (9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X. et al. Flow cytometric and laser scanning microscopic approaches in epigenetics research // Methods Mol Biol. 2009; 567: 99-111.

В. В. Смирнов 1 , доктор медицинских наук, профессор
Г. Е. Леонов

ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н. И. Пирогова МЗ РФ, Москва

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Эпигенетика — это бурно развивающееся в последние годы направление современной науки. Наиболее очевидна роль эпигенетических механизмов в процессах развития, когда из клеток раннего зародыша, ДНК которых совершенно одинакова, возникает множество различающихся между собой специализированных клеток взрослого организма. Оказалось, однако, что эта роль не исчерпывается только развитием и может проявляться и после его завершения. Исследования последних лет показали, что здоровье человека может в значительной степени зависеть от того, в каких условиях происходило его раннее развитие. Выявлено также, что эпигенетические модификации могут передаваться и последующим поколениям, влияя на различные фенотипические проявления у детей и даже внуков.

Стремительное изучение эпигенетики приближает нас к пониманию самых фундаментальных принципов устройства и функционирования внутренних систем всех живых организмов.

Знаете ли вы, что наши клетки обладают памятью? Они помнят не только то, что вы обычно едите на завтрак, но и чем питались во время беременности ваши мама и бабушка. Клетки хорошо помнят, занимаетесь ли вы спортом и как часто употребляете алкоголь. Память клеток хранит в себе ваши встречи с вирусами* и то, насколько сильно вас любили в детстве. Клеточная память решает, будете ли вы склонны к ожирению и депрессиям. И во многом благодаря клеточной памяти мы отличаемся от шимпанзе, хотя имеем с ним примерно одинаковый состав генома. Эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика .

* — Наиболее виртуозно это делает иммунная система, сохраняя антитела к большинству вирусов, когда-либо вторгавшихся в организм. Именно индивидуальные профили этих антител теперь можно «читать» с помощью метода ВироСкан, причем зафиксировать всю историю иммунных баталий можно по одному микролитру крови: «Следствие ведет ВироСкан. Новый подход выявляет большинство вирусов, с которыми сталкивался человек»

Эпигенетические ландшафты

Эпигенетика — довольно молодое направление современной науки. И пока она не так широко известна, как ее «родная сестра» — генетика. В переводе с греческого приставка «эпи-» означает «над», «выше», «поверх». Если генетика изучает процессы, которые ведут к изменениям в наших генах, в ДНК, то эпигенетика исследует изменения активности генов, при которых первичная структура ДНК остается прежней. Эпигенетика похожа на «командира», который в ответ на внешние стимулы (такие, как питание, эмоциональные стрессы, физические нагрузки) отдает приказы нашим генам усилить или, наоборот, ослабить их активность.*

* — Подробно об эпигенетических процессах и связанных с ними явлениях рассказано в статьях: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» , «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» , «Обо всех РНК на свете, больших и малых» , «Шестое ДНК-основание: от открытия до признания» .

Пожалуй, самое ёмкое и в то же время точное определение принадлежит выдающемуся английскому биологу, нобелевскому лауреату Питеру Медавару : «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает».

Развитие эпигенетики как отдельного направления молекулярной биологии началось в сороковых годах прошлого столетия. Тогда английский генетик Конрад Уоддингтон сформулировал концепцию «эпигенетического ландшафта» (рис. 1), объясняющую процесс формирования организма . Прошло несколько десятилетий, прежде чем эпигенетику стали воспринимать серьезно, как новую научную дисциплину. Такое положение сохранялось долго потому, что эпигенетика своими выводами подрывала устоявшиеся в генетике догмы. Например, относительно наследования приобретенных признаков. Почти зеркально повторилась ситуация с открытием Б. Мак-Клинток мобильных элементов генома, в которые полвека мало кто хотел верить. Но после серии определяющих работ, проведенных в 70-х годах прошлого века Джоном Гёрдоном , Робином Холлидеем, Борисом Ванюшиным и другими, эпигенетику стали наконец воспринимать всерьез . И уже недавно, на рубеже тысячелетий, был проведен ряд блестящих экспериментов, после которых стало ясно, что эпигенетические механизмы влияния на геном не только играют важнейшую роль в работе систем организма, но и могут наследоваться несколькими поколениями. Сразу в нескольких лабораториях были получены свидетельства, заставившие генетиков сильно задуматься.

Рисунок 1. К.Х. Уоддингтон и его рисунок «эпигенетического ландшафта». Шарик вверху обозначает первоначальные неспециализированные клетки зародыша. Под воздействием генетических и эпигенетических сигналов клетке будет задана траектория онтогенеза (развития), и она станет специализированной — клеткой сердца, печени и т.д. Рисунок с сайтаwww.computerra.ru .

Так, в 1998 году Р. Паро и Д. Кавалли проводили опыты с трансгенными линиями дрозофил, подвергая их тепловому воздействию. После этого дрозофилы меняли цвет глаз, и этот эффект — уже без внешнего влияния — сохранялся у нескольких поколений (рис. 2). Как обнаружилось, хромосомный элемент Fab-7 передавал эпигенетическую наследственность в процессе как митоза, так и мейоза .

Рисунок 2. Глаза двух дрозофил.
Разная окраска глаз обусловлена
эпигенетическими изменениями.
Рисунок с сайтаwww.ethlife.ethz.ch .

В 2003 году американские ученые из Дюкского университета Р. Джиртл и Р. Уотерленд провели эксперимент с беременными трансгенными мышами агути (yellow agouti (Avy) mouse), которые имели желтую шерсть и предрасположенность к ожирению (рис. 3). Они добавляли в корм мышам фолиевую кислоту, витамин В12, холин и метионин. В результате этого появилось нормальное потомство без отклонений . Пищевые факторы, выступавшие донорами метильных групп, путем метилирования ДНК нейтрализовали ген агути, вызывавший отклонения: фенотип их Avy-потомства изменялся за счет метилирования CpG-динуклеотидов в локусе Avy. Причем воздействие диеты сохранялось и в нескольких последующих поколениях: детеныши мышей агути, родившиеся нормальными благодаря пищевым добавкам, и сами рожали нормальных мышей. Хотя питание у них было уже обычное, не обогащенное метильными группами.

Рисунок 3. Подопытные мыши из лаборатории Рэнди Джиртла.
Видно, как происходит изменение в окрасе шерсти детенышей в зависимости
от приема матерью доноров метильных групп — фолиевой кислоты,
витамина В 12 , холина и метионина.Рисунок из .

Вслед за этим, в 2005 году, журнал Science опубликовал работу Майкла Скиннера и его коллег из Вашингтонского университета. Они обнаружили, что, если в пищу беременным самкам крыс добавлять пестицид винклозолин, у их потомков мужского пола резко снижается количество и жизнеспособность сперматозоидов. И эти эффекты сохранялись на протяжении четырех поколений. Была четко установлена их связь с эпигеномом: ухудшение репродуктивной функции коррелировало с изменениями метилирования ДНК в зародышевой линии .

Ученые были вынуждены сделать сенсационный вывод: вызванные стрессом эпигенетические изменения, не затронувшие последовательность нуклеотидов ДНК, могут закрепляться и передаваться следующим поколениям!

Судьба записана не только в генах

Позже выяснилось, что и у людей влияние эпигенетических механизмов (рис. 4, 5) так же велико. Исследования, о которых дальше пойдет речь, приобрели широкую известность — они упоминаются почти в каждой научной работе по эпигенетике. Ученые из Голландии и США в конце 2000-х годов обследовали пожилых голландцев, родившихся сразу после Второй мировой войны. Период беременности их матерей совпал с очень тяжелым временем, когда в Голландии зимой 1944-1945 гг. был настоящий голод. Ученым удалось установить: сильный эмоциональный стресс и полуголодный рацион матерей самым негативным образом повлиял на здоровье будущих детей. Родившись с малым весом, они во взрослой жизни в несколько раз чаще были подвержены болезням сердца, ожирению и диабету, чем их соотечественники, родившиеся на год-два позже (или раньше) .

Анализ их генома показал отсутствие метилирования ДНК именно в тех участках, где оно обеспечивает сохранность хорошего здоровья. Так, у пожилых голландцев, чьи матери пережили голод, существенно снижалось метилирование гена инсулиноподобного фактора роста 2 (ИФР-2), из-за чего количество ИФР-2 в крови повышалось. А этот фактор, как известно, имеет обратную связь с продолжительностью жизни: чем выше в организме уровень ИФР, тем жизнь короче .

Рисунок 4. Структура хроматина и механизмы эпигенетических модификаций. Хроматин — комплекс белков и нуклеотидов, обеспечивающий надежное хранение и нормальную работу ДНК. В наших клетках упаковка ДНК похожа на склад бижутерии . Иначе никак невозможно уложить спираль ДНК длиной в два метра в одно маленькое клеточное ядро. Нить ДНК наматывается в полтора оборота на многочисленные «бусинки», которые называются нуклеосомами. Этинуклеосомы , в свою очередь, состоят из нескольких специальных белков,гистонов . Гистоны имеют «хвостики» — белковые наросты, которые могут удлиняться или укорачиваться особыми ферментами. Длина такого «хвоста» напрямую влияет на уровень активности генов, находящихся вблизи него.Рисунок из .

Новозеландским ученым П. Глюкману и М. Хансону удалось сформулировать логическое объяснение взаимосвязи количества пищи во время беременности матери со здоровьем ребенка. В 2004 году в журнале Science вышла их статья, в которой они сформулировали «гипотезу несоответствия» (mismatch hypothesis) . В соответствии с ней в развивающемся организме на эпигенетическом уровне может происходить прогностическая адаптация к условиям обитания, которые ожидаются после рождения. Если прогноз подтверждается — это увеличивает шансы организма на выживание в мире, где ему предстоит жить, если нет — адаптация становится дезадаптацией, то есть болезнью. Например, если во время внутриутробного развития плод получает недостаточное количество пищи, в нем происходят метаболические перестройки, направленные на запасание пищевых ресурсов впрок, «на черный день».

Если после рождения пищи действительно мало, это помогает организму выжить. Если же мир, в который попадает человек, оказывается более благополучным, чем прогнозировалось, такой «запасливый» характер метаболизма может привести к ожирению и диабету 2-го типа на поздних этапах жизни. Именно этот вариант мы сегодня чаще всего и наблюдаем.

Рисунок 5. Рентгеновская кристаллическая структура нуклеосомы. Гистоны показаны желтым, красным, синим и зеленым цветами. Рисунок из .

В целом, можно уверенно сказать, что период беременности и первых месяцев жизни является самым важным в жизни всех млекопитающих, в том числе и человека. Все имеющиеся сегодня данные говорят, что именно в этот период закладываются все основы не только физического, но и психического здоровья человека. И влияние этого начального периода жизни настолько велико, что не исчезает до самой глубокой старости, формируя — так или иначе — судьбу человека. Как метко выразился немецкий нейробиолог Петер Шпорк, «в преклонных годах на наше здоровье порой гораздо сильнее влияет рацион нашей матери в период беременности, чем пища в текущий момент жизни» . В это трудно поверить, но факты прямо говорят об этом.

Эпигенетика помогла сделать очень важный вывод: от того, что ела мама во время беременности, в каком психологическом состоянии она находилась и сколько времени уделяла малышу в первые годы после его рождения, будет зависеть буквально вся дальнейшая жизнь ребенка. В это время закладываются основы всего.

Метилирование ДНК

Рисунок 6. Метилирование цитозинового основания ДНК. Схема метилированного цитозина. Зеленым овалом со стрелкой показан главный фермент метилирования — ДНК-метилтрансфера́за (DNMT), красным кругом — метильная группа (—СН 3). Рисунок с сайта www.myshared.ru .

Наиболее изученным механизмом эпигенетической регуляции активности генов является процесс метилирования, который заключается в добавлении метильной группы (одного атома углерода и трех атомов водорода, —CH3) к цитозиновым основаниям ДНК, находящимся в составе CpG-динуклеотида (рис. 6). Уже известно, что метилирование ДНК у эукариот видоспецифично, и у беспозвоночных степень метилирования генома очень незначительна по сравнению с позвоночными и растениями. Основы понимания функций метилирования были заложены еще полвека назад профессором МГУ Б.Ф. Ванюшиным и его коллегами. Хотя обычно считается (и вполне правильно), что метилирование «выключает» ген, не давая возможности регуляторным белкам связаться с ДНК, было обнаружено и обратное явление. Иногда метилирование ДНК выступает обязательным условием взаимодействия с белками — были описаны специальные m5CрG-связывающие белки .

Метилирование ДНК имеет наибольшее прикладное значение из всех эпигенетических механизмов, так как оно напрямую связано с рационом, эмоциональным статусом, мозговой деятельностью и другими факторами. Так что об этом стоит рассказать поподробнее. И начнем мы с рациона.

Сегодня уже известно, что многие пищевые продукты содержат компоненты, которые определенным образом влияют на эпигенетические процессы. Почти все женщины знают, что во время беременности очень важно потреблять достаточно фолиевой кислоты. Эпигенетика помогает понять исключительную важность этой кислоты в рационе: ведь всё дело в том самом метилировании ДНК. Фолиевая кислота вместе с витамином В12 и аминокислотой метионином является донором («поставщиком») метильных групп, необходимых для нормального метилирования. Метилирование непосредственно участвует во многих процессах, связанных с развитием и формированием всех органов и систем ребенка: и в инактивации Х-хромосомы у эмбриона, и в геномном импринтинге, и в клеточной дифференцировке*. Соответственно, принимая фолиевую кислоту, будущая мама имеет неплохие шансы выносить здорового ребенка без отклонений.

* — Подробно об этом написано в статьях на «биомолекуле»: «Загадочное путешествие некодирующей РНК Xist по X-хромосоме» и «Истории из жизни Х-хромосомы круглого червя-гермафродита» .

Витамин В12 и метионин почти невозможно получить из вегетарианского рациона, так как они содержатся преимущественно в животных продуктах. И дефицит витамина В12 и метионина, вызванный разгрузочными диетами беременной женщины, может иметь для ребенка самые неприятные последствия. Не так давно было обнаружено, что недостаток в рационе этих двух веществ, а также фолиевой кислоты, может стать причиной нарушения расхождения хромосом у плода. А это сильно повышает риск рождения ребенка с синдромом Дауна, что обычно считается простой трагической случайностью . В свете этих фактов ответственность родителей сильно увеличивается, и списывать всё на несчастный случай теперь будет затруднительно.

Также известно, что недоедание и стресс в период беременности меняют в «худшую сторону» концентрацию целого ряда гормонов в организмах матери и плода: глюкокортикоидов, катехоламинов, инсулина, гомона роста и др. Из-за этого у зародыша происходят негативные эпигенетические изменения (ремоделирование хроматина) в клетках гипоталамуса и гипофиза . Чем это чревато? Тем, что малыш появится на свет с искаженной функцией гипоталамо-гипофизарной регуляторной системы. Из-за этого он будет хуже справляться со стрессом самой различной природы: с инфекциями, физическими и психическими нагрузками и т.д. Вполне очевидно, что, плохо питаясь и переживая во время вынашивания, мама делает из своего будущего ребенка уязвимого со всех сторон неудачника.

Пластичность эпигенома: опасности и возможности

Выяснилось, что так же, как стресс и недоедание, на здоровье плода могут влиять многочисленные вещества, искажающие нормальные процессы гормональной регуляции (рис. 7). Они получили название «эндокринные дизрапторы» (разрушители). Эти вещества, как правило, имеют искусственную природу: человечество получает их промышленным способом для своих нужд. Самым ярким и негативным примером, пожалуй, является бисфенол А, который уже много лет применяется в качестве отвердителя при изготовлении изделий из пластмасс. Он содержится во всей пластиковой таре, которая используется сегодня в пищевой промышленности: в пластиковых бутылках для воды и напитков, в пищевых контейнерах и многом другом. Бисфенол А присутствует в жестяных банках консервов и напитков (им выстилают внутренний слой банок), а также в стоматологических пломбах.

Рисунок 7. Молекулярные составляющие развития отклонений под воздействием «эндокринных разрушителей»:бисфенола А (А) и фталатов (В) . Рисунок из . Нажмите на рисунок, чтобы просмотреть его в полном размере.

Негативные воздействия даже небольших концентраций бисфенола А многочисленны и разнообразны, а распространение его таково, что сегодня почти невозможно найти человека без бисфенола А в организме. Его постоянно обнаруживают не только в крови, но и в грудном молоке и пуповинной крови беременных. Причем в амниотической жидкости (жидкости, окружающей эмбрион) концентрация бисфенола А в несколько раз превышает его содержание в сыворотке крови матери . В 2003-2004 гг. американскими исследователями из Центра по контролю и профилактике заболеваний были получены такие результаты распространенности бисфенола А: из 2517 обследованных человек у 92% в моче содержался бисфенол, и его концентрация была значительно выше в организмах детей и подростков, у которых еще плохо сформированы «очистные системы» организма .

Очевидно, что, так или иначе, в результате контактов пищи с пластиком какая-то часть бисфенола попадает в организм человека. Последствия такого «обогащения» находятся сегодня в стадии активного изучения. Но уже всплывают тревожные факты.

Так, биологи с медицинского факультета Гарварда — Кэтрин Раковски и ее коллеги — обнаружили способность бисфенола А тормозить созревание яйцеклетки и тем самым приводить к бесплодию. Бисфенол сильно увеличивал частоту хромосомных аномалий в яйцеклетках. Вывод ученых был однозначным: «Поскольку соприкосновение с этим веществом происходит повсеместно, медикам надо знать, что бисфенол А может вызывать значительные нарушения в репродуктивной системе» .

Их коллеги из Колумбийского университета в экспериментах с животными выявили еще один тревожный факт. Они обнаружили способность бисфенола А стирать различия между полами и стимулировать рождение потомства с гомосексуальными наклонностями. Под воздействием бисфенола нарушалось нормальное метилирование генов, кодирующих рецепторы к эстрогенам — женским половым гормонам. Из-за этого мыши-самцы рождались с «женским» характером — покладистыми и спокойными. Исчезала разница в поведении самцов и самок. Профессор Ф. Шемпейн и его коллеги вынуждены были сказать: «Мы показали, что воздействие малых доз бисфенола А вызывает неизгладимые эпигенетические нарушения в головном мозге, что, возможно, лежит в основе прочных воздействий бисфенола А на функции мозга и поведение — особенно в отношении межполовых различий» .

Другие проведенные исследования показывают, что бисфенол А обладает очень сильно выраженной эстрогенной активностью (не зря его называют «вездесущим ксеноэстрогеном») и способен изменять во время развития эмбриона профиль метилирования, а значит, и активность некоторых генов (например, Hoxa10) . Последствия этого для здоровья человека могут быть самыми неблагоприятными — во взрослом возрасте повышается риск развития некоторых болезней (ожирения, диабета, нарушений репродукции и др.) .

Но, к счастью, есть и противоположные примеры. Так, известно, что регулярное употребление зеленого чая может снижать риск онкозаболеваний, поскольку в нём содержится вещество эпигаллокатехин-3-галлат, которое может активизировать гены — супрессоры (подавители) опухолевого роста, деметилируя их ДНК. Очень популярным в последние годы модулятором эпигенетических процессов является генистеин, содержащийся в продуктах из сои. Многие исследователи напрямую связывают содержание сои в рационе жителей азиатских стран с их меньшей подверженностью некоторым возрастным болезням.

Характер — это судьба?

Эпигенетика также помогла понять, почему одни люди отличаются психологической устойчивостью и оптимизмом, а другие склонны к паническим настроениям и депрессии*. Как это заведено в научном мире, вначале были проведены эксперименты с животными. Эта серия работ приобрела широкую известность и название «licking and grooming» (вылизывание и уход). Канадские биологи из Университета Макгилла — Майкл Мини и его коллеги — начали изучать влияние материнской заботы у крыс в первые месяцы жизни потомства . Разделив крысят на две группы, они отнимали одну часть выводка у матерей сразу после рождения. Не получавшие материнской заботы в виде вылизывания, такие крысята все поголовно вырастали «неадекватными»: нервными, необщительными, агрессивными и трусливыми.

* — Дополнительно об этом — в статьях на «биомолекуле»: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» и «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших гена» .

Все детеныши в группе, получавшей материнскую заботу в полном объеме, развивались так, как это и положено крысам: энергичными, хорошо обучаемыми и социально активными. В чём же причина такого разительного отличия? Почему материнский уход оказал решающее влияние на развитие психических особенностей у потомства? Анализ ДНК помог ответить на эти вопросы.

Исследовав ДНК крыс, ученые выяснили, что у детенышей, которых не вылизывали матери, произошли негативные эпигенетические изменения в области мозга под названием гиппокамп. В гиппокампе оказалось уменьшено количество рецепторов к стрессовым гормонам. И именно из-за этого наблюдалась неадекватная реакция нервной системы на внешние раздражители: гипофиз подавал команду на избыточное производство стрессовых гормонов. Другими словами, те ситуации, которые переносились спокойно обычными крысами, у потомства, не получившего материнского ухода, вызывали неадекватно сильный стресс.

Как оказалось, всё вышеописанное абсолютно точно подходит и к человеческому развитию. Были проведены многочисленные исследования детей, которые в раннем детстве лишались родительской заботы или подвергались какому-либо насилию. Все эти дети без исключения вырастали потом с той или иной искаженной функцией нервной системы. И эти искажения были эпигенетически закреплены в клетках мозга. Всем таким детям была свойственна неадекватная реакция даже на слабые раздражители, которые нормально воспринимались благополучными детьми. Всё это формировало во взрослом возрасте склонность к алкоголизму, наркомании, суицидам и прочим неадекватным поступкам . Вот почему первые годы после рождения являются решающими в формировании социального поведения и закладывают все основы характера. От того, сколько времени родители уделяли своему малышу в этот период, будет зависеть всё его будущее: будет ли он психологически устойчивым, коммуникабельным и успешным или же склонным депрессиям и расстройствам.

Очевидно, что влияние эпигенома распространяется и на процессы, связанные со старением . С возрастом можно наблюдать общее понижение метилирования, в том числе загадочных участков генома, которые составляют почти половину всей последовательности ДНК, — мобильных генетических элементов (МГЭ). Они были открыты полвека назад нобелевским лауреатом Барбарой Мак-Клинток как последовательности, способные — в отличие от обычных генов — удивительным образом перемещаться по ДНК*. Излишне активизируясь с возрастом из-за деметилирования, МГЭ дестабилизируют геном, вызывая нежелательные хромосомные перестройки .

Также с возрастом становятся отчетливыми изменения в метилировании генов, связанных с возрастными заболеваниями: атеросклерозом, гипертонией, диабетом, болезнью Альцгеймера и др. . Кроме этого, была обнаружена прямая связь изменений эпигенома с продукцией активных форм кислорода, а также с функцией одного из белков, к которым приковано большое внимание геронтологов: белка p66Shc, названного академиком В.П. Скулачёвым «посредником запрограммированной гибели организма» . И потому знание эпигенетических основ возрастных изменений может принести нам существенную пользу в борьбе за продление жизни и здоровую старость.

Итоги и перспективы

Изучение эпигенетических механизмов помогло понять очень важную истину: человеческая судьба формируется большей частью не астрологическими прогнозами, а поведением самогό человека и его родителей. Эпигенетика совершенно ясно показывает, что очень многое в жизни зависит от нас, и в наших силах поменять жизнь к лучшему.

Эпигенетика также стирает границы между человеком и внешней средой. Очевидно, что никто не может чувствовать себя в безопасности, пока практикуется масштабное использование опасных химических веществ. Пестициды винклозолин и метоксихлор, применяющиеся в сельском хозяйстве и действующие как «эндокринные разрушители», ртуть из промышленных отходов и бисфенол А из разлагающегося пластика проникают в почву и в воду рек и морей. А потом вместе с продуктами и водой попадают в организм человека. И это — реальная угроза для человечества.

Но есть и хорошие новости. В отличие от относительно стабильной генетической информации, эпигенетические «метки» при определенных условиях могут быть обратимыми. И это позволяет разработать принципиально новые стратегии и методы борьбы с самыми распространенными болезнями: методы, нацеленные на устранение* тех эпигенетических модификаций, которые возникли у человека при воздействии неблагоприятных факторов. Не случайно нынешнее столетие некоторые ученые называют веком эпигенетики. При изучении истории развития естественных наук, биологии и генетики в частности, может сложиться впечатление, что все предыдущие годы были большим подготовительным этапом, накоплением сил перед открытиями действительно сверхважного значения. И, вероятно, мы сегодня стоим на пороге этих открытий.

* — Как это может реализовываться (и реализуется ужé), описано в статье «Пилюли для эпигенома»

Секвенирование ДНК генома человека и геномов многих модельных организмов вызвало в последние несколько лет значительное возбуждение в биомедицинском сообществе и среди обычной публики. Эти генетические "синьки", демонстрирующие общепринятые правила менделевской наследственности, оказываются теперь легко доступными для тщательного анализа, открывая дверь для более глубокого понимания биологии человека и его болезней. Эти знания порождают также новые надежды на новые лечебные стратегии. Тем не менее, многие фундаментальные вопросы остаются без ответа. Например, как осуществляется нормальное развитие, при том что каждая клетка обладает одной и той же генетической информацией и все же следует своим особым путем развития с высокой временной и пространственной точностью? Каким образом клетка решает, когда ей делиться и дифференцироваться, а когда сохранять неизменной клеточную идентичность, реагируя и проявляя себя согласно своей нормальной программе развития? Ошибки, случающиеся в вышеупомянутых процессах, могут вести к возникновению таких болезненных состояний, как рак. Закодированы ли эти ошибки в ошибочных "синьках", которые мы унаследовали от одного или обоих родителей, или же имеются какие-то другие слои регуляторной информации, которые не были правильно считаны и декодированы?

У человека генетическая информация (ДНК) организована в 23 пары хромосом, состоящих из примерно 25ООО генов. Эти хромосомы можно сравнить с библиотеками, содержащими разные наборы книг, которые в совокупности обеспечивают инструкции для развития целого человеческого организма. Нуклеотидная последовательность ДНК нашего генома состоит примерно из (3 х на 10 в степени 9) оснований, сокращенно обозначаемых в этой последовательности четырьмя буквами A, С, G и Т, которые образуют определенные слова (гены), предложения, главы и книги. Однако чем же диктуется, когда именно и в каком порядке эти разные книги нужно читать, остается далеко не ясным. Ответ на этот экстраординарный вызов заключается, вероятно, в том, чтобы выяснить, каким образом клеточные события скоординированы в процессе нормального и ненормального развития.

Если просуммировать все хромосомы, молекула ДНК у высших эукариот имеет длину около 2 метров и, следовательно, должна быть максимально сконденсирована - примерно в 10ООО раз, - чтобы поместиться в клеточном ядре - том компартменте клетки, в котором хранится наш генетический материал. Накручивание ДНК на "шпульки" из белков, так называемых гистоновых белков , обеспечивает элегантное решение этой проблемы упаковки и дает начало полимеру, в котором повторяются комплексы белок:ДНК и который известен как хроматин . Однако в процессе упаковки ДНК для лучшего соответствия ограниченному пространству задача усложняется - во многом так же, как при расстановке слишком большого числа книг на библиотечных полках: становится все труднее и труднее найти и прочесть книгу по выбору, и, таким образом, становится необходимой система индексирования.

Такое индексирование обеспечивается хроматином как платформой для организации генома. Хроматин не однороден по своей структуре; он выступает в различных формах упаковки - от фибриллы высококонденсированного хроматина (известного как гетерохроматин) до менее компактизированной формы, где гены обычно экспрессируются (известной как эухроматин). В основной полимер хроматина могут вводиться изменения путем включения необычных гистоновых белков (известных как варианты гистонов), измененных структур хроматина (известных как ремоделинг хроматина) и добавления химических "флажков", меток к самим гистоновым белкам (известного как ковалентные модификации). Более того, добавление метальной группы непосредственно к цитозиновому основанию (С) в матрице ДНК (известное как метилирование ДНК) может создавать сайты для присоединения белков, чтобы изменить состояние хроматина или повлиять на ковалентную модификацию резидентных гистонов.

Полученные в последнее время данные позволяют предполагать, что некодирующие РНК могут "направлять" переход специализированных участков генома в более компактные состояния хроматина. Таким образом, на хроматин следует смотреть как на динамический полимер, который может индексировать геном и усиливать сигналы, поступающие из внешней среды, определяя в конечном счете, какие гены должны экспрессироваться, а какие нет.

В совокупности эти регуляторные возможности наделяют хроматин неким организующим геномы началом, которое известно как "эпигенетика". В некоторых случаях паттерны эпигенетического индексирования оказываются наследующимися в ходе клеточных делений, обеспечивая тем самым клеточную "память", которая может расширять потенциал наследуемой информации, заключенный в генетическом (ДНК) коде. Таким образом, в узком смысле слова эпигенетику можно определять как изменения в транскрипции генов, обусловленные модуляциями хроматина, которые не являются результатом изменений в нуклеотидной последовательности ДНК.

В этом обзоре представлены основные концепции, связанные с хроматином и эпигенетикой, и обсуждения, каким образом эпигенетический контроль может дать нам ключ для решения некоторых давнишних тайн - таких как клеточная идентичность, опухолевый рост, пластичность стволовых клеток, регенерация и старение. По мере того, как читатели будут "продираться" через последующие главы, мы советуем им обратить внимание на широкий спектр экспериментальных моделей, которые, по- видимому, имеют эпигенетическую (неДНКовую) основу. Выраженное в механистических терминах понимание того, как функционирует эпигенетика, будет, вероятно, иметь важные и далеко идущие последствия для биологии и болезней человека в эту "постгеномную" эру.

Генетика предполагает, а эпигенетика располагает.

Генетика предполагает, а эпигенетика располагает. Почему беременным женщинам надо принимать фолиевую кислоту?

Меня всегда поражал один интересный факт - отчего некоторые люди, так рьяно старающиеся вести здоровый образ жизни, не курить, спать положенное число часов каждый день, употреблять в пищу самые свежие и натуральные продукты, одним словом, делать всё то, о чем так любят назидательно рассказывать врачи и диетологи, порой живут гораздо меньше, чем заядлые курильщики или предпочитающие не сильно ограничивать себя в еде лежебоки? Может быть, врачи просто сгущают краски?

Что происходит?

Всё дело в том, клетки нашего организма обладают памятью, и это уже вполне доказанный факт.

Наши клетки содержат в своих ядрах одинаковый набор генов - участков ДНК, которые несут информацию о молекуле белка или РНК, определяющих путь развития организма в целом. Несмотря на то, что молекула ДНК - это самая длинная молекула в человеческом организме, в которой заключена полная генетическая информация об индивидууме, не все участки ДНК работают одинаково эффективно. В каждой конкретной клетке могут работать разные участки макромолекулы, а большая часть генов человека и вовсе неактивна. На долю генов ДНК, кодирующих белок, у человека приходится менее 2 % генома, а ведь именно они считаются носителями всех генетических признаков. Те гены, которые несут основную информацию об устройстве клетки, как раз активны на протяжении всего времени жизни клетки, но ряд других генов «работает» непостоянно, и их работа зависит от множества факторов и параметров, в том числе и внешних.

Существует достаточно большое количество наследственных заболеваний, среди которых особо выделяются генные болезни - так называемые моногенные заболевания, которые возникают при повреждениях ДНК на уровне гена - это многочисленные болезни обмена углеводов, липидов, стероидов, пуринов и пиримидинов, билирубина, металлов, соединительной ткани и так далее. Известно, что часто наследуется именно предрасположенность к тому или иному заболеванию, поэтому человек может быть лишь носителем мутаций в структурных генах и не страдать от генетического заболевания.

Памятник около Института цитологии и генетики СО РАН, Академгородок, Новосибирск

В организме человека существуют особые механизмы контроля экспрессии генов и клеточной дифференцировки, не затрагивающие саму структуру ДНК. «Регулировщики» могут находиться в геноме или представлять собой особые системы в клетках и осуществлять контроль над работой генов в зависимости от внешних и внутренних сигналов различной природы. Подобные процессы - дело рук эпигенетики, которая накладывает свой отпечаток даже на сверхблагополучную генетику, и последняя может в итоге не реализоваться. Другими словами, эпигенетика дает объяснение тому, как факторы окружающего мира могут повлиять на генотип, «активируя» или «дезактивируя» разные гены. Нобелевский лауреат по биологии и медицине Питер Медавар, ёмкое выражение которого вынесено в заголовок статьи, очень точно сформулировал важность влияния эпигенетики на конечный результат.

Что это такое и с чем её едят?

Эпигенетика - наука совсем молодая: её существование не насчитывает и ста лет, что, впрочем, вовсе не мешает ей находиться в статусе одной из самых перспективных дисциплин последнего десятилетия. Направление это настолько популярное, что заметки об эпигенетических исследованиях достаточно часто появляются в последнее время как в серьезных научных журналах, так и в ежемесячниках для широкого круга читателей.

Сам термин появился в 1942 году, и его придумал один из известнейших биологов Туманного Альбиона - Конрад Уоддингтон. А известен этот человек прежде всего тем, что именно он заложил основы междисциплинарного направления, названного в 1993 году термином «системная биология» и сплавляющего воедино собственно биологию и теорию сложных систем.

Конрад Хэл Уоддингтон (1905-1975)

В книге немецкого нейробиолога Петера Шпорка «Читая между строк ДНК» объясняется происхождение этого термина следующим образом - Уоддингтон предложил такое название, которое было чем-то средним между непосредственно термином «генетика» и пришедшим к нам ещё из трудов Аристотеля «эпигенезом» - так когда-то было названо учение о последовательном эмбриональном развитии организма, в ходе которого происходят образования новых органов. С переводе с греческого «epi » означает «на, над, сверху», эпитенетика - это как будто что-то «над» генетикой.
Вначале к эпигенетике относились очень пренебрежительно, что было, конечно же, следствием неясных представлений о том, как различные эпигенетические сигналы могут реализовываться в организме и к каким последствиям могут приводить. На момент выхода работ Конрада Уоддингтона в научном мире витали разрозненные догадки, а сам костяк теории ещё не был построен.
Вскоре стало понятно, что один из эпигенетических сигналов в клетке - это метилирование ДНК , то есть добавление метильной группы (-CH3 ) к цитозиновому основанию в матрице ДНК. Оказалось, что такая модификация ДНК приводит к снижению активности генов, поскольку этот процесс способен влиять на уровень транскрипции. Именно с этого момента эпигенетика прошла реинкарнацию и наконец превратилась в полноценную ветвь науки.
В 1980-е годы была опубликована работа, в которой показывалось, что метилирование ДНК коррелирует с репрессией - «замалчиванием» - генов. Это явление можно наблюдать у всех эукариот, кроме дрожжей. Нашими соотечественниками в дальнейшем были открыты тканевая и возрастная специфичность метилирования ДНК у эукариотических организмов, а также было показано, что ферментативная модификация генома может регулировать экспрессию генов и клеточную дифференцировку. Чуть позднее было доказано, что метилирование ДНК можно контролировать гормонально.
Профессор Моше Зиф (из Университета Макгилла, Канада) даёт такое образное сравнение: «Давайте представим гены в ДНК, как предложения, составленные из букв-нуклеотидов, полученных от родителей. Тогда метилирование - это как расстановка знаков препинания, которая может влиять на смысл фраз, акценты фраз, разбивку на параграфы. В итоге весь этот «текст» может по-разному читаться в разных органах -сердце, мозге и так далее. И, как мы знаем теперь, расстановка таких «знаков препинания» зависит и от тех сигналов, которые мы получаем извне. По всей видимости, этот механизм помогает гибче адаптироваться к изменчивым обстоятельствам внешнего мира».
Помимо метилирования ДНК, существует ещё целый ряд эпигенетических сигналов разнообразной природы - деметилирование ДНК, гистоновый код (модификация гистонов - ацетилирование ,метилирование , фосфорилирование и прочие), позиционирование элементов хроматина , транскрипционная и трансляционная репрессия генов малыми РНК . Интересно, что некоторые из этих процессов связаны с друг другом и даже взаимозависимы - это помогает надёжно осуществлять эпигенетический контроль за избирательным функционированием генов.

Попробуем разобраться в основах

По Уоддингтону, эпигенетика - «ветвь биологии, изучающая причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип». Согласно современным представлениям, фенотип многоклеточных - это результат взаимодействия огромного количества продуктов генов в онтогенезе. Таким образом, генотип развивающегося организма на самом деле представляет собой эпигенотип. Работа эпигенотипа достаточно жёстко скоординирована и задаёт определённое направление в развитии. Однако, помимо этого направления, которое в итоге приводит к реализации основной для популяции линии фенотипа (фенотип нормы), существуют «тропинки» - субтраектории, благодаря которым реализуются устойчивые, но отличные от нормы состояния фенотипа. Так реализуется поливариантность онтогенеза.
Интересно задуматься о том, что все клетки развивающейся особи вначале тотипотентны - это значит, что они обладают одинаковой потенцией к развитию и способны дать начало любому типу клеток организма. С течением времени происходит дифференцировка, в ходе которой клетки приобретают разные свойства и функции, становясь нейронами, эритроцитами, миоцитами и так далее. Расхождение свойств происходит за счет экспрессии различных паттернов генов: на определенных этапах развития клетка получает специальные сигналы, например, гормональной природы, которые реализуют тот или иной эпигенетический «маршрут», что и приводит к клеточной дифференцировке.
Конрад Уоддингтон ввел удачную метафору - «эпигенетический ландшафт», благодаря которой становится понятен механизм влияния природно-средовых факторов на развитие молодого организма эукариот. Процесс онтогенеза - это поле возможностей, представляющее собой ряд эпигенетических траекторий, по которым проложена дорога в развитии особи от зиготы до взрослого состояния. Каждая «равнина» этого ландшафта существует не просто так - она ведёт к формированию ткани или органа, а иногда и целой системы или части организма. Траектории, получающие преимущество, в работах Уоддингтон называны креодами, а холмы и хребты, разделяющие траектории, репеллерами - «отталкивателями». В сороковых годах прошлого века ученые не имели представлений о физической модели генома, поэтому предположения Уоддингтона были настоящей революцией.

Эпигенетический ландшафт по Уоддингтону

Развивающийся организм - это шар, который может катиться, следуя различным «вариациям» своего развития. Ландшафт накладывает некоторые ограничения на траекторию движения шара по мере того, как он спускается с возвышенности. Фактор из внешней среды может повлиять на изменение курса шара, тем самым спровоцировав попадание шара в более глубокую впадину, из которой не так легко выбраться.
Промежутки между эпигенетическими впадинами - это критические точки для молодого организма, в которых процесс развития приобретает чёткие формы в том числе и в зависимости от факторов среды. Переходы между соединяющимися впадинами указывают на процесс развития между основными изменениями, а склоны впадин характеризуют скорость этого процесса: пологие впадины - знак относительно устойчивых состояний, в то время как крутые склоны - сигнал быстрых изменений. При этом в местах переходов внешние факторы вызывают более серьёзные последствия, в то время как в других областях ландшафта их влияние может быть незначительным. Красота идеи эпигенетического ландшафта заключается ещё и в том, что она хорошо иллюстрирует один из принципов развития: к одинаковому результату можно прийти совершенно разными путями.

Критические точки эпигенетического ландшафта, аналогия с шаром: 2 возможных траектории

После того, как эпигенетическая траектория выстроена, клетки уже не могут свободно отойти от своего пути развития - так из зиготы, одной-единственной «стартовой» клетки, образуется эукариотический организм, обладающий набором клеток, совершенно разных по виду и функциям. Таким образом, эпигенетическое наследование - это наследование паттерна экспрессии генов.

Иллюстрация к теории эпигенетического ландшафт. Варианты развития событий

Кроме описания морфогенеза конкретной особи, вполне можно говорить об эпигенетическом ландшафте популяции, то есть о предсказуемости реализующегося фенотипа для той или иной популяции, в том числе и относительной частоты возможных вариативных признаков.

Фолиевая кислота и неслучайные случайности

Один из первых наглядных экспериментов, показывающих, что эпигенетика действительно «располагает», был проведён профессором Рэнди Джиртлом и постдоком Робертом Уотерлендом из университета Дьюка, США. Они внедрили обычным лабораторным мышами ген окраски агути. Агути или, как их ещё называют, «южноамериканские золотистые зайцы» - род млекопитающих отряда грызунов, внешне похожих на морских свинок. Эти грызуны обладают золотистой шерстью, иногда даже с оранжевым оттенком. Интегрированный в геном мышей «чужой» ген привёл к тому, что лабораторные мыши поменяли окраску - их шерсть стала жёлтой. Однако ген агути принёс мышам некоторые неприятности: после его внедрения животные приобрели лишний вес, а также предрасположенность к диабету и онкологическим заболеваниям. Такие мыши приносили нездоровое потомство, с теми же предрасположенностями. Мышата были золотистого цвета.

Симпатичный агути (Dasyprocta aguti)

Однако экспериментаторам всё же удалось «выключить» нехороший ген, не прибегая к изменению нуклеотидов ДНК. Беременных самок трансгенных мышей посадили на специальную диету, обогащённую фолиевой кислотой - источником метильных групп. В результате рождённые мышата были уже не золотистого, а естественного окраса.

Почему «сработала» фолиевая кислота? Чем больше метильных групп поступало из пищи в развивающийся зародыш, тем больше возможностей было у ферментов, катализирующих присоединение метильной группы к эмбриональной ДНК, что дезактивировало возможное действие гена. Профессор Джиртл так прокомментировал свой эксперимент и его результаты: «Эпигенетика доказывает, что мы ответственны за целостность нашего генома. Раньше мы думали, что только гены предопределяют, кто мы. Сегодня мы точно знаем: всё, что мы делаем, всё, что мы едим, пьем или курим, оказывает воздействие на экспрессию наших генов и генов будущих генераций. Эпигенетика предлагает нам новую концепцию свободного выбора».

Профессор Рэнди Джиртл и его трансгенные мыши

Не менее интересных результатов добился Майкл Мини из Университета Макгилла в канадском Монреале, наблюдая за крысами, воспитывающими своё потомство. Если крысята с рождения постоянно получали внимание и заботу матери, то они росли спокойными по характеру и достаточно смышлёными. Напротив, крысята, матери которых с самого начала игнорировали своё потомство и мало его опекали, вырастали боязливыми и нервными. Как оказалось, причина крылась в эпигенетических факторах: забота крыс-мам о детях контролировала метилирование генов, которые отвечают за реакцию на стресс-рецепторы кортизола, экспрессируемых в гиппокампе. Ещё в одном эксперименте, проведённом чуть позже, те же факторы рассматривались применительно к человеку. Эксперимент проводился с использованием магнитно-резонансной томографии и имел целью установить какую-либо зависимость между оказываемой родителями заботой во время детского возраста и организацией мозга в целом. Оказалось, что забота матери играет ключевую роль в этом процессе. Взрослый человек, страдавший в детстве от дефицита любви и внимания матери, имел меньший размер гиппокампа, чем человек, детские годы которого были благополучны. Гиппокамп, как орган лимбической системы мозга, крайне многофункционален и похож на ОЗУ компьютера: принимает участие в формировании эмоций, определяет силу памяти, участвуя в процессе перевода кратковременной памяти в долговременную, связан с удержанием внимания, отвечает за скорость мышления, а также, помимо много другого, определяет предрасположенность человека к ряду психических заболеваний, в том числе к посттравматическому стрессовому расстройству.

Эрик Нестлер, профессор нейробиологии Фридмановского института мозга при Медицинском центре Маунт-Синай, Нью-Йорк, США, изучал механизмы возникновения депрессии на опытах всё с теми же мышами. Спокойных и дружелюбных мышей помещали в клетки с агрессивными особями. Спустя десять дней некогда счастливые и мирные мыши проявляли признаки депрессии: теряли интерес к вкусной еде, общению с противоположным полом, становились беспокойными, а некоторые из них и вовсе постоянно ели, набирая вес. Иногда оказывалось, что состояние депрессии было стабильным и полный выход представлялся возможным лишь в случае лечения антидепрессантами. Исследование ДНК-клеток «системы вознаграждения » мозга мышей из эксперимента показало, что примерно у 2000 генов изменилась картина эпигенетической модификации, а у 1200 из них увеличилась степень метилирования гистонов, при котором подавляется активность генов. Как оказалось, аналогичные эпигенетические изменения были обнаружены в ДНК головного мозга людей, которые умерли, находясь в депрессивном состоянии. Разумеется, депрессия сама по себе сложный многопараметрический процесс, но, видимо, он умеет «выключать» гены той области мозга, которая связана с получением удовольствия от жизни.

Но ведь депрессии подвержены не все люди… То же самое происходило и с мышами - около трети грызунов избежали негативного состояния, находясь в стрессовой ситуации, при том, что устойчивость присутствовала на уровне генов. Иными словами, у таких мышей отсутствовали характерные эпигенетические изменения. Однако, у «стойких» мышей произошли эпигенетические изменения в других генах клеток центра «системы вознаграждения » мозга. Таким образом, возможна альтернативная эпигенетическая модификация, которая выполняет защитную функцию, а устойчивость к стрессу - это не результат отсутствия генетически обусловленной склонности, а влияние эпигенетической программы, которая включается для защиты и противостояния травмирующему воздействию на психику.

Нестлер в своём отчете сообщил также следующее: «Мы обнаружили, что среди «защитных» генов, эпигенетически модифицированных у стойких к стрессу мышей, много таких, чья активность восстанавливается до нормы у депрессивных грызунов, которые были пролечены антидепрессантами. Это означает, что у людей, склонных к депрессии, антидепрессанты оказывают свое действие, помимо всего прочего, запуская защитные эпигенетические программы, которые естественным образом работают у более стойких индивидов. В таком случае следует искать не только новые, более мощные антидепрессанты, но и вещества, мобилизующие защитные системы организма».

Если есть в кармане пачка сигарет….

Ни для кого не секрет, что в обществе периодически вспыхивают серьезные споры, связанные с вопросом курения. Приверженцы пачки сигарет в кармане любят повторять о недоказанности вреда этой привычки, однако эпигенетика и здесь внезапно выходит из-за кулис. Всё дело в том, что у человека есть важный ген р16, способный тормозить развитие онкологических опухолей. Исследования, проведённые в последнее десятилетие, показывают, что некоторые вещества, содержащиеся в табачном дыме, заставляют выключаться р16, что, естественно, ни к чему хорошему не приводит. Но - вот что интересно! - недостаток белка, за производство которого отвечает р16, - стоп-кран для процессов старения. Учёные из Китая утверждают, что при правильном и безопасном для организма выключении гена возможно задержать процессы утраты мышечной массы и помутнения хрусталика.

В нормально функционирующей, здоровой и полноценной клетке гены, запускающие процесс образования онкологической опухоли, неактивны. Это происходит благодаря метилированию промоторов (стартовых «площадок» специфической транскрипции) этих онкогенов, называемых островками CpG. В ДНК азотистые основания цитозин (С) и гуанин (G) соединены фосфором, при этом на одном островке может находится до нескольких тысяч оснований, и около 70 % промоторов всех генов имеют эти островки.

Thymine(красный) , Adenine(зеленый) , Cytosine(синий) , Guanine(черный) - мягкие игрушки

Ацетальдегид алкоголя, побочный продуктпереработки этанола в организме человека, как и некоторые вещества, содержащиеся в табаке, ингибируют образование метильных групп на ДНК, что включает «спящие» онкогены. Известно что до 60 % всех мутаций в половых клетках приходится именно на островки CpG, что нарушает правильную эпигенетическую регуляцию генома. Метильные группы попадают в наш организм с пищей, поскольку мы не вырабатываем ни фолиевой, ни метиониновой аминокислот - богатых источников СН3 -групп. Если наш рацион не содержит этих аминокислот, то нарушение процессов метилирования ДНК неизбежно.

Разработки и планы на будущее

За последние годы эпигенетика успела существенно прорасти в технологии. В одном из обзоров Массачуссетского технологического института (США) эпигенетика названа среди десяти важнейших технологий, которые в ближайшее время могут изменить мир и оказать наибольшее влияние на человечество.
Моше Зиф так прокомментировал сложившуюся ситуацию: «В противоположность генетическим мутациям, эпигенетические изменения потенциально обратимы. Мутировавший ген скорее всего никогда не сможет вернуться в нормальное состояние. Единственное решение в данной ситуации - вырезать или дезактивировать этот ген во всех клетках, которые его несут. Гены же с нарушенным паттерном метилирования, с измененным эпигеномом могут быть возвращены к норме, и довольно просто. Уже существуют эпигенетические лекарства, например 5-азацитидин (коммерческое название - видаза), представляющий собой неметилированный аналог цитидина, нуклеозида ДНК и РНК, который, встраиваясь в ДНК, снижает ее уровень метилирования. Это лекарство используется сейчас против миелодиспластического синдрома, известного также, как прелейкемия».

Немецкая компания Epigenomics уже выпустила серию скрининг-тестов, позволяющих диагностировать онкологическое заболевание на разных стадиях его развития по эпигенетическим изменениям в организме, основанных на ДНК-метилировании. Компания продолжает свои исследования в направлении создания тестов на предмет предрасположенности к разным видам онкологии, стремясь «сделать тестирование на ДНК-метилирование в качестве обычной практики в клинической лаборатории». В том же направлении ведут работу и другие компании: Roshe Pharmaceuticals, MethylGene, NimbleGen, Sigma-Aldrich, Epigentek. В 2003 году был запущен проект Human Epigenome Project, в рамках работы над которым учёные смогли расшифровать вариабельные локусы метилирования ДНК на трех хромосомах человека: 6, 20 и 22.

Эпигенетические механизмы, участвующие в регуляции экспрессии генов

На сегодняшний день уже стало понятно, что изучение механизмов «включения-выключения» генов даёт медицине куда больше возможностей для развития, чем генная терапия. Планируется, что в будущем эпигенетика сможет рассказать нам о причинах и процессах развития некоторых заболеваний с «генетическим уклоном» - например, болезни Альцгеймера, Крона, диабета, поможет изучить механизмы, приводящие к образованию онкологических опухолей, развитию психических расстройств и так далее.

19 февраля 2015 года в журнале Nature увидела свет статья «Cell-of-origin chromatin organization shapes the mutational landscape of cancer». Группой учёных было обнаружено, что паттерн мутаций в раковой клетке соотносится со структурой хроматина. Что это означает? Очень многое. Часто онкологи развивают методы лечения конкретных видов опухолей, но плохо идентифицируют границы частных случаев. Если каждому виду онкологической опухоли поставить в соответствие изменённую структуру хроматина, то станет понятно, что та или иная опухоль развилась из конкретного типа клеток, а это полностью революционизирует лечение рака. Так называемые эпигеномные карты помогут с определением причин развития онкологии: опухолевые клетки «живут» с мутациями, распространёнными по всей ДНК клетки.

Исследуя болезнь Альцгеймера, учёные достаточно давно обнаружили некоторые «генетические вариации», связанные с заболеванием. Они были слабо изучены вследствие того, что содержались в части генома, не кодирующей белки. Биолог Манолис Келлис из Массачусетского технологического института, изучая эпигеномные карты головного мозга человека и мыши, пришёл к выводу, что эти «вариации» некоторым образом связаны с иммунной системой. «В общем-то это то, о чем многие в научной среде интуитивно догадывались, - говорит Келлис, - но на самом деле никто не показал этого на должном уровне». Исследования продолжаются.

Несмотря на превеликое множество работ, посвященных эпигенетике, в ней ещё более чем достаточно и чёрных дыр, и белых пятен. Международная организация под названием The International Human Epigenome Consortium ( http://ihec-epigenomes.org/) ставит своей целью предоставление свободного доступа к эпигенетическим материалам человека для развития фундаментальных и прикладных исследований в областях, связанных с эпигенетикой. В планах - отображение более 1000 типов клеток, исследование изменений эпигенома выбранных для испытания людей на протяжении нескольких лет с параллельным изучением влияния внешних факторов. «Эта работа будет занимать нас, по крайней мере, в ближайшие десятилетия. Геном не только трудно читать, сам процесс занимает много времени», - утверждает Манолис Келлис.

Кроме того, на данный момент ведутся серьезные разработки в области альтернативных и эффективных методов лечения психических расстройств. Уже показано, что некоторые лекарственные вещества, защищающие ацетильные группы гистонов, инактивируя ферменты-отщепители ацетильных групп, оказывают сильный антидепрессивный эффект. Фермент гистон-дезацетилаза, катализирующий отщепление, можно найти в клетках разных областей головного мозга, во многих тканях и органах, поэтому-то лекарство из-за неизбирательной активности и оказывает побочное действие. Исследователи изучают возможности создания таких веществ, которые подавляли бы активность только гистон-дезацетилазы в головном мозге, отвечающих за психическое состояние человека («центре вознаграждения»). Но никто не мешает попытаться идентифицировать другие белки, участвующие в эпигенетической модификации хроматина клеток головного мозга, или выявить гены, эпигенетически модифицирующиеся при депрессии (например, связанные с синтезом рецепторов специфических нейромедиаторов или сигнальных белков, которые участвуют в активации нейронов). Такие исследования позволят запустить поиск или синтез лекарств, которые смогут инактивировать эти конкретные гены или их продукты.

И напоследок

«Так всё-таки, как жить сейчас? Вести здоровый образ жизни? Срочно записываться в спортзал и пересматривать свой рацион питания?» - с нетерпением спросите вы. Питер Шпорк в своей книге «Читая между строк ДНК» отвечает на него с долей юмора. Он говорит о том, что резко и навсегда вычёркивать из своей жизни вечера на диване и вредную еду всё-таки не стоит, ведь такая встряска скорее всего приведёт к стрессам, которые также могут отразиться на эпигенетике. Главное, чтобы «вредности» не стали образом жизни или укоренившейся привычкой. Эпигенетика, как маячок в бурном море жизни, показывает нам, что наш организм проходит порой через критические периоды развития, когда эпигены чувствительны к раздражителям из внешней среды. Именно поэтому женщине, ждущей ребёнка, обязательно надо регулярно принимать фолиевую кислоту и оберегать себя от стрессов и негативных ситуаций.

A. and others. Cell-of-origin chromatin organization shapes the mutational landscape of cancer. Nature 518, pp 360-364, 19 February 2015. http:// biochemies. com

4612 0

В последние годы медицинская наука все чаще переключает свое внимание с изучения генетического кода на таинственные механизмы, при помощи которых ДНК реализовывает свой потенциал: упаковывается и взаимодействует с протеинами наших клеток.

Так называемые эпигенетические факторы наследуемы, обратимы и играют колоссальную роль в сохранении здоровья целых поколений.

Эпигенетические изменения в клетке могут запускать рак, неврологические и психические заболевания, аутоиммунные нарушения – неудивительно, что эпигенетика приковывает внимание врачей и исследователей из разных областей.

Недостаточно, чтобы в ваших генах была закодирована правильная последовательность нуклеотидов. Экспрессия каждого гена – это невероятно сложный процесс, который требует идеальной координации действий сразу нескольких молекул-участников.

Эпигенетика создает для медицины и науки дополнительные проблемы, в которых мы только начинаем разбираться.

Каждая клеточка нашего тела (за немногими исключениями) содержит одну и ту же ДНК, подаренную родителями. Тем не менее, не все части ДНК могут одновременно быть активными. В клетках печени работают одни гены, в клетках кожи другие, в нервных клетках третьи – именно поэтому наши клетки разительно отличаются друг от друга и имеют собственную специализацию.

Эпигенетические механизмы гарантируют, что в клетке определенного типа будет работать код, присущий только этому типу.

На протяжении человеческой жизни те или иные гены могут «спать» или внезапно активироваться. На эти малопонятные изменения влияют миллиарды жизненных событий – переезд в новую местность, развод с женой, посещение спортзала, похмелье или испорченный бутерброд. Практически все события в жизни, большие и маленькие, способны отразиться на активности тех или иных генов внутри нас.

Определение эпигенетики

На протяжении многих лет слова «эпигенезис» и «эпигенетика» использовалось в самых разных областях биологии, и лишь сравнительно недавно ученые пришли к консенсусу, установив их окончательное значение. Только в 2008 году на встрече в Колд-Спринг-Харбор с путаницей было покончено раз и навсегда – было предложено официальное определение эпигенетики и эпигенетических изменений.

Эпигенетические изменения - это наследуемые изменения в экспрессии генов и фенотипе клетки, которые не затрагивают последовательности самой ДНК. Под фенотипом понимают всю совокупность характеристик клетки (организма) – в нашем случае это и структура костной ткани, и биохимические процессы, интеллект и поведение, оттенок кожи и цвет глаз и т.д.

Конечно, фенотип организма зависит от его генетического кода. Но чем дальше ученые углублялись в вопросы эпигенетики, тем очевиднее становилось, что некоторые характеристики организма наследуются через поколения без изменений генетического кода (мутаций).

Для многих это стало откровением: организм может меняться без изменения генов, и передавать эти новые черты потомкам.

Эпигенетические исследования последних лет доказали, что факторы окружающей среды – проживание среди курильщиков, постоянные стрессы, неправильное питание – могут привести к серьезным сбоям в функционировании генов (но не в их структуре), и что эти сбои легко передаются будущим поколениям. Хорошая новость в том, что они обратимы, и в каком-то N-ном поколении могут раствориться без следа.

Чтобы лучше понять силу эпигенетики, представим себе нашу жизнь в виде длинного кино.

Наши клетки – актеры и актрисы, а наша ДНК – это заранее подготовленный сценарий, в котором каждое слово (ген) дает актерскому составу нужные команды. В этой картине эпигенетика – режиссер. Сценарий может быть одним и тем же, но режиссер наделен властью удалять определенные сцены и фрагменты диалогов. Так и в жизни, эпигенетика решает, что и как скажет каждая клеточка нашего огромного тела.

Эпигенетика и здоровье

Метилирование, изменения в белках-гистонах или нуклеосомах («упаковщиках ДНК») могут наследоваться и приводить к болезням.

Наиболее изученным аспектом эпигенетики является метилирование. Это процесс присоединения метильных (СН3-) групп к ДНК.

Обычно метилирование влияет на транскрипцию генов – копирование ДНК на РНК, или первый шаг в репликации ДНК.

Исследование 1969 года впервые показало, что метилирование ДНК способно изменить долговременную память индивидуума. С того момента роль метилирования в развитии многочисленных заболеваний стала более понятной.

Заболевания иммунной системы

Собранные за последние годы факты говорят нам о том, что утрата эпигенетического контроля над сложными иммунными процессами может привести к аутоиммунным заболеваниям. Так, аномальное метилирование в Т-лимфоцитах наблюдают у людей, страдающих волчанкой – воспалительным заболеванием, при котором иммунная система поражает органы и ткани хозяина.

Другие ученые уверены, что метилирование ДНК – это истинная причина развития ревматоидного артрита.

Нейропсихиатрические заболевания

Некоторые психические болезни, расстройства аутистического спектра и нейродегенеративные заболевания связаны с эпигенетическим компонентом. В частности, с ДНК-метилтрансферазами (DNMT) – группой ферментов, передающих метильную группу на нуклеотидные остатки ДНК.

Уже практически доказана роль метилирования ДНК в развитии болезни Альцгеймера. Крупное исследование выявило, что даже при отсутствии клинических симптомов гены нервных клеток у больных, склонных к болезни Альцгеймера, метилированы иначе, нежели в нормальном мозге.

Теория о роли метилирования в развитии аутизма была предложена давно. Многочисленные вскрытия с изучением мозга больных людей подтверждают, что в их клетках недостаточно протеина MECP2 (метил- CpG-связывающий белок 2). Это исключительно важная субстанция, связывающая и активирующая метилированные гены. В отсутствие MECP2 нарушается работа головного мозга .

Онкологические заболевания

Достоверно известно, что рак зависит от генов. Если до 80-х годов полагали, что дело только в генетических мутациях, то теперь ученые знают о роли эпигенетических факторов в возникновении, прогрессировании рака, и даже в его устойчивости к лечению.

В 1983 году рак стал первой болезнью человека, которую связали с эпигенетикой. Тогда ученые обнаружили, что клетки колоректального рака гораздо меньше метилированы, чем нормальные клетки кишечника. Нехватка метильных групп приводит к нестабильности в хромосомах, и запускается онкогенез. С другой стороны, избыток метильных групп в ДНК «усыпляет» некоторые гены, ответственные за подавление рака.

Поскольку эпигенетические изменения обратимы, то дальнейшие исследования открыли дорогу к инновационной терапии рака.

В оксфордском журнале Carcinogenesis от 2009 года ученые писали: «Тот факт, что эпигенетические изменения, в отличие от генетических мутаций, потенциально обратимы и могут быть восстановлены до нормального состояния, делает эпигенетическую терапию перспективной опцией».

Эпигенетика все еще является молодой наукой, но благодаря многогранному влиянию эпигенетических изменений на клетки, ее успехи уже сегодня поражают воображение. Жаль, что не ранее чем через 30-40 лет наши потомки смогут полностью осознать, как много она значит здоровья человечества.

: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик