Эпигенетика - относительно новая отрасль генетики, которую называют одним из наиболее важных биологических открытий с момента обнаружения ДНК. Раньше считалось, что набор генов, с которым мы рождаемся, необратимо определяет нашу жизнь. Однако теперь известно, что гены можно «включать» и «выключать», а также добиться их большей или меньшей экспрессии под воздействием различных факторов образа жизни.
сайт расскажет, что такое эпигенетика, как она работает, и что Вы можете сделать, чтобы повысить шансы на выигрыш в «лотерею здоровья».
Эпигенетика: изменения в образе жизни - ключ к изменению генов
Эпигенетика - наука, которая изучает процессы, приводящие к изменению активности генов без изменения последовательности ДНК. Проще говоря, эпигенетика изучает воздействие внешних факторов на активность генов.
В ходе проекта «Геном человека» было идентифицировано 25,000 генов в человеческой ДНК. ДНК можно назвать кодом, который организм использует для построения и перестройки самого себя. Однако генам и самим нужны «инструкции», по которым они определяют необходимые действия и время их выполнения.
Эпигенетические модификации и являются теми самыми инструкциями.
Существует несколько видов таких модификаций, однако двумя основными из них являются те, которые затрагивают метильные группы (углерод и водород) и гистоны (белки).
Чтобы понять, как работают модификации, представим, что ген - это лампочка. Метильные группы действуют в роли выключателя света (т.е. гена), а гистоны - в качестве регулятора силы света (т.е. они регулируют уровень активности генов). Так вот, считается, что у человека есть четыре миллиона таких выключателей, которые приводятся в действие под влиянием образа жизни и внешних факторов.
Ключом к пониманию влияния внешних факторов на активность генов стали наблюдения за жизнью однояйцевых близнецов. Наблюдения показали, насколько сильными могут быть изменения в генах таких близнецов, ведущих разный образ жизни в разных внешних условиях.
По идее, у однояйцевых близнецов болезни должны быть «общими», однако зачастую это не так: алкоголизм, болезнь Альцгеймера, биполярное расстройство, шизофрения, диабет, рак, болезнь Крона и ревматоидный артрит могут проявляться только у одного близнеца в зависимости от различных факторов. Причиной этого является эпигенетический дрифт - возрастное изменение экспрессии генов.
Секреты эпигенетики: как факторы образа жизни влияют на гены
Исследования в области эпигенетики показали, что только 5% генных мутаций, связанных с болезнями, являются полностью детерминированными; на остальные 95% можно повлиять посредством питания, поведения и прочих факторов внешней среды. Программа здорового образа жизни позволяет изменить активность от 4000 до 5000 различных генов.
Мы не просто являемся суммой генов, с которыми были рождены. Именно человек является пользователем, именно он управляет своими генами. При этом не столь важно, какие «генетические карты» раздала Вам природа - важно, что Вы с ними будете делать.
Эпигенетика находится на начальной стадии развития, многое еще предстоит узнать, однако существуют сведения о том, какие основные факторы образа жизни влияют на экспрессию генов.
- Питание, сон и упражнения
Не удивительно, что питание способно влиять на состояние ДНК. Рацион, насыщенный переработанными углеводами, приводит к «атакам» ДНК высокими уровнями глюкозы в крови. С другой стороны, обратить повреждения ДНК могут:
- сульфорафан (содержится в брокколи);
- куркумин (в составе куркумы);
- эпигаллокатехин-3-галлат (есть в зеленом чае);
- ресвератрол (содержится в винограде и вине).
Что касается сна, всего неделя недосыпа негативно сказывается на активности более 700 генов. На экспрессии генов (117) положительно сказываются занятия спортом.
- Стресс, отношения и даже мысли
Эпигенетики утверждают, что не только такие «материальные» факторы, как диета, сон и спорт, влияют на гены. Как оказывается, стресс, отношения с людьми и Ваши мысли тоже являются весомыми факторами, влияющими на экспрессию генов. Так:
- медитация подавляет экспрессию провоспалительных генов, помогая бороться с воспалениями, т.е. защититься от болезни Альцгеймера, рака, болезней сердца и диабета; при этом эффект такой практики виден уже через 8 часов занятий;
- 400 научных исследований показали, что проявление благодарности, доброта, оптимизм и различные техники, которые задействуют разум и тело, положительно влияют на экспрессию генов;
- отсутствие активности, плохое питание, постоянные негативные эмоции, токсины и вредные привычки, а также травмы и стрессы запускают негативные эпигенетичекие изменения.
Длительность результатов эпигенетических изменений и будущее эпигенетики
Одним из наиболее потрясающих и противоречивых открытий является то, что эпигенетические изменения передаются следующим поколениям без изменения последовательности генов. Доктор Митчелл Гейнор, автор книги «План генной терапии: Возьмите генетическую судьбу под контроль при помощи питания и образа жизни», считает, что экспрессия генов также передается по наследству.
Эпигенетика, считает доктор Рэнди Джиртл, доказывает, что мы также несем ответственность за целостность нашего генома. Раньше мы считали, что от генов зависит все. Эпигенетика позволяет понять, что наше поведение и привычки могут повлиять на экспрессию генов у будущих поколений.
Эпигенетика - сложная наука, которая имеет огромный потенциал. Специалистам предстоит проделать еще много работы, чтобы определить, какие именно факторы окружающей среды влияют на наши гены, как мы можем (и можем ли) обратить заболевания вспять или максимально эффективно их предотвратить.
Эпигенетика – направление генетики, сравнительно недавно оформившееся в самостоятельную область исследований. Но уже сегодня этамолодая динамичная наука предлагает революционный взгляд на молекулярные механизмы развития живых систем .
Одна из наиболее дерзких и вдохновляющих эпигенетических гипотез о том, что активность многих генов подвержена влиянию извне, сейчас находит подтверждение во множестве экспериментов на модельных животных. Исследователи осторожно комментируют их результаты, но не исключают, что и Homo sapiens не в полной мере зависит от наследственности, а значит может на нее целенаправленно воздействовать.
В перспективе, если ученые окажутся правы и им удастся подобрать ключи к механизмам управления генами, человеку станут подвластны физические процессы, происходящие в организме. В их числе вполне может оказаться и старение.
На рис.
механизм РНК- интерференции.
Молекулы дцРНК могут представлять собой РНК-шпильку или две спаренные комплементарные друг другу цепи РНК.
Длинные молекулы дцРНК нарезаются (процессируются) в клетке на короткие ферментом Dicer : один из его доменов специфически связывает конец молекулы дцРНК (отмечен звездочкой), при этом другой — производит разрывы (отмечены белыми стрелками) в обеих цепях дцРНК.
В результате образуется двунитевая РНК длиной 20-25 нуклеотидов (siРНК), а Dicer переходит к следующему циклу разрезания дцРНК, связываясь с ее новообразованным концом.
Эти siРНК могут включаться в состав комплекса, содержащего белок Argonaute (AGO) . Одна из цепей siРНК в комплексе с белком AGO находит в клетке комплементарные ей молекулы матричной РНК (мРНК). AGO разрезает молекулы мРНК-мишени, в результате чего мРНК деградирует, или останавливает трансляцию мРНК на рибосоме. Короткие РНК могут также подавлять транскрипцию (синтез РНК) гомологичного им по нуклеотидной последовательности гена в ядре.
(рисунок, схема и комментарий / журнал «Природа» №1, 2007 г.)
Возможны и другие, пока не известные, механизмы.
Разница между эпигенетическими и генетическими механизмами наследования в их стабильности, воспроизводимости эффектов. Генетически обусловленные признаки могут воспроизводиться неограниченно долго, пока в соответствующем гене не возникает определенное изменение (мутация).
Индуцированные определенными стимулами эпигенетические изменения обычно воспроизводятся в ряду клеточных поколений в пределах жизни одного организма. Когда они передаются в следующие генерации, то могут воспроизводиться не более 3-4 поколений, а потом, если индуцировавший их стимул исчезает, постепенно сходят на нет.
А как это выглядит на молекулярном уровне? Эпигенетические маркеры , как принято называть эти химические комплексы, находятся не в нуклеотидах, образующих структурную последовательность молекулы ДНК, а на них и непосредственно улавливают определенные сигналы?
Совершенно верно. Эпигенетические маркеры действительно находятся не В нуклеотидах а НА них (метилирование) либо ВНЕ их (ацетилирование гистонов хроматина, микроРНК).
То, что происходит при передаче этих маркеров в следующие поколения, лучше всего объяснить, используя в качестве аналогии новогоднюю елку. Переходящие из поколения в поколение «игрушки» (эпигенетические маркеры) полностью снимаются с нее в процессе формирования бластоциста (8-клеточного зародыша), а потом, в процессе имплантации «надеваются» на те же места, где находились раньше. Это было известно уже давно. А вот то, что стало известно недавно, и что полностью перевернуло наши представления в биологии, имеет отношение к эпигенетическим модификациям, приобретенным на протяжении жизни данного организма.
Например, если у организма под влиянием определенного воздействия (теплового шока, голодания и т.д.), происходит устойчивая индукция эпигенетических изменений («покупка новой игрушки»). Как предполагалось раньше, подобные эпигенетические маркеры бесследно стираются при оплодотворении и образовании зародыша и, таким образом, не передаются потомкам. Оказалось, что это не так. В большом количестве работ последних лет эпигенетические изменения, индуцированные средовыми стрессами у представителей одного поколения, обнаруживались у представителей 3-4 последующих поколений. Это свидетельствует о возможности наследования приобретенных признаков, что до последнего времени считалось абсолютно невозможным.
Каковы важнейшие факторы, вызывающие эпигенетические изменения?
Это все факторы, действующие на протяжении чувствительных (сенситивных) этапов развития. У человека это весь период внутриутробного развития и первые три месяца после рождения. К важнейшим можно отнести питание, вирусные инфекции, курение матери во время беременности, недостаточная наработка витамина D (при инсоляции), материнский стресс.
То есть, они увеличивают адаптацию организма к изменяющимся условиям. А какие «мессенджеры» существуют между факторами окружающей среды и эпигенетическими процессами – пока никому не известно.
Но, кроме того, есть данные, говорящие о том, что наиболее «сенситивный» период, во время которого возможны основные эпигенетические модификации – периконцептуальный (первые два месяца после зачатия). Возможно, действенными могут оказаться попытки направленного вмешательства в эпигенетические процессы даже до зачатия, то есть на половые клетки еще до образования зиготы. Однако эпигеном остается достаточно пластичным и после окончания этапа эмбрионального развития, некоторые исследователи пытаются его корректировать и у взрослых людей.
Например, Мин Джу Фан (Ming Zhu Fang
) и ее коллеги из Университета Рутгерса в Нью-Джерси (США) обнаружили, что у взрослых людей при помощи определенного компонента зеленого чая (антиоксидант — эпигаллокатехингаллат (EGCG)) можно за счет деметилирования ДНК активизировать гены-супрессоры (подавители) опухолевого роста.
Сейчас в США и в Германии в стадии разработки уже находятся около десятка препаратов, в основу создания которых легли результаты недавних исследований эпигенетиков в диагностике раковых заболеваний.
А какие вопросы в эпигенетике сейчас являются ключевыми? Как их решение может продвинуть изучение механизмов (процесса) старения?
Я считаю, что процесс старения по своей сути является эпигенетическим (« как этап онтогенеза»). Исследования в этой области начались только в последние годы, но, если они увенчаются успехом, возможно, человечество получит новое мощное средство для борьбы с болезнями и продления жизни.
Ключевыми сейчас являются вопросы эпигенетической природы заболеваний (например, рака) и разработка новых подходов к их предупреждению и лечению.
Если удастся изучить молекулярные эпигенетические механизмы возрастных заболеваний, можно будет успешно противодействовать их развитию.
Ведь, например, рабочая пчела живет 6 недель, а пчеломатка – 6 лет.
При полной генетической идентичности они различаются только тем, что будущую пчеломатку во время развития кормят маточным молочком на несколько дней больше, чем обычную рабочую пчелу.
В результате у представителей этих пчелиных каст формируются несколько отличные эпигенотипы. И, несмотря на внешнее и биохимическое подобие, длительность их жизни различается в 50 раз!
В процессе исследований в 60-е годы было показано, что уменьшается с возрастом. Но удалось ли ученым продвинуться в ответе на вопрос: почему это происходит?
Есть масса работ, свидетельствующих о том, что особенности и темп старения зависят от условий раннего онтогенеза. Большинство связывает это именно с корригировкой эпигенетических процессов.
Метилирование ДНК действительно уменьшается с возрастом, почему это происходит – пока не известно. Одна из версий – что это следствие адаптации, попытка организма приспособиться как к внешним стрессам, так и ко внутреннему «сверхстрессу» — старению.
Возможно, что «включающиеся» при возрастном деметилировании ДНК – дополнительный адаптивный ресурс, одно из проявлений процесса витаукта (как его назвал выдающийся геронтолог Владимир Вениаминович Фролькис) — физиологического процесса, противодействующего старению.
Чтобы произвести изменения на генном уровне, нужно выявить и заменить мутировавшую «букву» ДНК, может быть участок генов. Пока наиболее перспективный путь для осуществления таких операций — биотехнологический. Но до сих пор это экспериментальное направление и особых прорывов в нем пока нет. Метилирование более пластичный процесс, его проще изменять — в том числе, с помощью фармакологических препаратов. Возможно ли научиться избирательно контролировать ? Что еще для этого еще предстоит сделать?
Метилирование – вряд ли. Оно неспецифично, действует на все «оптом». Можно научить обезьяну лупить по клавишам пианино, и она будет извлекать из него громкие звуки, но «Лунную сонату» исполнит вряд ли. Хотя есть примеры, когда при помощи метилирования удавалось изменить фенотип организма. Наиболее известен пример с мышами – носителями мутантного гена агути (я его уже приводил). Реверсия к нормальному цвету шерсти происходила у этих мышей, потому, что «дефектный» ген был у них «выключен» за счет метилирования.
Но избирательно влиять на экспрессию генов можно, и для этого прекрасно подходят интерферирующие РНК, которые действуют высокоспецифично, только на «собственные» . Такие работы уже проводятся.
Например, недавно американские исследователи пересаживали мышам, у которых была подавлена функция иммунной системы, опухолевые человеческие клетки, которые могли свободно размножаться и метастазировать в иммунодефицитных мышиных организмах. Ученым удалось определить экспрессированные в метастазирующих клетках и, синтезировав соответствующую интерферирующую РНК и введя ее мышам, заблокировать синтез «раковой» информационной РНК и, соответсвенно, подавить опухолевый рост и метастазирование.
То есть, исходя из современных исследований, можно говорить о том, что в основе различных процессов, происходящих в живых организмах, лежат эпигенетические сигналы. Что они из себя представляют? Какие факторы влияют на их формирование? Удается ли ученым эти сигналы дешифровать?
Сигналы могут быть самыми разными. При развитии и стрессе – это сигналы прежде всего гормональной природы, но есть данные, что к экспрессии генов белков теплового шока (HSP70) в культуре клеток может приводить даже влияние низкочастотного электромагнитного поля определенной частоты, интенсивность которого в миллион (!) раз меньше естественного электромагнитного поля. В данном случае это поле, конечно же, действует не «энергетически», а является неким сигнальным «триггером», «запускающим» экспрессию гена. Тут многое еще загадочно.
Например, недавно открытый bystander effect
(«эффект свидетеля»).
Вкратце его суть такова. Когда мы облучаем культуру клеток, у них возникают реакции широкого спектра, от хромосомных аберраций до радиоадаптивных реакций (способности выдерживать большие дозы облучения). Но если мы удалим все облученные клетки и в оставшуюся питательную среду перенесем другие, необлученные, у них проявятся те же реакции, хотя их никто не облучал.
Предполагается, что облученные клетки выделяют в среду некие эпигенетические «сигнальные» факторы, которые и вызывают в необлученных клетках аналогичные изменения. Какова природа этих факторов – пока никто не знает.
Большие ожидания в улучшении качества жизни и продолжительности жизни связаны с научными достижениями в области изучения стволовых клеток. Удастся ли эпигенетике оправдать возлагающиеся на нее надежды в перепрограммировании клеток? Есть ли для этого серьезные предпосылки?
Если будет разработана надежная методика «эпигенетического перепрограммирования» соматических клеток в стволовые, это, безусловно, окажется революцией в биологии и медицине. Пока в этом направлении сделаны только первые шаги, но они обнадеживают.
Известная сентенция: человек — то, что он ест. Какой эффект оказывает еда на наши ? Например, генетики из Университета Мельбурна , изучавшие механизмы работы клеточной памяти, обнаружили, что после получения одноразовой дозы сахара, клетка в течение нескольких недель хранит соответствующий химический маркер.
Есть даже специальный раздел эпигенетики — Nutritional Epigenetics , занимающийся именно вопросом зависимости эпигенетических процессов от особенностей питания. Особенно важны эти особенности на ранних стадиях развития организма. Например, при вскармливании младенца не материнским молоком, а сухими питательными смесями на основе коровьего молока, в клетках его тела происходят эпигенетиеские изменения, которые, фиксируясь по механизму импринтинга (запечатления), приводят со временем к началу аутоиммунного процесса в бета-клетках поджелудочной железы и, как следствие, заболеванию диабетом I типа.
На рис.
развитие диабета (рис. увеличивается при нажатии курсором). При таких аутоиммунных заболеваниях, как диабет 1-го типа, иммунная система человека атакует его собственные органы и ткани.
Некоторые из аутоантител начинают вырабатываться в организме задолго до появления первых симптомов болезни. Их выявление может помочь в оценке риска развития заболевания.
(рисунок из журнала «В МИРЕ НАУКИ» , июль 2007 № 7)
А неполноценное (ограниченное по количеству калорий) питание в период внутриутробного развития – прямой путь к ожирению во взрослом возрасте и диабету II типа.
Это означает, что человек все-таки несет ответственность не только за себя, но и за своих потомков: детей, внуков, правнуков?
Да, конечно, причем в значительно большей степени, чем это было принято считать раньше.
А какова эпигенетическая составляющая в, так называемом, геномном импринтинге?
При геномном импринтинге один и тот же ген фенотипически проявляется по-разному в зависимости от того, от отца или матери он попадает к потомку. То есть, если ген наследуется от матери, то он уже метилирован и не экспрессируется, тогда как ген, наследуемый от отца не метилирован, и экспрессируется.
Наиболее активно изучается геномный импринтинг при развитии различных наследственных заболеваний, которые передаются только от предков определенного пола. Например, ювенильная форма болезни Гентингтона проявляется только при наследовании мутантного аллеля от отца, а атрофическая миотония — от матери.
И это при том, что сами , вызывающие эти заболевания, абсолютно одинаковы независимо от того, наследуются ли они от отца или матери. Различия заключаются в «эпигенетической предыстории», обусловленной их пребыванием в материнском или, наоборот, отцовском, организмах. Другими словами, они несут «эпигенетический отпечаток» пола родителя. При нахождении в организме предка определенного пола они метилируются (функционально репрессируются), а другого – деметилируются (соответственно, экспрессируются), и в таком же состоянии наследуются потомками, приводя (или не приводя) к возникновению определенных заболеваний.
Вы занимались изучением влияния радиации на организм. Известно, что малые дозы радиации положительно влияют на продолжительность жизнь плодовых мушек дрозофил . Возможна ли тренировка человеческого организма малыми дозами облучения? Александра Михайловича Кузина , высказанному им еще в 70-х годах прошлго века, к стимулирующему эффекту приводят дозы, примерно на порядок большие фоновых.
В Керале, например, уровень фона не в 2, а в 7,5 раз превышает «среднеиндийский» уровень, но ни заболеваемость раком, ни смертность от него не отличаются от общей индийской популяции.
(См., напр., последнее на эту тему: Nair RR, Rajan B, Akiba S, Jayalekshmi P, Nair MK, Gangadharan P, Koga T, Morishima H, Nakamura S, Sugahara T. Background radiation and cancer incidence in Kerala, India-Karanagappally cohort study. Health Phys. 2009 Jan;96(1):55-66 )
В одном из исследований Вы проанализировали данные по датам рождения и смерти 105 тысяч киевлян, которые умерли в период с 1990 по 2000 гг. Какие выводы были сделаны?
Наибольшей оказалась продолжительность жизни людей, родившихся в конце года (особенно в декабре), наименьшей – у «апрельских-июльских». Различия между минимальными и максимальными среднемесячными значениями оказались очень велики и достигали 2,6 года у мужчин и 2,3 года у женщин. Результаты, полученные нами, говорят о том, что то, сколько человек проживет, в значительной степени зависит от сезона года, в который он родился.
Возможно ли прикладное применение полученной информации?
Какими могли бы быть рекомендации? Например, зачинать детей весной (лучше всего – в марте), чтобы они были потенциальными долгожителями? Но это абсурд. Природа не дает одним все, а другим – ничего. Так и с «сезонным программированием». Например, в исследованиях, осуществленных во многих странах (Италии, Португалии, Японии), выявлено, что наивысшими интеллектуальными возможностями обладают школьники и студенты, родившиеся в конце весны – начале лета (по нашим данным – «короткожители»). Эти исследования демонстрируют бессмысленность “прикладных” рекомендаций по рождению детей в определенные месяцы года. А вот серьезным поводом для дальнейшего научного исследования механизмов, определяющих «программирование», а также поиска средств направленной коррекции этих механизмов с целью продления жизни в будущем, эти работы, безусловно, являются.
Один из пионеров эпигенетики в России, профессор МГУ Борис Ванюшин в своей работе «Материализация эпигенетики или Небольшие изменения с большими последствиями» написал, что век прошлый был веком генетики, а нынешний — век эпигенетики.
Что позволяет оценивать позиции эпигинетики так оптимистично?
После завершения программы «Геном человека» ученое сообщество было в шоке: оказалось, что информация о строении и функционировании человека заключена в приблизительно 30 тысячах генов (по разным оценкам, это всего около 8-10 мегабайт информации). Специалисты, которые работают в сфере эпигенетики, называют ее «второй информационной системой» и считают, что расшифровка эпигенетических механизмов контроля развития и жизнедеятельности организма приведет к революции в биологии и медицине.
Например, в ряде исследований уже удалось выявить типичные закономерности в таких рисунках. На их основе врачи могут диагностировать формирование онкозаболеваний на ранней стадии.
Но осуществим ли такой проект?
Да, конечно, хотя он очень затратный и вряд ли может быть реализован во время кризиса. А вот в перспективе – вполне.
Еще в 1970 году группа Ванюшина в журнале „Nature“ опубликовала данные о том, что регулирует клеточную дифференцировку, приводя к различиям в экспрессии генов. И Вы об этом говорили. Но если у организма в каждой клетке содержится один и тот же геном, то эпигеном у каждого типа клеток — свой, соответственно и ДНК метилирована по-разному. Учитывая, что типов клеток в человеческом организме порядка около двухсот пятидесяти — объем информации может быть колоссальным.
Именно поэтому проект «Эпигеном человека» и является очень сложным (хоть и не безнадежным) для реализации.
Он считает, что самые незначительные явления могут оказывать огромное влияние на жизнь человека: «Если окружающая среда играет такую роль в изменении нашего генома, тогда мы должны построить мост между биологическими и социальными процессами. Это абсолютно изменит наш взгляд на вещи».
Все настолько серьезно?
Конечно. Сейчас в связи с последними открытиями в области эпигенетики многие ученые говорят о необходимости критического переосмысления многих положений, которые казались либо незыблемыми, либо навсегда отвергнутыми, и даже о необходимости смены основополагающих парадигм в биологии. Подобная революция мышления, безусловно, может сказаться самым существенным образом на всех аспектах жизни людей, начиная от мировоззрения и стиля жизни и заканчивая взрывом открытий в биологии и медицине.
Информация о фенотипе содержится не только в геноме, но и в эпигеноме, который пластичен и может, изменяясь под воздействием определенных средовых стимулов, влиять на проявление генов – ПРОТИВОРЕЧИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ, СОГЛАСНО КОТОРОЙ ПОТОК ИНФОРМАЦИИ МОЖЕТ ИДТИ ТОЛЬКО ОТ ДНК К БЕЛКАМ, НО НЕ НАОБОРОТ.
Индуцированные в раннем онтогенгезе эпигенетические изменения могут фиксироваться по механизму импринтинга и менять всю последующую судьбу человека (в том числе психотип, метаболизм, предрасположенность к заболеваниям и т.п.) – ЗОДИАКАЛЬНАЯ АСТРОЛОГИЯ.
Причиной эволюции, помимо случайных изменений (мутаций), отбираемых естественным отбором, являются направленные, адаптивные изменения (эпимутации) – КОНЦЕПЦИЯ ТВОРЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ французского философа (Нобелевского лауреата по литературе, 1927 г.) Анри БЕРГСОНА.
Эпимутации могут передаваться от предков потомкам – НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИОБРЕТЕННЫХ ПРИЗНАКОВ, ЛАМАРКИЗМ.
На какие актуальные вопросы предстоит ответить м в ближайшем будущем?
Как происходит развитие многоклеточного организма, какова природа сигналов, настолько точно определяющих время возникновения, структуру и функции различных органов тела?
Можно ли, влияя на эпигенетические процессы, изменять организмы в желательном направлении?
Можно ли за счет корректировки эпигенетических процессов предотвращать развитие эпигенетически обусловленных заболеваний, например, диабета и рака?
Какова роль эпигенетических механизмов в процессе старения, можно ли с их помощью продлевать жизнь?
Возможно ли, что непонятные в наше время закономерности эволюционирования живых систем (эволюция «не по Дарвину») объясняются вовлеченностью эпигенетических процессов?
Естественно, это только мой персональный перечень, у других исследователей он может отличаться.
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.
Пожалуй, самое емкое и в то же время точное определение эпигенетики принадлежит выдающемуся английскому биологу, нобелевскому лауреату Питеру Медавару: «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает».
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 ваша мама и бабушка. Ваши 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. Во многом благодаря клеточной памяти мы не похожи на шимпанзе, хотя имеем с ним примерно одинаковый состав генома. И эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика.
Эпигенетика - довольно молодое направление современной науки, и пока она не так широко известна, как ее «родная сестра» генетика. В переводе с греческого предлог «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 структура ДНК остается прежней. Можно представить, будто некий «командир» в ответ на внешние стимулы, такие как питание, эмоциональные стрессы, физические нагрузки, отдает приказы нашим генам усилить или, наоборот, ослабить их активность.
Управление мутацией
Развитие эпигенетики как отдельного направления молекулярной биологии началось в 1940-х. Тогда английский генетик Конрад Уоддингтон сформулировал концепцию «эпигенетического ландшафта», объясняющую процесс формирования организма. Долгое время считалось, что эпигенетические превращения характерны лишь для начального этапа развития организма и не наблюдаются во взрослом возрасте. Однако в последние годы была получена целая серия экспериментальных доказательств, которые произвели в биологии и генетике эффект разорвавшейся бомбы.
Переворот в генетическом мировоззрении произошел в самом конце прошлого века. Сразу в нескольких лабораториях был получен ряд экспериментальных данных, заставивших генетиков сильно призадуматься. Так, в 1998 году швейцарские исследователи под руководством Ренато Паро из Университета Базеля проводили эксперименты с мухами дрозофилами, у которых вследствие мутаций был желтый цвет глаз. Обнаружилось, что под воздействием повышения температуры у мутантных дрозофил рождалось потомство не с желтыми, а с красными (как в норме) глазами. У них активировался один хромосомный элемент, который и менял цвет глаз.
К удивлению исследователей, красный цвет глаз сохранялся у потомков этих мух еще в течение четырех поколений, хотя они уже не подвергались тепловому воздействию. То есть произошло наследование приобретенных признаков. Ученые были вынуждены сделать сенсационный вывод: вызванные стрессом эпигенетические изменения, не затронувшие сам геном, могут закрепляться и передаваться следующим поколениям.
Но, может, такое бывает только у дрозофил? Не только. Позже выяснилось, что у людей влияние эпигенетических механизмов тоже играет очень большую роль. Например, была выявлена закономерность, что предрасположенность взрослых людей к диабету 2-го типа может во многом зависеть от месяца их рождения. И это при том, что между влиянием определенных факторов, связанных со временем года, и возникновением самого заболевания проходит 50−60 лет. Это наглядный пример так называемого эпигенетического программирования.
Что же может связывать предрасположенность к диабету и дату рождения? Новозеландским ученым Питеру Глюкману и Марку Хансону удалось сформулировать логическое объяснение этого парадокса. Они предложили «гипотезу несоответствия» (mismatch hypothesis), согласно которой в развивающемся организме может происходить «прогностическая» адаптация к условиям обитания, ожидающимся 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.
К примеру, 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 после рождения, оказывается более благополучным, чем прогнозировалось, такой «запасливый» характер метаболизма может привести к ожирению и диабету 2-го типа на поздних этапах жизни.
Опыты, проведенные в 2003 году американскими учеными из Дюкского университета Рэнди Джиртлом и Робертом Уотерлендом, уже стали хрестоматийными. Несколькими годами ранее Джиртлу удалось встроить искусственный ген обычным мышам, из-за чего те рождались желтыми, толстыми и болезненными. Создав таких мышей, Джиртл с коллегами решили проверить: нельзя ли, не удаляя дефектный ген, сделать их нормальными? Оказалось, что можно: они добавили в корм беременным мышам агути (так стали называть желтых мышиных «монстров») фолиевую кислоту, витамин В 12 , холин и метионин, и в результате этого появилось нормальное потомство. Пищевые факторы оказались способными нейтрализовать мутации в генах. Причем воздействие диеты сохранялось и в нескольких последующих поколениях: детеныши мышей агути, родившиеся нормальными благодаря пищевым добавкам, сами рождали нормальных мышей, хотя питание у них было уже обычное.
Можно уверенно сказать, что период беременности и первых месяцев жизни наиболее важен в жизни всех млекопитающих, в том числе и 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».
Судьба по наследству
Наиболее изученный механизм эпигенетической регуляции активности генов - процесс метилирования, который заключается в добавлении метильной группы (одного атома углерода и трех атомов водорода) к цитозиновым основаниям ДНК. Метилирование может влиять на активность генов несколькими способами. В частности, метильные группы могут физически препятствовать контакту фактора транскрипции (белка, контролирующего процесс синтеза информационной РНК на матрице ДНК) со специфичными участками ДНК. С другой стороны, они работают в связке с метилцитозин-связывающими белками, участвуя в процессе ремоделирования хроматина - вещества, из которого состоят хромосомы, хранилища наследственной информации.
Метилирование ДНК
Метильные группы присоединяются к цитозиновым основаниям, не разрушая и не изменяя ДНК, но влияя на активность соответствующих генов. Существует и обратный процесс - деметилирование, при котором метильные группы удаляются и первоначальная активность генов восстанавливается" border="0">
Метилирование участвует во многих процессах, связанных с развитием и формированием всех органов и систем у человека. Один из них - инактивация X-хромосом у эмбриона. Как известно, самки млекопитающих обладают двумя копиями половых хромосом, обозначаемых как X-хромосома, а самцы довольствуются одной X и одной Y-хромосомой, которая значительно меньше по размеру и по количеству генетической информации. Чтобы уравнять самцов и самок в количестве генных производимых продуктов (РНК и белков), большинство генов на одной из X-хромосом у самок выключается.
Кульминация этого процесса происходит на стадии бластоцисты, когда зародыш состоит из 50−100 клеток. В каждой клетке хромосома для инактивации (отцовская или материнская) выбирается случайным образом и остается неактивной во всех последующих генерациях этой клетки. С этим процессом «перемешивания» отцовских и материнских хромосом связан тот факт, что женщины намного реже страдают заболеваниями, связанными с X-хромосомой.
Метилирование играет важную роль в клеточной дифференцировке - процессе, благодаря которому «универсальные» эмбриональные клетки развиваются в специализированные клетки тканей и органов. Мышечные волокна, костная ткань, нервные клетки - все они появляются благодаря активности строго определенной части генома. Также известно, что метилирование играет ведущую роль в подавлении большинства разновидностей онкогенов, а также некоторых вирусов.
Метилирование ДНК имеет наибольшее прикладное значение из всех эпигенетических механизмов, так как оно напрямую связано с пищевым рационом, эмоциональным статусом, мозговой деятельностью и другими внешними факторами.
Данные, хорошо подтверждающие этот вывод, были получены в начале этого века американскими и европейскими исследователями. Ученые обследовали пожилых голландцев, родившихся сразу после войны. Период беременности их матерей совпал с очень тяжелым временем, когда в Голландии зимой 1944−1945 годов 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 или два позднее (или ранее).
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, было заметно понижено метилирование гена инсулиноподобного фактора роста (ИФР), из-за чего количество ИФР в крови повышалось. А этот фактор, как хорошо известно ученым, имеет обратную связь с продолжительностью жизни: чем выше в организме уровень ИФР, тем жизнь короче.
Позднее американский ученый Ламбер Люмэ обнаружил, что и в следующем поколении дети, родившиеся в семьях этих голландцев, также появлялись на свет с ненормально малым весом и чаще других болели всеми возрастными болезнями, хотя их родители жили вполне благополучно и хорошо питались. Гены запомнили информацию о голодном периоде беременности бабушек и передали ее даже через поколение, внукам.
Многоликая эпигенетика
Эпигенетические процессы реализуются на нескольких уровнях. Метилирование действует на уровне отдельных нуклеотидов. Следующий уровень - это модификация гистонов, белков, участвующих в упаковке нитей ДНК. От этой упаковки также зависят процессы транскрипции и репликации ДНК. Отдельная научная ветвь - РНК-эпигенетика - изучает эпигенетические процессы, связанные с РНК, в том числе метилирование информационной РНК.
Гены не приговор
Наряду со стрессом и недоеданием на здоровье плода могут влиять многочисленные вещества, искажающие нормальные процессы гормональной регуляции. Они получили название «эндокринные дизрапторы» (разрушители). Эти вещества, как правило, имеют искусственную природу: человечество получает их промышленным способом для своих нужд.
Самый яркий и негативный пример - это, пожалуй, бисфенол-А, уже много лет применяющийся в качестве отвердителя при изготовлении изделий из пластмасс. Он содержится в некоторых видах пластиковой тары - бутылок для воды и напитков, пищевых контейнеров.
Отрицательное воздействие бисфенола-А на организм заключается в способности «уничтожать» свободные метильные группы, необходимые для метилирования, и подавлять ферменты, прикрепляющие эти группы к ДНК. Биологи из Гарвардской медицинской школы обнаружили способность бисфенола-А тормозить созревание яйцеклетки и тем самым приводить к бесплодию. Их коллеги из Колумбийского университета 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.
К счастью, существуют продукты, оказывающие положительное влияние на эпигеном. Например, регулярное употребление зеленого чая может снижать риск онкозаболеваний, поскольку в нем содержится определенное вещество (эпигаллокатехин-3-галлат), которое может активизировать гены-супрессоры (подавители) опухолевого роста, деметилируя их ДНК. В последние годы популярен модулятор эпигенетических процессов генистеин, содержащийся в продуктах из сои. Многие исследователи связывают содержание сои в рационе жителей азиатских стран с их меньшей подверженностью некоторым возрастным болезням.
Изучение эпигенетических механизмов помогло понять важную истину: очень многое в жизни зависит от нас самих. В отличие от относительно стабильной генетической информации, эпигенетические «метки» при определенных условиях могут быть обратимыми. Этот факт позволяет рассчитывать на принципиально новые методы борьбы с распространенными болезнями, основанные на устранении тех эпигенетических модификаций, которые возникли у человека под воздействием неблагоприятных факторов. Применение подходов, направленных на корректировку эпигенома, открывает перед нами большие перспективы.
Организма со средой при формировании фенотипа. Она изучает механизмы, при помощи которых, на основе генетической информации, заключенной в одной клетке (зиготе), за счет различной экспрессии генов в различных типах клеток, может осуществляться развитие многоклеточного организма, состоящего из дифференцированных клеток. Нужно отметить, что многие исследователи до сих пор относятся к эпигенетике скептически, поскольку в её рамках допускается вероятность негеномного наследования в качестве адаптивного ответа на изменения внешней среды, что противоречит доминирующей в настоящее время геноцетрической парадигме .
Примеры
Одним из примеров эпигенетических изменений у эукариот является процесс клеточной дифференцировки . Во время морфогенеза тотипотентные стволовые клетки формируют различные плюрипотентные клеточные линии эмбриона, которые в свою очередь дают начало полностью дифференцированным клеткам. Другими словами, одна оплодотворенная яйцеклетка - зигота - дифференцируется в различные типы клеток, включая: нейроны , мышечные клетки, эпителий , эндотелий сосудов и др., путем множественных делений. Это достигается активацией одних генов, и, в то же время, ингибированием других, с помощью эпигенетических механизмов .
Второй пример может быть продемонстрирован на мышах-полевках . Осенью, перед похолоданием, они рождаются с более длинной и густой шерстью, чем весной, хотя внутриутробное развитие «весенних» и «осенних» мышей происходит на фоне практически одинаковых условий (температуры, длины светового дня, влажности и т. д.). Исследования показали, что сигналом, запускающим эпигенетические изменения, приводящие к увеличению длины шерсти, является изменение градиента концентрации мелатонина в крови (весной он снижается, а осенью - повышается). Таким образом, эпигенетические адаптивные изменения (увеличение длины шерсти) индуцируются ещё до наступления холодов, адаптация к которым выгодна для организма.
Этимология и определения
Термин «эпигенетика» (как и «эпигенетический ландшафт») был предложен Конрадом Уоддингтоном в 1942 году, как производное от слов генетика и эпигенез. Когда Уоддингтон ввел этот термин, физическая природа генов не была до конца известна, поэтому он использовал его в качестве концептуальной модели того, как гены могут взаимодействовать со своим окружением при формировании фенотипа.
Робин Холлидэй определил эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в процессе развития организмов» . Таким образом, термин «эпигенетика» может быть использован, чтобы описать любые внутренние факторы, которые влияют на развитие организма, за исключением самой последовательности ДНК.
Современное использование этого слова в научном дискурсе является более узким. Греческий префикс epi- в слове, подразумевает факторы, которые влияют «поверх» или «в дополнение к» генетическим, а значит эпигенетические факторы воздействуют вдобавок или помимо традиционных молекулярных факторов наследствености.
Сходство со словом «генетика» породило много аналогий в использовании термина. «Эпигеном» является аналогом термина «геном», и определяет общее эпигенетическое состояние клетки. Метафора «генетический код» была также адаптирована, а термин «эпигенетический код» используется, чтобы описать набор эпигенетических особенностей, которые создают разнообразные фенотипы в различных клетках. Широко используется термин «эпимутация», которым обозначают вызванное спорадическими факторами изменение нормального эпигенома, передающееся в ряде клеточных поколений.
Молекулярные основы эпигенетики
Молекулярная основа эпигенетики достаточно сложна при том, что она не затрагивает структуру ДНК, а изменяет активность определенных генов. Это объясняет, почему в дифференцированных клетках многоклеточного организма экспрессируются только гены, необходимые для их специфической деятельности. Особенностью эпигенетических изменений является то, что они сохраняются при клеточном делении. Известно, что большинство эпигенетических изменений проявляется только в пределах жизни одного организма. В то же время, если изменение в ДНК произошло в сперматозоиде или яйцеклетке, то некоторые эпигенетические проявления могут передаваться от одного поколения к другому . В связи с этим возникает вопрос, действительно ли эпигенетические изменения в организме могут изменить базовую структуру его ДНК? (см. Эволюция).
В рамках эпигенетики широко исследуются такие процессы как: парамутация, генетический букмаркинг, геномный импринтинг , инактивация Х-хромосомы , эффект положения, материнские эффекты, а также другие механизмы регуляции экспрессии генов.
В эпигенетических исследованиях используется широкий спектр методов молекулярной биологии, в том числе - иммунопреципитация хроматина (различные модификации ChIP-on-chip и ChIP-Seq), гибридизация in situ , чувствительные к метилированию рестриктазы , идентификации ДНК-аденин-метилтрансферазы (DamID) и бисульфитное секвенирование . Кроме того, все большую роль играет использование методов биоинформатики (компьютерная эпигенетика).
Механизмы
Метилирование ДНК и ремоделирование хроматина
Эпигенетические факторы влияют на активность экспрессии определенных генов на нескольких уровнях, что приводит к изменению фенотипа клетки или организма. Одним из механизмов такого влияния является ремодуляция хроматина. Хроматин - это комплекс ДНК с белками гистонами: ДНК накручивается на белки гистоны, которые представлены сферическими структурами (нуклеосомами) в результате чего, обеспечивается её компактизация в ядре. От густоты расположения гистонов в активно экспрессирующихся участках генома зависит интенсивность экспрессии генов. Ремоделирование хроматина - это процесс активного изменения «густоты» нуклеосом и сродства гистонов с ДНК. Оно достигается двумя нижеописанными путями.
Метилирование ДНК
Наиболее хорошо изученным к настоящему времени эпигенетическим механизмом является метилирование цитозиновых оснований ДНК. Начало интенсивным исследованиям роли метилирования в регуляции генетической экспрессии, в том числе при старении, было положено ещё в 70-е годы прошлого века пионерскими работами Ванюшина Б. Ф. и Бердышева Г. Д. с соавт. Процесс метилирования ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование ДНК , в основном, присуще эукариотам. У человека метилировано около 1 % геномной ДНК. За процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a и DNMT3b). Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b - это de novo метилтрансферазы, которые осуществляют формирование паттерна метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а DNMT1 осуществляет метилирование ДНК на более поздних этапах жизни организма. Функция метилирования заключается в активации/инактивации гена. В большинстве случаев, метилирование приводит к подавлению активности гена, особенно при метилировании его промоторных областей, а деметилирование - к его активации. Показано, что даже незначительные изменения в степени метилирования ДНК могут существенно изменять уровень генетической экспрессии .
Модификации гистонов
Хотя модификации аминокислот в гистонах происходят на всей молекуле белка, модификации N-хвостов происходит значительно чаще. Эти модификации включают: фосфорилирование, убиквитилирование, ацетилирование, метилирование, сумоилирование. Ацетилирование является найболее изученной модификацией гистонов. Так, ацетилирование ацетилтрансферазой K14 и K9 лизинов хвоста гистона H3 коррелирует с транскрипционной активностью в данном районе хромосомы. Это происходит из-за того, что ацетилирование лизина меняет его положительный заряд на нейтральный, что делает невозможным его связь с негативно заряженными фосфатными группами в ДНК. В результате, происходит отсоединение гистонов от ДНК, что приводит к посадке на «голую» ДНК комплекса SWI/SNF и других транскрипционных факторов которые запускают транскрипцию. Это - «цис»-модель эпигенетического регулирования.
Гистоны способны поддерживать свое модифицированное состояние и выступать матрицей для модификации новых гистонов, которые связываются с ДНК после репликации .
Механизм воспроизведения эпигенетических меток более изучен для метилирования ДНК чем для гистоновых модификаций. Так, фермент DNMT1 имеет высокое сродство с 5-метилцитозином. Когда DNMT1 находит «полуметилированый сайт» (сайт в котором метилирован цитозин только в одной цепи ДНК), он метилирует цитозин на второй нити в том же сайте.
Прионы
МикроРНК
В последнее время большое внимание привлечено к изучению роли в процессах регуляции генетической активности малых интерферирующих РНК (si-RNA) . Интерферирующие РНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путем моделирования функций полисом и структуры хроматина.
Значение
Эпигенетическое наследование в соматических клетках играет важнейшую роль в развитии многоклеточного организма. Геном всех клеток почти одинаков, в то же время многоклеточный организм содержит различно дифференциированные клетки, которые по-разному воспринимают сигналы окружающей среды и выполняют различные функции. Именно эпигенетические факторы обеспечивают «клеточную память».
Медицина
Как генетические, так и эпигенетические явления оказывают значительное влияние на здоровье человека. Известно несколько заболеваний которые возникают из-за нарушения метилирования генов, а также из-за гемизиготности по гену, подверженному геномному импринтингу . Для многих организмов доказана связь активности ацетилирования/деацетилирования гистонов с продолжительностью жизни. Возможно, эти же процессы влияют и на продолжительность жизни людей.
Эволюция
Хотя эпигенетику, в основном, рассматривают в контексте клеточной памяти, существует также ряд трансгенеративных эпигенетических эффектов, при которых генетические изменения передаются потомкам. В отличие от мутаций, эпигенетические изменения обратимы и, возможно, могут быть направлены (адаптивны). Поскольку большинство из них исчезает через несколько поколений, они могут носить характер лишь временных адаптаций. Также активно обсуждается вопрос о возможности влияния эпигенетики на частоту мутаций в определенном гене . Было показано, что семейство белков цитозин-дезаминаз APOBEC/AID принимает участие как в генетической, так и в эпигенетичской наследственности, используя схожие молекулярные механизмы. У многих организмов было обнаружено более 100 случаев трансгенеративных эпигенетических явлений .
Эпигенетические эффекты у человека
Геномный импринтинг, и связанные с ним заболевания
Некоторые человеческие заболевания связаны с геномным импринтингом , феноменом при котором одни и те же гены имеют разный паттерн метилирования в зависимости от того, от родителя какого пола они получены. Самыми известными случаями заболеваний, связанных с импринтингом, являются синдром Ангельмана и синдром Прадера-Вилли. Причиной развития обоих является частичная делеция в регионе 15q . Это связано с наличием геномного импринтинга в данном локусе.
Трансгенеративные эпигенетические эффекты
Маркус Пембри (Marcus Pembrey) с соавторами установили, что внуки (но не внучки) мужчин, которые были подвержены голоду в Швеции в 19 веке, менее склонны к сердечно-сосудистым заболеваниям, но сильнее подвержены диабету, что, как считает автор, является примером эпигенетической наследственности .
Рак и нарушения развития
Многие вещества имеют свойства эпигенетических канцерогенов: они приводят к увеличению частоты возникновения опухолей, не проявляя при этом мутагенного эффекта (например: диэтилстилбестрола арсенит, гексахлорбензол, и соединения никеля). Многие тератогены , в частности диэтилстилбестрол, оказывают специфическое воздействие на плод на эпигенетическом уровне .
Изменения в ацетилировании гистонов и метилировании ДНК приводит к развитию рака простаты путем изменения активности различных генов. На активность генов при раке простаты может влиять питание и образ жизни .
В 2008 году Национальный Институт Здоровья США объявил, что 190 миллионов долларов будет потрачено на изучение эпигенетики в течение следующих 5 лет. По мнению некоторых исследователей, которые стали инициаторами выделения средств, эпигенетика может играть большую роль в лечении заболеваний человека, чем генетика.
Эпигеном и старение
В последние годы накоплено большое количество доказательств того, что эпигенетические процессы играют важную роль на поздних этапах жизни. В частности, при старении происходят широкомасштабные изменения паттернов метилирования. Предполагается, что эти процессы находятся под генетическим контролем. Обычно наибольшее количество метилированых цитозиновых оснований наблюдается в ДНК, выделенной из эмбрионов или новорожденных животных, и это количество постепенно уменьшается с возрастом. Подобное снижение уровня метилирования ДНК обнаружено в культивируемых лимфоцитах мышей, хомяков и людей. Оно имеет систематический характер, но может быть ткане- и геноспецифичным. Например, Tra с соавт. (Tra et al., 2002) при сопоставлении более чем 2000 локусов в Т-лимфоцитах, изолированных из периферической крови новорожденных, а также людей среднего и старшего возраста, выявили, что 23 из этих локусов с возрастом подвергаются гиперметилированию и 6 - гипометилированию, причем сходные изменения характера метилирования выявлены и в других тканях: поджелудочной железе, легких и пищеводе. Выраженные эпигенетические искажения выявлены у больных прогирией Хатчинсона-Гилфорда.
Предполагается, что деметилирование с возрастом приводит к хромосомным перестройкам за счет активации мобильных генетических элементов (МГЭ), которые обычно подавляются при помощи метилирования ДНК (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематическое возрастное снижение уровня метилирования может, по крайней мере отчасти, быть причиной возникновения многих комплексных заболеваний, которые нельзя объяснить с помощью классических генетических воззрений. Ещё одним процессом, происходящим в онтогенезе параллельно с деметилированием и влияющим на процессы эпигенетического регулирования, является конденсация хроматина (гетерохроматинизация), приводящая с возрастом к снижению генетической активности. В ряде работ возраст-зависимые эпигенетические изменения были продемонстрированы также в половых клетках; направление этих изменений, по всей видимости, является геноспецифичным.
Литература
- Несса Кэри . Эпигенетика: как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8 .
Примечания
- New research links common RNA modification to obesity
- http://woman.health-ua.com/article/475.html Эпигенетическая эпидемиология ассоциированных с возрастом заболеваний
- Holliday, R., 1990. Mechanisms for the control of gene activity during development. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431-471
- «Epigenetics». Bio-Medicine.org. Retrieved 2011-05-21.
- V.L. Chandler (2007). «Paramutation: From Maize to Mice». Cell 128 (4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501 .
- Jan Sapp, Beyond the Gene. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, «Concepts of organization: the leverage of ciliate protozoa» . In S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology Oxford University Press, 2003.
- Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0 .
- Verdel et al, 2004
- Matzke, Birchler, 2005
- O.J. Rando and K.J. Verstrepen (2007). «Timescales of Genetic and Epigenetic Inheritance». Cell 128 (4): 655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504 .
- Jablonka, Eva; Gal Raz (June 2009). «Transgenerational Epigenetic Inheritance: Prevalence, Mechanisms, and Implications for the Study of Heredity and Evolution». The Quarterly Review of Biology 84 (2): 131-176. doi:10.1086/598822. PMID 19606595 .
- J.H.M. Knoll, R.D. Nicholls, R.E. Magenis, J.M. Graham Jr, M. Lalande, S.A. Latt (1989). «Angelman and Prader-Willi syndromes share a common chromosome deletion but differ in parental origin of the deletion». American Journal of Medical Genetics 32 (2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235. PMID 2564739 .
- Pembrey ME, Bygren LO, Kaati G, et al.. Sex-specific, male-line transgenerational responses in humans. Eur J Hum Genet 2006; 14: 159-66. PMID 16391557 . Robert Winston refers to this study in a lecture; see also discussion at Leeds University, here
