У двух генетически идентичных однояйцевых близнецов мужского пола, росших в одних и тех же условиях, проявлялись очень разные неврологические функции. Оба близнеца несли одну и ту же мутацию в сцепленном с Х-хромосомой гене адренолейкодистрофии ( ALD), однако у одного из близнецов наблюдались: слепота , проблемы с равновесием и утрата миелина в головном мозге - черты, типичные для прогрессирующего и летального неврологического заболевания, тогда как второй близнец оставался здоровым. Вывод исследователей, сообщавших об этой ситуации, был таков: "для разных фенотипов ADL могут быть важны какие-то негенетические факторы" ( Korenke et al., 1996). Для 1996 года это был поистине очень важный вывод, при том, что внимание медицинской цитогенетики было сфокусировано на последовательности нуклеотидов ДНК. Если фенотипические вариации нельзя объяснить нуклеотидной последовательностью ДНК, то их можно объяснить внешними факторами. По аналогии с ALD-дискордантными однояйцевыми близнецами, было обнаружено множество однояйцовых близнецов, дискордантных по шизофрении , несмотря на сходные внешние условия, в которых они росли ( Petronis, 2004). К счастью, исследования последнего десятилетия окончательно сфокусировали внимание на эпигенетических изменениях (модификациях генетической информации, не затрагивающих последовательность нуклеотидов в ДНК) как на потенциальном объяснении дискордантных фенотипов у однояйцовых близнецов и у индивидуумов, имеющих, по тем или иным причинам, одинаковые изменения в последовательности ДНК ( Dennis, 2003 ; Fraga et al., 2005).

Эпигенетические модификации контролируют паттерны экспрессии генов в клетке. Эти модификации стабильны и наследуемы, так что материнская клетка печени после деления, безусловно, даст начало другим клеткам печени. В случае с неделящимися клетками, такими как нейроны, адаптация участков хромосомы посредством модификаций хроматина дает механизм для поддержания (сохранения) эпигенетической информации и, возможно, опосредует воспроизводимый ответ нейронов на специфические раздражители. Эпигенотип (эпигенетическое состояние геномного локуса) устанавливается на основе наличия или отсутствия метилирования ДНК , модификаций хроматина и разнообразной активности некодирующих РНК, требующей дальнейшего прояснения.

У млекопитающих метилирование ДНК, являющееся наиболее хорошо изученным эпигенетическим сигналом, осуществляется преимущественно по углероду-5 симметричных динуклеотидов CpG . Состояние метилирования ДНК сохраняется после деления клетки посредством активности ДНК-метилтрансферазы 1, которая метилирует полуметилированные динуклеотиды CpG в дочерних клетках. Модификации хроматина включают ковалентные посттрансляционные модификации торчащих амино-терминальных гистоновых "хвостов" путем добавления к ним ацетильных, метильных, фосфатных, убиквитиновых или других групп. Метильные модификации могут представлять собой моно-, ди-, или три-метилирование. Эти модификации составляют потенциальный " гистоновый код ", лежащий в основе специфической хроматиновой структуры, которая, в свою очередь, влияет на экспрессию соседних генов. Так как хроматин состоит из плотно упакованных цепей ДНК, завернутых вокруг гистонов, паттерн укладки ДНК в хроматин несомненно лежит в основе изменений генной активности. Хотя гистоновые коды и хроматиновые структуры могут стабильно передаваться от родительской в дочерние клетки, механизмы, лежащие в основе репликации таких структур, поняты не полностью. Эпигенотип проявляет пластичность во время эмбрионального развитая и постнатально, в зависимости от факторов внешней среды и жизненного опыта (см. далее " Взаимодействие эпигенетики и окружающей среды "); таким образом, не удивительно, что эпигенотипы могут вносить свой вклад не только в нарушения эмбрионального развития человека, но также в постнатальную патологию и даже заболевания взрослых людей. Обнаруженный сравнительно недавно класс молекул, играющих роль в эпигенетическом сигнале, - это молекулы некодирующих РНК . Многие годы класс не кодирующих белки РНК (non-protein-coding RNA - ncRNA) включал в себя только транспортные, рибосомные и сплайсосомную РНК. Однако, благодаря тому, что стали доступны нуклеотидные последовательности геномов множества разнообразных организмов, а также благодаря молекулярно-генетическим межвидовым исследованиям (от Escherichia coli до человека), список ncRNA расширился, и это привело в результате к идентификации сотен малых ncRNAs, в том числе малой ядрышковой РНК (small nucleolar RNA - snoRNA), микроРНК (micro RNA - miRNA), коротко-интерферирующей РНК (short-interfering RNA - siRNA) и малой двунитевой РНК . Некоторые из этих молекул малых РНК регулируют модификации хроматина, импринтинг, метилирование ДНК и транскрипционный сайленсинг, что детально обсуждается в главе " RNAi и сборка гетерохроматина ".

Первое определенное свидетельство роли, которую эпигенетика играет в заболеваниях человека, имело место после того, как поняли геномный импринтинг и нашли, что некоторые гены регулируются с помощью этого механизма ( Reik, 1989). Геномный импринтинг - это форма эпигенетической регуляции, при которой экспрессия гена зависит от того, унаследован ли этот ген от матери или же от отца. Таким образом, в импринтированном диплоидном локусе имеет место неравная экспрессия материнской и отцовской аллелей. В каждом поколении родительски- специфичные импринтные метки должны стираться, "перезагружаться" и поддерживаться, делая, таким образом, импринтные локусы уязвимыми по отношению к любого рода ошибкам, которые могут происходить во время этого процесса. Такие ошибки, как и мутации генов, кодирующих белки, которые участвуют в метилировании ДНК , связывании с метилированной ДНК и модификациях гистонов , - все это вместе вносит свой вклад в быстро растущий класс нарушений, влияющих на

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 .

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

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 .

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 .

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 .

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 .

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.

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»

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

), 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

1. New research links common RNA modification to obesity
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Эпигенетическая эпидемиология ассоциированных с возрастом заболеваний
4. Holliday, R., 1990. Mechanisms for the control of gene activity during development. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431-471
5. «Epigenetics». Bio-Medicine.org. Retrieved 2011-05-21.
6. V.L. Chandler (2007). «Paramutation: From Maize to Mice». Cell 128 (4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501 .
7. 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.
8. Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0 .
9. Verdel et al, 2004
10. Matzke, Birchler, 2005
11. 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 .
12. 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 .
13. 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.

За последние десятилетия исследования показали, что прогрессивные изменения в эпигенетической информации сопровождают процесс старения делящихся и неделящихся клеток.

Функциональные исследования простых организмов и сложных как человек показывают, что эпигенетические изменения оказывают огромное влияние на процесс старения. Эти эпигенетические изменения происходят на различных уровнях, в том числе снижение массового уровня основных гистонов.

Гистоны – белки, связывающие непосредственно ДНК

У ребенка клетки в пределах каждого типа аналогичны. Во время жизни спорадически эпигенетическая информация меняется в зависимости от экзогенных и эндогенных факторов (внешних условий). В результате ненормального состояния хроматина характерны различные варианты изменения ДНК, включая мутации ДНК.

Биологическая предрасположенность старения

Старение организма – сложный многофакторный биологический процесс, общий для всех живых организмов. Он проявляется постепенным снижением нормальных физиологических функций в зависимости от времени. Биологическое старение организма имеет важное значение для здоровья человека, потому что с возрастом увеличивается восприимчивость ко многим болезням, включая рак, метаболические расстройства, такие как диабет, сердечно-сосудистые нарушения и нейродегенеративные заболевания. С другой стороны, старение клеток, также называемое репликативная деградация, является специализированным процессом и рассматривается как потенциальный эндогенный противоопухолевый механизм при котором происходит необратимый рост потенциальных онкогенных стимулов. Клеточное старение носит много общего с процессом старения, но и показывает отличительные черты. Хотя причины старения недостаточно изучены, продолжаются усилия, чтобы очертить пути долголетия.

В последние годы большие успехи достигнуты в ходе многочисленных исследований, что эффективно проявляется на клеточных и молекулярных признаках старения. Среди этих признаков эпигенетические изменения являются одними из важнейшим механизмов ухудшения функции клеток, наблюдаемые при старении и возраст-зависимых заболеваний.

Эпигенетика изучает закономерности изменения генов

По определению эпигенетика представляет обратимый наследственный механизм который происходит без какого-либо изменения базовой последовательности ДНК, а также происходит репарация ДНК.

Репарация ДНК – способность исправлять повреждения

Хотя хромосомы в геноме несут в себе генетическую информацию, эпигеном, ответственным за функциональное использование и стабильность является генотип с фенотипом – общими характеристиками. Эти эпигенетические изменения могут быть спонтанными или под влиянием внешних или внутренних воздействий. Эпигенетика потенциально служит недостающим звеном, чтобы объяснить, почему картина деградации отличается от двух генетически идентичных особей, таких, как однояйцовые близнецы, или же, в животном мире, между животными с одинаковой генетической структурой, например, матки и рабочих пчел.

Исследования долголетия населения показали, что генетические факторы могут объяснить от 20 до 30% различий наблюдаемых в продолжительности жизни близнецов, большинство остального разброса возникло через эпигенетическое изменение в течение своей жизни – различное влияние окружающей среды, включая питание.

Например, различные дифференциальные изменения хранимой эпигенетической информации создает поразительный контраст во внешности, репродуктивном поведении и продолжительности жизни рабочих пчел и матки, несмотря на идентичное содержание ДНК.

Таким образом, эпигенетика открывает большие перспективы для выбора лечебных мероприятий при генетических изменениях, которые в настоящее время технически необратимы в организме человека. Соответственно, определение и понимание эпигенетики и эпигенетических изменений, которые происходят во время старения, является основной областью исследования, которое может проложить путь к разработке новых терапевтических подходов к задержке старения и возрастных заболеваний.

Эпигенетические изменения при старении

Существуют различные типы эпигенетической информации, закодированной в наш эпигеном, включая, но не ограничиваясь наличием или отсутствием гистонов на какой-либо конкретной последовательности ДНК.

Эти различные типы эпигенетической информации составляют наш эпигеном и являются важными определяющими факторами функционирования и судьбу всех клеток и тканей организма как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Несомненно, каждый из этих различных видов эпигенетической информации является функционально значимым для процесса старения.

Все больше свидетельств в последние годы также явно указывают на структуру хроматина, который несет много эпигенетической информации, как основного игрока в процессе старения. Основная единица структуры хроматина является нуклеос, который состоит из 147 пар оснований ДНК обернутых вокруг гистонов. Упаковка геномной ДНК в высокоорганизованную структуру хроматина регулирует все геномные процессов в ядре, в том числе репликацию ДНК, транскрипцию, рекомбинацию и репарацию ДНК, контролируя доступ к ДНК.

Хроматин – вещество хромосом

Исследования на людях и различных моделей деградации свидетельствуют о прогрессирующей потери конфигурации при старении хромосомной архитектуры, целостность генома и экспрессия генов. Исследования подтвердили, что все эти эффекты в основном сохраняется на всем пути от одноклеточных организмов, таких как дрожжи, до сложных многоклеточных как человек. Эти сохраняющиеся механизмы помогают получить более четкое представление о процессе старения. Эпигенетические изменения в значительной степени влияют на процесс старения для последующих достижений в области эпигенетики и выявления возможных перспективных направлений.

Сокращение гистона при старении

Репликативное нарушение сопровождается потерей примерно половина основных гистоновых белков.

Гистоны – белки ДНК

Резкое снижение основных гистоновых белков обусловлено снижением синтеза белков гистонов. У человека, снижение синтеза новых гистонов во время деградации является следствием роста укороченной , которые активируются в ответ на повреждение ДНК, потенциально объясняя механизм укорочения теломер ограничением числа делений клеток. Следовательно, потери основных гистонов может быть более обобщенное явление, наблюдаемое с возрастом у многих организмов.

Процесс старения, несомненно, является сложным. В организме жизни, старение клетки претерпевает множество изменений и происходит накопление повреждений макромолекул. Фенотип старения проявляется путем суммирования изменений различных сигналов.

Генетические и экологические изменения однозначно важно расшифровать для действия конкретного фактора на процесс долголетия. Становится очевидным механистически, что многие из тех факторов, которые влияют на продолжительность жизни, действуют главным образом путем модификации эпигенома. Несомненно, эпигенетическое влияние на процессы старения должны быть включены в нашем нынешнем понимании старения.

Старение клетки

Молодые здоровые клетки поддерживают эпигенетическое состояние, что способствует образованию компактной структуры гистона и регуляции основных биологических процессов. Однако старение клетки испытывают изменения во всех аспектах. Обратимый характер эпигенетических механизмов позволяет восстановить или обратить вспять некоторые из этих фенотипов для достижения более молодой клетки. В то время как некоторые молекулярные изменения при старении могут быть классифицированы как причина старения, другие изменения просто сопровождают процесс старения. Однако, характеризуя причины и последствия деградации, нужно внимательно проанализировать экспериментальные результаты, поскольку большинство соответствующих путей взаимосвязаны.

Постоянное сочетание функционального анализа и молекулярного анализа в разных возрастных группах, у разных организмов и разных типах тканей даст всю необходимую информацию чтобы постичь этот эволюционно законсервированный основной процесс с целью разработки терапевтических мероприятий, чтобы противодействовать возраст-индуцированным осложнениям. Центральное понятие складывается для разработки эпигенетических препаратов или даже эпигенетического питания.

Таким образом, основные проблемы, которые будут доминировать на поле в ближайшем будущем будет достижение иерархического понимания того, как эпигенетика влияет на процесс старения и понимание долгосрочных эффектов лечебных вмешательств на эпигеном в стареющем человеке, учитывая взаимосвязанность эпигенетических механизмов.
Несколько важные выводы вытекают из этих исследований: генетическая предрасположенность старения 20-30 %, а остальное в нашей жизни во многом определяется питанием и другими воздействиями внешней среды.

Результаты обеспечивают лучшее понимание механизмов вовлеченных в процесс старения. Учитывая обратимый характер эпигенетической информации, исследования подчеркивают огромные возможности для терапевтического вмешательства при старении и возраст-ассоциированных заболеваний, включая рак.