), 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.
Наука
Что если ваше решение сегодня съесть еще один пакет чипсов или выкурить еще одну сигарету может повлиять не только на ваше здоровье, но и на здоровье ваших детей? Более того, что если ваш образ жизни влияет на здоровье ваших детей, ваших внуков и правнуков? Как оказалось, от нашего повседневного выбора зависит намного больше, чем мы себе представляли.
Традиционный взгляд на ДНК заключается в том, что она выражает себя через наши гены, которые помогают нам выживать, размножаться, развиваться, а также, что ДНК – это постоянная величина, заложенная природой на протяжении многих тысячелетий. Теперь, однако, представляется, что условия окружающей среды, такие как стресс, питание и окружение оказывают влияние на то, как ведет себя не только наша ДНК, но и ДНК наших детей, даже если они еще только в проекте.
Все это относится к сравнительно новой науке, которая называется эпигенетика. Ниже мы рассмотрим пять самых значимых открытий эпигенетики, а также что они означают для нашего здоровья.
5. То, что ДНК может сделать намного важнее, чем ее структура
ДНК – это важная структура, однако, она не ответственна за все. Подобные надзорные функции принадлежат эпигеному. Как описывал Джон Клауд (John Cloud), эпигеном берет бразды правления в верхней части генома и говорит каждому гену работать или нет посредством эпигенетических маркеров. Это основа эпигенетики, изучение изменений в поведении наших генов, которые могут быть переданы, фактически не изменяя наш генетический код. Потенциально, это означает, что наш организм может обладать биологическими реакциями на условия окружающей среды, которые позитивно или негативно сказываются на нашем здоровье, не меняя при этом ДНК.
К примеру, Клауд предлагает проиллюстрировать эпигенетику, рассмотрев близнецов, которые обладают идентичным генетическим материалом. Почему же тогда близнецы не страдают от одних и тех же заболеваний, таких как, к примеру, астма или психические расстройства? Играет ли в данном случае роль эпигенетика? В настоящее время именно этими вопросами и занята наука. Кроме того, исследователи изучают, существуют ли лекарственные препараты или методы, которые можно использовать для того, чтобы в лучшую сторону изменить генетическое поведение.
4. Когда дело доходит до развития заболевания, эпигенетика задает тон
Хорошо, что можно использовать ДНК в качестве козла отпущения, однако, есть и другие факторы, увеличивающие наши шансы на развитие того или иного заболевания, среди которых: экологические проблемы, плохое питание, социальные взаимодействия и воздействия окружающей среды, которые способствуют эпигенетическим изменениям.
Как отмечает Сара Бальдауф (Sarah Baldauf), специалист по эпигенетике, выражение эпигенетических изменений в более позднем возрасте может быть причиной возрастных заболеваний, таких, как, к примеру, болезнь Альцгеймера. "С возрастом, стареют и наши гены, поэтому они могут просто отключиться, что и приводит к болезни", - говорит она. Что это может означать? Исследователи надеются разработать препараты, которые будут управлять эпигенетическими изменениями и которые защитят нас или остановят болезнь.
Далее она приводит один пример работы исследовательской команды, которая обнаружила эпигенетические изменения у мышей, приведшие к развитию у грызунов волчанки. Однако, им удалось полностью вылечить мышей, создав лекарственный препарат, который вызвал эпигенетические изменения.
3. Эпигенетика тесно связана с развитием рака
Ранее раковые заболевания уже были включены в список потенциальных болезней, связанных с эпигенетическими изменениями. Эта тема заслуживает дальнейшего обсуждения из-за вероятности ее близкой связи с наукой.
Исследователи рассматривают возможность того, что изменения в эпигеноме вызывают рост опухоли. Некоторое время назад эксперты полагали, что рак связан либо с мутациями, из-за которых наши клетки перестают нас защищать либо с потерей этой защиты при делении клеток. Это правда, однако, существует и третья причина. Опухоли могут расти, потому что хорошие клетки с отличной защитой получают эпигенетический сигнал не выполнять свою работу. С помощью лекарственных препаратов и даже меняя образ жизни, мы, возможно, в будущем сможем изменить эпигенетическое поведение, и вернуть эти защитные клетки к работе.
На недавней конференции американского института раковых исследований была рассмотрена связь между эпигенетикой и раком. К примеру, один из специалистов Родерик Дэшвуд (Roderick Dashwood) описывал исследование, которое показало, что с помощью определенных продуктов питания, таких как брокколи, удалось "выключить" работу особых белков, которые развиваются в организме человека вместе с раком и не позволяют клетками умереть естественным путем.
2. Дородовой уход необходим для того, чтобы следить за эпигенетическими изменениями
Что произойдет, если беременную крысу подвергать воздействию инсектицидов и фунгицидов? Повлияет ли это на ее потомство? Безусловно, да. В ходе исследования во время такого воздействия произошли эпигенетические изменения, которые привели к увеличению случаев мужского бесплодия или же способствовали очень слабому производству спермы. Более того, эти эпигенетические изменения сохранились на протяжении следующих четырех (!) поколений. Поэтому дородовой уход является ключом к здоровью наших потомков и будущих поколений.
Таким образом, если дородовой уход важен, есть ли определенный период беременности, во время которого нужен особый контроль? Похоже, что так. Проведенное колумбийским университетом исследование связывает недостаточное питание во время беременности с негативными последствиями для здоровья ребенка на протяжении всей его жизни. Однако, еще более интригующим оказался тот факт, что особенно опасно недоедание в первые 10 недель беременности.
1. Эпигенетика связана не только с экологией, но и социальными взаимодействиями
Когда дело доходит до эпигенетики, подсчет того, сколько раз в день вы обнимаете своего ребенка, обретает совершенно иной смысл. Похоже, что эпигенетические изменения также связаны с социальными и поведенческими взаимодействиями.
Одно из проведенных исследований показало, что от того, как крыса ухаживает за своими детенышами, зависит поведение малышей в будущем и их эпигенетические маркеры. Более того, команда исследователей показала, что они могут восполнить нехватку заботы при помощи специальных лекарственных препаратов, тем самым меняя эпигенетический фон.
Что касается людей, то когда в их жизни происходят стрессовые ситуации, они также накладывают свой отпечаток на то, как ведет себя наш геном. Кроме того, эпигенетические изменения сохраняются даже после того, как гормон стресса покидает наш организм.
Почему некоторые курильщики живут более ста лет, а люди, ведущие здоровый образ жизни, могут тяжело болеть? На эти вопросы может ответить эпигенетика - наука, исследующая изменение активности генов, не затрагивающих структуру ДНК. T&P публикует обзор книги немецкого нейробиолога Петера Шпорка об одной из самых перспективных научных дисциплин.
Появление эпигенетики
Петер Шпорк пишет о сравнительно молодой науке. Название «эпигенетика» появилось в 1942 году, когда Конрад Уоддингтон, биолог из Англии, заложивший основы системной биологии, предложил этот термин как среднее между «генетикой» и аристотелевским «эпигенезом» - учением о последовательном эмбриональном развитии. Мы знаем о классическом эксперименте Аристотеля с разбиванием куриных яиц - с помощью него философу удалось установить, что сначала в зародыше формируется сердце, а возникновение внутренних частей предшествует развитию наружных. В 40-х, когда ученым была еще непонятна физическая природа генома, предположение Уоддингтона о эпигенетическом ландшафте было революционным.
По аналогии с географическим ландшафтом, на котором есть реки, текущие от истока к устью, можно представить себе развитие организма как течение реки - исток в данном случае станет зачатием, а устье - зрелостью. Однако не стоит забывать о рельефе, по которому пролегает речное русло: этой метафорой можно обозначить внешние условия, которые влияют на развитие организма. Лавина, камнепад или даже землетрясение могут иначе направить течение реки. Приспосабливаясь к новым условиям, организм претерпевает мутации, что составляет основу изменчивости - важнейшую часть биологической эволюции.
«То, что клетки передают по наследству только свой геном, больше не отвечает научной действительности»
Петер Шпорк
Нейрофизиолог
В 60-х и 70-х началось активное изучение генов. Теперь мы все знаем, что многие гены владеют информацией о структуре клетки и способах ее функционирования и активны в течение всей жизни человека. Однако ученые столкнулись с тем, что многие гены работают непостоянно, а режим их включения зависит от внешних факторов. Как раз такими механизмами и занимается эпигенетика - наука, исследующая изменение активности генов, не затрагивающее структуру ДНК. Таким образом, мнение о том, что все функции человеческого организма обусловлены последовательностью цепочки ДНК, опровергается эпигенетикой. Иными словами, эпигенетика может объяснить, как окружающая среда может влиять на включение и выключение наших генов. Первая Нобелевская премия за открытия в области эпигенетики была присуждена только в 2006 году - это были ученые из США.
Второй код
Шпорк сравнивает человеческие гены с компьютерным «железом». Хорошо иметь дорогую видеокарту и мощный процессор. Но что насчет софта? Разве без него можно выполнить самое элементарное действие - набрать текст, посмотреть изображение? Эпигенетики занимаются как раз программным обеспечением нашего организма. В ближайшей перспективе ученые намерены исследовать, как, изменяя свой образ жизни, мы можем научиться управлять нашими генами и продлевать жизнь - свою и наших потомков.
Генетика и ее печально известная прикладная отрасль, евгеника, предполагали, что только генетический материал влияет на состояние развития организма. Рэнди Джертл , биолог из Дюкского университета (Дарем, США), опровергнул это с помощью наглядного эксперимента: он давал генетически идентичным лабораторным мышам во время беременности различный корм. Мыши, родившиеся от матерей, употребляющих в пищу корм с биодобавками, были здоровыми и бурыми, а мыши, лишенные такого корма, рождались желтыми и болезненными. Эти изменения будут в дальнейшем влиять на всю последующую жизнь животных: плохое питание отключило в них некоторые гены, определяющие цвет шерсти и сопротивляемость болезням. Гены эмбрионов на момент кормления были уже сформированными и не подвергались воздействию - следовательно, воздействию подвергалось что-то еще. Как раз этими механизмами воздействия и занимается эпигенетика - «над-генетика», изучающая эпигеномы, расположенные как бы над геномом клеток.
«Благодаря эпигеному клетки обладают памятью»
Ренато Паро
Профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха
Правда в том, что если бы только геном, состоящий из всего лишь четырех различных компонентов, своего рода «монтажная схема», определял бы наше развитие, то мы бы были все примерно одинаковые. «Даже шимпанзе мало чем отличались бы от нас», - пишет Шпорк. Именно благодаря эпигеному, «второму коду», наш организм способен выстраивать клетки разных типов - волоса, печени, мозга, - хотя в них один и тот же геном. Эпигеном, таким образом, - это указания насчет того, как управлять геномом. Именно он отвечает за активацию и дезактивацию определенных генов и программирует скорость старения клеток. Очевидно, что, если бы каждая клетка одновременно считывала все свои гены и синтезировала все возможные белки, организм не смог бы функционировать. То, чему нас учили в школе, что клетки передают по наследству только свой геном, больше не отвечает научной действительности. На самом деле клетки наследуют и эпигеном.
«Эпигенетические переключатели определяют, какие именно гены клетка в принципе может использовать, а какие - нет. Таким образом эпигеном создает грамматику, структурирующую текст жизни».
Петер Шпорк
Нейрофизиолог
Влияние эпигенетики на геронтологию огромно. Теперь ученые знают, что несмотря на существование неизменного генома, судьба человека в большой степени в его собственных руках. «Измените стиль жизни - и вы положите начало цепочке биохимических изменений, которые станут незаметно, но неуклонно помогать и вам, и, возможно, всем вашим потомкам до конца их жизни на Земле», - предлагает Шпорк. И, несмотря на то, что это высказывание походит на то, что обещают все мировые религии, оно имеет под собой строгие биологические основания.
После того как в 2003 году эпохально завершился проект «Геном человека», ученые столкнулись с новыми проблемами. Фармацевты уже надеялись на новые генные препараты, но оказалось, что сбой функции какого-то определенного гена редко приводит к развитию болезни, которую можно диагностировать заранее. Все оказалось куда сложнее, чем выглядело в начале. Ученые узнали, что геном не устойчивый текст. Число генов может увеличиваться, например, в 16 раз, а сами гены - модифицироваться, дробиться и снова состыковываться: такие гены называются транспозонами .
Ученые делали ставки на своеобразном генном тотализаторе - они должны были угадать, сколько генов будет у человека по окончанию исследований. Оценки разнились - количество генов прыгало от 27 до 160 тысяч. После окончания секвенирования генома человека в 2003 году выяснилось, что генетический код амебы в двести раз длиннее человеческого, - последний составляет лишь примерно 22 тысячи генов. Почему же сложность организмов не отражается в их ДНК? Или, может быть, у более сложных организмов ДНК более компактная? Но что тогда делать с дрожжами, у которых ДНК в двести раз короче человеческой?
Эпигенетика ответила на вопрос о том, как у человека может быть генов меньше, чем у амебы или сорняка: высшие организмы способны синтезировать из одной «схемы» множество вариантов белков. Иными словами, все дело в генной регуляции - она появляется только у сложных организмов, и чем она сложнее, тем разнообразнее устроена его жизнедеятельность. Таким образом, несмотря на небольшое количество генов, человек, благодаря своему эпигеному, гораздо сложнее других организмов. Этот же тезис эпигенетиков отвечает и на другой популярный вопрос: почему мы мало отличаемся от шимпанзе, если совпадение наших геномов - 98,7%? Несмотря на то, что различия в генетическом материале минимальны, эпигенетические различия - огромны.
«Раз окружающая среда влияет на изменение наших эпигеномов, разрыв между биологическими и социальными процессами практически ликвидируется. И это в корне меняет наш взгляд на жизнь»
Ведущий специалист Университета МакДжил, Монреаль
Еще один вопрос, который можно было задать эволюционным биологам еще несколько десятилетий назад, - как человек приспосабливается к внешней среде в долгосрочной перспективе? Ранее наука знала только о двух крайностях - эволюции, которая требует тысяч лет, и гормональных изменениях, работающих сверхбыстро. Однако между ними оказался немаловажный срединный механизм - эпигенетические переключатели. Именно они формируют наше приспособление к окружающей среде на срок, соизмеримый со сроком человеческой жизни. Особенно важно, что изменения, произведенные ими, будут действовать долгосрочно - даже если в клетку не будут поступать новые сигналы. Так становится понятнее, почему питание нашей матери или ранние детские переживания могут влиять на всю дальнейшую жизнь. Но не стоит думать, что эпигеном - абсолютно неподвижная система. Человек способен менять свойства своего организма, как в лучшую, так и в худшую сторону.
Как эпигеном действует на
бабочек, муравьев и пчел
Нужно заметить, что эпигенетическая система - привилегия не только человека. Петер Шпорк описывает, как в детстве он наблюдал за превращениями гусеницы бражника. Примитивная гусеница смогла заново переродиться в прекрасную бабочку с помощью эпигенетических изменений. За зиму миллиарды клеток гусеницы трансформировались - изменились ее метильные и ацетильные группы, перестроилась РНК, изменилась форма гистонов - все эти изменения имели отношение не к генетике, а к эпигенетике. В ДНК каждой клетки бражника существуют генетические коды и гусеницы и бабочки. Но переключение между двумя этими схемами полностью зависит от эпигенетического кода.
«Геном и белки функционируют как одна огромная библиотека: ДНК содержит тексты, а эпигенетические структуры выполняют функции библиотекарей, каталогов и указателей, распоряжающихся информацией и упорядочивающих ее».
Петер Шпорк
Нейрофизиолог
Другой пример важности эпигенома - медоносные пчелы, развивающиеся поначалу как одинаковые личинки. На момент, когда они выбираются из яиц, природой еще не решено, кто из них будет маткой, а кто - рабочей пчелой. Все они обладают потенциалом стать пчелиной королевой. За три дня после вылупления, когда пчелы-няньки кормят личинок маточным молоком, особи дифференцируются. Это напрямую зависит от питания - некоторых личинок постепенно переводят на корм из обычной пыльцы и нектара. Но других вплоть до окукливания кормят «королевским желе», которое содержит витамины и фолиевую кислоту , влияющие на эпигеном. В 2008 году группе австралийских исследователей удалось получить пчелиных маток без молочка - они только манипулировали эпигенетическими переключателями.
Влияние внешней среды и эпигеном важны и для муравьев. Самые большие из них - солдаты - в триста раз больше, чем садовники, которые ухаживают за грибами. Несмотря на такие различия, все эти муравьи - один вид и, мало того, «единоутробные» братья и сестры. Ученые склоняются к тому, что температура и влажность места, в котором развивается личинка муравья, и есть решающий фактор, определяющий его будущую «касту». Восприимчивый эпигеном муравьев, считывая сигналы внешней среды, включает различные гены, и муравей развивается одним из возможных способов.
Как эпигенетика позволит прожить дольше
Впрочем, для всего человечества актуальнее всего вопрос о том, как открытия эпигенетики повлияют на продолжительность жизни человека. «Почему от рака умирают люди, которые регулярно занимались спортом, никогда не курили и всю жизнь придерживались здорового питания? Почему одни уже в семьдесят лет страдают болезнью Альцгеймера, а другие встречают свой столетний юбилей в здравом уме и трезвой памяти?» - задается вопросами Петер Шпорк. Важно, что эпигенетические исследования показали - очень редко один измененный, «неправильный» ген отвечает за заболевание. Роль генов в заболеваниях ожирением, диабетом или инфарктом сильно преувеличена - для расстройства должны сойтись множество факторов. Болезни возникают не только из-за плохой наследственности, но и из-за влияния окружающей среды - следовательно, то, что мы едим в течение жизни, может изменить эпигенетические системы. Мало того, эпигенетические переключатели могут обезвредить уже мутировавшие гены. С помощью такого «лечения» наш эпигеном (если он хорошо работает) снижает риск возникновения, к примеру, рака или сердечной недостаточности. Однако эпигеном может и навредить, выключая нужные гены.
Ответ на вопрос о том, почему люди, ведущие здоровый образ жизни, могут тяжело болеть, кроется в особенностях эпигенетических переключателей: большинство из них действуют уже в утробе матери или в первые годы жизни. Самые первые решения эпигенетической системы могут влиять на человека всю его жизнь, так как на ранней стадии эпигеном как бы закладывает «русло» эпигенетического ландшафта, обуславливая свой дальнейший путь развития.
«Долины эпигенетического ландшафта со временем только углубляются. Это означает, что в преклонных годах на наше здоровье порой гораздо сильнее влияет рацион нашей матери в период беременности, чем пища в текущий момент жизни. А смесь сигнальных веществ, поступавших в наш мозг за несколько месяцев до рождения и уже после нашего появления на свет, часто определяет личность сильнее, чем воспитание, которое мы получаем в течение многих последующих лет».
Петер Шпорк
Нейрофизиолог
Ученые выяснили, что главная цель эпигеномов - сразу качественно «заморозить» реакции на окружающую среду, чтобы решения, когда-то принятые организмом, сохранялись как можно дольше. Примером может послужить развитие потовых желез - у всех людей есть одинаковое их количество, но все потеют по-разному. Это происходит из-за того, что первые три года жизни потовые железы не активны, а сколько из них активируется, зависит от температуры окружающей среды. Те, кто родился, например, в Африке, будут больше потеть на протяжении жизни - где бы они ни жили, - чем рожденные в Германии. Но когда даже в теплую погоду родители кутают детей, природный механизм нарушается, и дети на всю жизнь остаются потливыми.
Так происходит эпигенетическое программирование в раннем детстве, но не стоит думать, что человек обречен, если не предпринять позитивные шаги в самом раннем возрасте. Для людей, что не обладают хорошим иммунитетом, полезно предпринимать большие усилия, чтобы перепрограммировать свой «софт». К примеру, врачи, для того, чтобы избежать врожденной болезни детей Spina bifida - синдрома расщепленного позвоночника - советуют женщинам еще до зачатия начать принимать фолиевую кислоту, которую добавляют в соль. В США и Канаде ее даже предписано законом добавлять в муку. Позитивное воздействие фолиевой кислоты связано с тем, что она стимулирует работу эпигенетического фермента: так, помогая своей эпигенетической системе, можно подавить предрасположенность к болезням.
Петер Шпорк не советует впадать в панику, пообедав однажды в фастфуде: здоровая еда должна стать нормой, но не обязательно делать из нее культ. Пищевое разнообразие куда лучше витаминных препаратов: свежие овощи и фрукты быстрее обогатят наш организм. Но если говорить о природных стимуляторах эпигенома, то можно составить своеобразное «эпигенетическое меню». В него обязательно будут входить соя, куркума и зеленый чай. Именно эти продукты лучше всего стимулируют систему ферментов эпигенома так, чтобы он производил позитивные изменения в наших клетках. Впрочем, не стоит забывать о токсинах, которые однозначно вредны для эпигенетической системы, особенно на ранних этапах развития. Это, безусловно, пестициды, никотин, алкоголь и большие дозы кофеина, а также соединение бисфенол-А, содержащееся в пластиковых бутылках и во внутреннем покрытии жестяных банок. Это вещество переходит из полимеров прямо в продукты питания.
Острова долголетия
Ученые-эпигенетики, сравнивая биографии долгожителей, обнаружили интересную закономерность. Например, что общего между 122-летней Жанной-Луизой Кальман из Франции, которая бросила курить в 119 (только из-за того, что не могла самостоятельно закурить) и пила портвейн, и жителями японского архипелага Рюкю, живущих до ста лет? Как выясняется, почти все долгожители обитали в местах с мягким климатом, много времени проводили на свежем воздухе, двигались и питались здоровой пищей. Еще один фактор - зачастую долгожители едят маленькими порциями, и скорее немного недоедают, уходя из-за стола чуть-чуть голодными. Вкупе с физической и умственной активностью такая стратегия может сделать из человека не только долгожителя, но и здорового: такие люди не болеют даже в старости, и умирают в основном от износа органов. Нужно заметить, что среди долгожителей было мало фанатиков здоровья: никто из них не вел аскетический образ жизни, а некоторые из них, такие как Кальман, даже курили - впрочем, эта привычка не смогла ей повредить скорее из-за силы ее эпигенетической системы.
Подытоживая свою книгу, Петер Шпорк напоминает об исследованиях, проводимых среди голодающих во время Второй мировой в Нидерландах. Благодаря метрическим книгам мы знаем, что многие дети, которых вынашивали в голодное время, рождались с меньшей продолжительностью жизни и низким ростом. Цепочка продолжалась: эти дети, вырастая, рожали, в свою очередь, тоже очень маленьких детей, хотя жили в условиях изобилия. Эпигенетические изменения не стоит недооценивать: нужно помнить, что весь вред, что мы причиняем себе, будет действовать и на последующие поколения, передаваясь через эпигенетическую систему, поэтому каждый из нас несет колоссальную ответственность.
Но как же тогда нужно жить? Шпорк предупреждает фанатиков здорового образа жизни: алкоголь, картошка фри и ленивые вечера перед компьютером не нужно вычеркивать из жизни, так как это может привести к более вредным стрессам. Главное, чтобы все это не стало привычкой и образом жизни. Эпигенетика не культ вегетарианства или абстиненции; она лишь указывает на то, что в жизни есть критические периоды развития, когда наши эпигеномы очень чутко откликаются на раздражители внешней среды. Поэтому беременным женщинам нужно особенно внимательно относиться к своему здоровью, больным людям - положительно влиять на свое здоровье при помощи физических и умственных усилий, а здоровым - следить за собой и своими близкими и думать о здоровье
внуков.
«Нам самим и нашим родителям в значительной мере предоставлено решать, куда направить свой геном - а возможно, даже геном своих потомков».
Петер Шпорк
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.
