Епігенетичні маркери. Епігенетика: теоретичні аспекти та практичне значення. Спробуємо розібратися в основах

4612 0

Останніми роками медична наука дедалі більше переключає свою увагу вивчення генетичного коду на таємничі механізми, з допомогою яких ДНК реалізовує свій потенціал: упаковується і взаємодіє з протеїнами наших клітин.

Так звані епігенетичні фактори успадковуються, оборотні та відіграють колосальну роль у збереженні здоров'я цілих поколінь.

Епігенетичні зміни в клітині можуть запускати рак, неврологічні та психічні захворювання, аутоімунні порушення – не дивно, що епігенетика приковує увагу лікарів та дослідників із різних областей.

Недостатньо, щоб у ваших генах було закодовано правильну послідовність нуклеотидів. Експресія кожного гена – це неймовірно складний процес, який потребує ідеальної координації дій одразу кількох молекул-учасників.

Епігенетика створює для медицини та науки додаткові проблеми, в яких ми тільки починаємо розумітися.

Кожна клітина нашого тіла (за небагатьма винятками) містить одну й ту саму ДНК, подаровану батьками. Проте не всі частини ДНК можуть одночасно бути активними. У клітинах печінки працюють одні гени, у клітинах шкіри інші, у нервових клітинах треті – саме тому наші клітини разюче відрізняються одна від одної та мають власну спеціалізацію.

Епігенетичні механізми гарантують, що у клітці певного типу працюватиме код, властивий лише цьому типу.

Протягом людського життя ті чи інші гени можуть спати або раптово активуватися. На ці малозрозумілі зміни впливають мільярди життєвих подій – переїзд у нову місцевість, розлучення із дружиною, відвідування спортзалу, похмілля чи зіпсований бутерброд. Практично всі події у житті, великі та маленькі, здатні позначитися на активності тих чи інших генів усередині нас.

Визначення епігенетики

Протягом багатьох років слова «епігенезис» та «епігенетика» використовувалося в різних областях біології, і лише порівняно недавно вчені прийшли до консенсусу, встановивши їх остаточне значення. Тільки в 2008 році на зустрічі в Колд-Спрінг-Харбор з плутаниною було покінчено раз і назавжди – було запропоновано офіційне визначення епігенетики та епігенетичних змін.

Епігенетичні зміни - це успадковані зміни в експресії генів та фенотипі клітини, які не торкаються послідовності самої ДНК. Під фенотипом розуміють всю сукупність характеристик клітини (організму) – у разі це структура кісткової тканини, і біохімічні процеси, інтелект і поведінка, відтінок шкіри колір очей тощо.

Звичайно, фенотип організму залежить від його генетичного коду. Але що далі вчені заглиблювалися у питання епігенетики, то очевидніше ставало, деякі характеристики організму успадковуються через покоління без змін генетичного коду (мутацій).

Для багатьох це стало одкровенням: організм може змінюватися без зміни генів і передавати ці нові риси нащадкам.

Епігенетичні дослідження останніх років довели, що фактори довкілля – проживання серед курців, постійні стреси, неправильне харчування – можуть призвести до серйозних збоїв у функціонуванні генів (але не в їх структурі), і що ці збої легко передаються майбутнім поколінням. Хороша новина в тому, що вони є оборотними, і в якомусь N-му поколінні можуть розчинитися без сліду.

Щоб краще зрозуміти силу епігенетики, уявимо наше життя у вигляді довгого кіно.

Наші клітини – актори та актриси, а наша ДНК – це заздалегідь підготовлений сценарій, у якому кожне слово (ген) дає акторському складу потрібні команди. У цій картині епігенетика – режисер. Сценарій може бути тим самим, але режисер наділений владою видаляти певні сцени та фрагменти діалогів. Так і в житті епігенетика вирішує, що і як скаже кожна клітина нашого великого тіла.

Епігенетика та здоров'я

Метилювання, зміни в білках-гістонах або нуклеосомах («пакувальниках ДНК») можуть успадковуватися та призводити до хвороб.

Найбільш вивченим аспектом епігенетики є метилювання. Це процес приєднання метильних (СН3-) груп до ДНК.

Зазвичай метилювання впливає транскрипцію генів – копіювання ДНК на РНК, чи перший крок у реплікації ДНК.

Дослідження 1969 року вперше показало, що метилювання ДНК здатне змінити довготривалу пам'ять індивіда. З того моменту роль метилювання у розвитку численних захворювань стала зрозумілішою.

Захворювання імунної системи

Зібрані за останні роки факти свідчать про те, що втрата епігенетичного контролю над складними імунними процесами може призвести до аутоімунних захворювань. Так, аномальне метилювання в Т-лімфоцитах спостерігають у людей, які страждають на вовчак – запальне захворювання, при якому імунна система вражає органи і тканини господаря.

Інші вчені впевнені, що метилювання ДНК – справжня причина розвитку ревматоїдного артриту.

Нейропсихіатричні захворювання

Деякі психічні хвороби, розлади аутистичного спектру та нейродегенеративні захворювання пов'язані з епігенетичним компонентом. Зокрема, із ДНК-метилтрансферазами (DNMT) – групою ферментів, що передають метильну групу на нуклеотидні залишки ДНК.

Вже практично доведено роль метилювання ДНК у розвитку хвороби Альцгеймера. Велике дослідження виявило, що навіть за відсутності клінічних симптомів гени нервових клітин у хворих, схильних до хвороби Альцгеймера, метильовані інакше, ніж у нормальному мозку.

Теорія про роль метилювання у розвитку аутизму було запропоновано давно. Численні розтини з вивченням мозку хворих людей підтверджують, що в їх клітинах недостатньо протеїну MECP2 (метил-CpG-білок, що зв'язує 2). Це виключно важлива субстанція, що зв'язує та активує метильовані гени. За відсутності MECP2 порушується робота головного мозку.

Онкологічне захворювання

Достовірно відомо, що рак залежить від генів. Якщо до 80-х років вважали, що справа тільки в генетичних мутаціях, то тепер вчені знають про роль епігенетичних факторів у виникненні, прогресуванні раку і навіть у його стійкості до лікування.

1983 року рак став першою хворобою людини, яку пов'язали з епігенетикою. Тоді вчені виявили, що клітини колоректального раку значно менше метильовані, ніж нормальні клітини кишківника. Нестача метильних груп призводить до нестабільності в хромосомах і запускається онкогенез. З іншого боку, надлишок мітильних груп у ДНК «присипляє» деякі гени, відповідальні за придушення раку.

Оскільки епігенетичні зміни оборотні, подальші дослідження відкрили дорогу до інноваційної терапії раку.

В оксфордському журналі Carcinogenesis від 2009 року вчені писали: "Той факт, що епігенетичні зміни, на відміну від генетичних мутацій, потенційно оборотні і можуть бути відновлені до нормального стану, робить епігенетичну терапію перспективною опцією".

Епігенетика все ще є молодою наукою, але завдяки багатогранному впливу епігенетичних змін на клітини її успіхи вже сьогодні вражають уяву. Жаль, що не раніше ніж через 30-40 років наші нащадки зможуть повністю усвідомити, як багато вона означає здоров'я людства.

: магістр фармації та професійний медичний перекладач

), за рахунок різної експресії генів у різних типах клітин, може здійснюватися розвиток багатоклітинного організму, що складається з диференційованих клітин. Потрібно відзначити, що багато дослідників досі ставляться до епігенетики скептично, оскільки в її рамках допускається ймовірність негеномного успадкування як адаптивна відповідь на зміни зовнішнього середовища, що суперечить домінуючій в даний час геноцетричної парадигми.

Приклади

Одним із прикладів епігенетичних змін у еукаріотів є процес клітинного диференціювання. Під час морфогенезу тотипотентні стволові клітини формують різні плюрипотентні клітинні лінії ембріона, які в свою чергу дають початок повністю диференційованим клітинам. Іншими словами, одна запліднена яйцеклітина - зигота - диференціюється в різні типи клітин, включаючи: нейрони, м'язові клітини, епітелій, ендотелій судин та ін, шляхом множинних поділів. Це досягається активацією одних генів, і в той же час інгібуванням інших за допомогою епігенетичних механізмів.

Другий приклад може бути продемонстрований на мишах-полівках. Восени, перед похолоданням, вони народжуються з довшою і густішою шерстю, ніж навесні, хоча внутрішньоутробний розвиток «весняних» та «осінніх» мишей відбувається на тлі практично однакових умов (температури, довжини світлового дня, вологості тощо). Дослідження показали, що сигналом, що запускає епігенетичні зміни, що призводять до збільшення довжини вовни, є зміна градієнта концентрації мелатоніну в крові (навесні він знижується, а восени – підвищується). Таким чином, епігенетичні адаптивні зміни (збільшення довжини вовни) індукуються ще до холодів, адаптація до яких вигідна для організму.

Етимологія та визначення

Термін «епігенетика» (як і «епігенетичний ландшафт») було запропоновано Конрадом Уоддінгтоном у 1942 році, як похідне від слів генетика та епігенез. Коли Уоддінгтон ввів цей термін, фізична природа генів не була до кінця відома, тому він використовував його як концептуальну модель того, як гени можуть взаємодіяти зі своїм оточенням при формуванні фенотипу.

Робін Холлідей визначив епігенетику як «вивчення механізмів тимчасового та просторового контролю активності генів у процесі розвитку організмів». Таким чином, термін «епігенетика» може бути використаний, щоб описати будь-які внутрішні фактори, що впливають на розвиток організму, за винятком самої послідовності ДНК.

Сучасне використання цього слова у науковому дискурсі є вужчим. Грецький префікс epi- у слові, має на увазі фактори, які впливають «поверх» або «на додаток до» генетичних, а значить епігенетичні фактори впливають на додачу або крім традиційних молекулярних факторів спадковості.

Подібність до слова «генетика» породило багато аналогій у використанні терміна. «Епігеном» є аналогом терміна «геном» і визначає загальний епігенетичний стан клітини. Метафора «генетичний код» була адаптована, а термін «епігенетичний код» використовується, щоб описати набір епігенетичних особливостей, які створюють різноманітні фенотипи в різних клітинах. Широко використовується термін «епімутація», яким позначають спричинене спорадичними факторами зміна нормального епігенома, що передається у ряді клітинних поколінь.

Молекулярні основи епігенетики

Молекулярна основа епігенетики досить складна при тому, що вона не торкається структури ДНК, а змінює активність певних генів. Це пояснює, чому в диференційованих клітинах багатоклітинного організму експресуються тільки гени, необхідні для їхньої специфічної діяльності. Особливістю епігенетичних змін є те, що вони зберігаються при клітинному поділі. Відомо, що більшість епігенетичних змін проявляється лише в межах життя одного організму. У той же час, якщо зміна в ДНК відбулася в сперматозоїді або яйцеклітині, деякі епігенетичні прояви можуть передаватися від одного покоління до іншого. У зв'язку з цим постає питання, чи дійсно епігенетичні зміни в організмі можуть змінити базову структуру його ДНК? (Див. Еволюція).

В рамках епігенетики широко досліджуються такі процеси як: парамутація, генетичний букмаркінг, геномний імпринтинг, інактивація Х-хромосоми, ефект стану, материнські ефекти, а також інші механізми регуляції експресії генів.

В епігенетичних дослідженнях використовується широкий спектр методів молекулярної біології, у тому числі - імунопреципітація хроматину (різні модифікації ChIP-on-chip і ChIP-Seq), гібридизація in situ, чутливі до метилювання рестриктази, ідентифікації ДНК-аденін-метилтрансферази (DamID) та секвенування. З іншого боку, дедалі більшу роль грає використання методів біоінформатики (комп'ютерна эпигенетика).

Механізми

Метилювання ДНК та ремоделювання хроматину

Епігенетичні фактори впливають на активність експресії певних генів на кількох рівнях, що призводить до зміни фенотипу клітини чи організму. Одним із механізмів такого впливу є ремодуляція хроматину. Хроматин - це комплекс ДНК з білками гістонами: ДНК накручується на білки гістони, які представлені сферичними структурами (нуклеосомами) внаслідок чого забезпечується її компактизація в ядрі. Від густоти розташування гістонів в ділянках геному, що активно експресуються, залежить інтенсивність експресії генів. Ремоделювання хроматину - це процес активної зміни «густоти» нуклеосом та спорідненості гістонів із ДНК. Воно досягається двома нижчеописаними шляхами.

Метилювання ДНК

Найбільш добре вивченим на сьогодні епігенетичним механізмом є метилювання цитозинових основ ДНК. Початок інтенсивним дослідженням ролі метилювання в регуляції генетичної експресії, у тому числі при старінні, було покладено ще в 70-ті роки минулого століття піонерськими роботами Ванюшина Б. Ф. та Бердишева Г. Д. із співавт. Процес метилювання ДНК полягає у приєднанні метильної групи до цитозину у складі CpG-динуклеотиду у позиції С5 цитозинового кільця. Метилювання ДНК, в основному, властиве еукаріотів. У людини метильовано близько 1% геномної ДНК. За процес метилювання ДНК відповідають три ферменти, які називають ДНК-метилтрансферазами 1, 3a і 3b (DNMT1, DNMT3a і DNMT3b). Передбачається, що DNMT3a і DNMT3b - це de novo метилтрансферази, які здійснюють формування патерну метилювання ДНК на ранніх стадіях розвитку, а DNMT1 здійснює метилювання ДНК на пізніших етапах життя організму. Функція метилювання полягає в активації/інактивації гена. У більшості випадків метилювання призводить до пригнічення активності гена, особливо при метилюванні його промоторних областей, а деметилювання - до його активації. Показано, що навіть незначні зміни у ступені метилювання ДНК можуть суттєво змінювати рівень генетичної експресії.

Модифікації гістонів

Хоча модифікації амінокислот у гістонах відбуваються по всій молекулі білка, модифікації N-хвостів відбувається значно частіше. Ці модифікації включають: фосфорилювання, убіквітилювання, ацетилювання, метилювання, сумоїлювання. Ацетилювання є найбільш вивченою модифікацією гістонів. Так, ацетилювання ацетилтрансферазою K14 та K9 лізинів хвоста гістону H3 корелює з транскрипційною активністю в даному районі хромосоми. Це відбувається через те, що ацетилювання лізину змінює його позитивний заряд на нейтральний, що унеможливлює його зв'язок з негативно зарядженими фосфатними групами в ДНК. В результаті відбувається від'єднання гістонів від ДНК, що призводить до посадки на «голу» ДНК комплексу SWI/SNF та інших транскрипційних факторів, які запускають транскрипцію. Це – «цис»-модель епігенетичного регулювання.

Гістони здатні підтримувати свій модифікований стан та виступати матрицею для модифікації нових гістонів, які зв'язуються з ДНК після реплікації.

Механізм відтворення епігенетичних міток більш вивчений для метилювання ДНК, ніж для гістонових модифікацій. Так, фермент DNMT1 має високу спорідненість із 5-метилцитозином. Коли DNMT1 знаходить «напівметильований сайт» (сайт, в якому метильований цитозин тільки в одному ланцюгу ДНК), він метилює цитозин на другій нитці в тому ж сайті.

Пріони

МікроРНК

Останнім часом велику увагу привернуто до вивчення ролі процесів регуляції генетичної активності малих інтерферуючих РНК (si-RNA) . Інтерферуючі РНК можуть змінювати стабільність та трансляцію мРНК шляхом моделювання функцій полісом та структури хроматину.

Значення

Епігенетичне успадкування у соматичних клітинах відіграє найважливішу роль розвитку багатоклітинного організму. Геном всіх клітин майже однаковий, водночас багатоклітинний організм містить по-різному диференційовані клітини, які по-різному сприймають сигнали навколишнього середовища і виконують різні функції. Саме епігенетичні фактори забезпечують клітинну пам'ять.

Медицина

Як генетичні, так і епігенетичні явища значно впливають на здоров'я людини. Відомо кілька захворювань, які виникають через порушення метилювання генів, а також через гемізиготність за геном, схильним до геномного імпринтингу. Для багатьох організмів доведено зв'язок активності ацетилювання/деацетилювання гістонів із тривалістю життя. Можливо, ці процеси впливають і на тривалість життя людей.

Еволюція

Хоча епігенетику переважно розглядають у контексті клітинної пам'яті, існує також ряд трансгенеративних епігенетичних ефектів, при яких генетичні зміни передаються нащадкам. На відміну від мутацій, епігенетичні зміни є оборотними і, можливо, можуть бути спрямовані (адаптивні). Оскільки більшість з них зникає через кілька поколінь, вони можуть мати характер лише тимчасових адаптацій. Також активно обговорюється питання щодо можливості впливу епігенетики на частоту мутацій у певному гені. Було показано, що сімейство білків цитозин-дезаміназ APOBEC/AID бере участь як у генетичній, так і епігенетичній спадковості, використовуючи схожі молекулярні механізми. У багатьох організмів було виявлено понад 100 випадків трансгенеративних епігенетичних явищ.

Епігенетичні ефекти у людини

Геномний імпринтинг та пов'язані з ним захворювання

Деякі людські захворювання пов'язані з геномним імпринтингом, феноменом при якому одні й ті ж гени мають різний патерн метилювання залежно від того, від якої статі вони отримані. Найвідомішими випадками захворювань, пов'язаних з імпринтингом, є синдром Ангельмана та синдром Прадера-Віллі. Причиною розвитку обох є часткова делеція у регіоні 15q. Це з наявністю геномного імпринтингу у цьому локусі.

Трансгенеративні епігенетичні ефекти

Маркус Пембрі (Marcus Pembrey) із співавторами встановили, що онуки (але не онуки) чоловіків, які були піддані голоду в Швеції в 19 столітті, менш схильні до серцево-судинних захворювань, але сильніше схильні до діабету, що, як вважає автор, є прикладом епігенетичної спадковості.

Рак та порушення розвитку

Багато речовин мають властивості епігенетичних канцерогенів: вони призводять до збільшення частоти виникнення пухлин, не проявляючи при цьому мутагенного ефекту (наприклад: діетилстилбестролу арсеніт, гексахлорбензол та сполуки нікелю). Багато тератогенів, зокрема діетилстилбестрол, надають специфічний вплив на плід на епігенетичному рівні.

Зміни в ацетилюванні гістонів та метилюванні ДНК призводить до розвитку раку простати шляхом зміни активності різних генів. На активність генів при раку простати може впливати харчування та спосіб життя.

2008 року Національний Інститут Здоров'я США оголосив, що 190 мільйонів доларів буде витрачено на вивчення епігенетики протягом наступних 5 років. На думку деяких дослідників, які стали ініціаторами виділення коштів, епігенетика може відігравати більшу роль у лікуванні захворювань людини, ніж генетика.

Епігеном та старіння

В останні роки накопичено велику кількість доказів того, що епігенетичні процеси відіграють важливу роль на пізніх етапах життя. Зокрема, при старінні відбуваються широкомасштабні зміни патернів метилювання. Передбачається, що ці процеси перебувають під генетичним контролем. Зазвичай найбільше метильованих цитозинових основ спостерігається в ДНК, виділеної з ембріонів або новонароджених тварин, і ця кількість поступово зменшується з віком. Подібне зниження рівня метилювання ДНК виявлено в лімфоцитах, що культивуються, мишей, хом'яків і людей. Воно має систематичний характер, але може бути тканинно-і геноспецифічним. Наприклад, Tra із співавт. (Tra et al., 2002) при зіставленні більш ніж 2000 локусів у Т-лімфоцитах, ізольованих з периферичної крові новонароджених, а також людей середнього та старшого віку, виявили, що 23 з цих локусів з віком піддаються гіперметилюванню та 6 - гіпометилюванню, причому подібні зміни характеру метилювання виявлені і в інших тканинах: підшлунковій залозі, легені та стравоході. Виражені епігенетичні спотворення виявлені у хворих на прогірію Хатчинсона-Гілфорда.

Передбачається, що деметилювання з віком призводить до хромосомних перебудов за рахунок активації мобільних генетичних елементів (МГЕ), які зазвичай пригнічуються метилюванням ДНК (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематичне вікове зниження рівня метилювання може, принаймні частково, спричинити виникнення багатьох комплексних захворювань, які не можна пояснити за допомогою класичних генетичних поглядів. Ще одним процесом, що відбувається в онтогенезі паралельно з деметилювання і впливає на процеси епігенетичного регулювання, є конденсація хроматину (гетерохроматинізація), що призводить з віком до зниження генетичної активності. У ряді робіт вік-залежні епігенетичні зміни були продемонстровані також у статевих клітинах; напрям цих змін, мабуть, є геноспецифічним.

Література

Несса Кері. Епігенетика: як сучасна біологія переписує наші уявлення про генетику, захворювання та спадковість. - Ростов-на-Дону: Фенікс, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Примітки

New research links common RNA modification to obesity
http://woman.health-ua.com/article/475.html Епігенетична епідеміологія асоційованих з віком захворювань
Holliday, R., 1990. Механізми для управління геном діяльності при розвитку. 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 KJ. 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, і Implications for 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 different in parental origin of the deletion». American Journal of Medical Genetics 32 (2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235.

Епігенетичні прояви можуть передаватися від одного покоління до іншого.

Метилювання ДНК

Найбільш добре вивченим на сьогодні епігенетичним механізмом є метилювання цитозинових основ ДНК. Початок інтенсивним дослідженням ролі метилювання в регуляції генетичної експресії, у тому числі при старінні, було покладено ще в 70-х роках XX століття піонерськими роботами Бориса Федоровича Ванюшина та Геннадія Дмитровича Бердишева із співавторами. Процес метилювання ДНК полягає у приєднанні метильної групи до цитозину у складі CpG-динуклеотиду у позиції С5 цитозинового кільця. Метилювання ДНК, в основному, властиве еукаріотів. У людини метильовано близько 1% геномної ДНК. За процес метилювання ДНК відповідають три ферменти, які називають ДНК-метилтрансферазами 1, 3a і 3b (DNMT1, DNMT3a і DNMT3b). Передбачається, що DNMT3a та DNMT3b - це de novoметилтрансферази, які здійснюють формування профілю метилювання ДНК на ранніх стадіях розвитку, а DNMT1 здійснює метилювання ДНК на пізніших етапах життя організму. Фермент DNMT1 має високу спорідненість із 5-метилцитозином. Коли DNMT1 знаходить «напівметильований сайт» (сайт, в якому метильований цитозин тільки в одному ланцюзі ДНК), він метилює цитозин на другій нитці на тому ж сайті. Функція метилювання полягає в активації/інактивації гена. У більшості випадків метилювання промоторних областей гена призводить до придушення активності гена. Показано, що навіть незначні зміни ступеня метилювання ДНК можуть суттєво змінювати рівень генетичної експресії.

Модифікації гістонів

Хоча модифікації амінокислот у гістонах відбуваються по всій молекулі білка, модифікації N-хвостів відбувається значно частіше. Ці модифікації включають: фосфорилювання, убіквітилювання, ацетилювання, метилювання, сумоїлювання. Ацетилювання є найбільш вивченою модифікацією гістонів. Так, ацетилювання ацетилтрансферазою 14-го та 9-го лізинів гістону H3 (H3K14ac та H3K9ac, відповідно) корелює з транскрипційною активністю в даному районі хромосоми. Це відбувається через те, що ацетилювання лізину змінює його позитивний заряд на нейтральний, що унеможливлює його зв'язок з негативно зарядженими фосфатними групами в ДНК. В результаті відбувається від'єднання гістонів від ДНК, що призводить до посадки на «голу» ДНК комплексу SWI/SNF та інших транскрипційних факторів, які запускають транскрипцію. Це "цис"-модель епігенетичного регулювання.

Ремоделювання хроматину

Епігенетичні фактори впливають на активність експресії певних генів на кількох рівнях, що призводить до зміни фенотипу клітини чи організму. Одним із механізмів такого впливу є ремоделювання хроматину. Хроматин - це комплекс ДНК з білками, насамперед, з білками-гістонами. Гістони формують нуклеосому, навколо якої накручується ДНК, у результаті забезпечується її компактизація в ядрі. Від густоти розташування нуклеосом в ділянках геному, що активно експресуються, залежить інтенсивність експресії генів. Хроматин, вільний від нуклеосом, називається відкритим хроматином. Ремоделювання хроматину - це процес активної зміни «густоти» нуклеосом та спорідненості гістонів із ДНК.

Пріони

МікроРНК

Останнім часом велику увагу привернуто до вивчення ролі процесів регуляції генетичної активності малих некодирующих РНК (miRNA). МікроРНК можуть змінювати стабільність і трансляцію мРНК шляхом комплементарного зв'язування з 3'-нетрансльованим ділянкою мРНК.

Значення

Медицина

Як генетичні, так і епігенетичні явища значно впливають на здоров'я людини. Відомо кілька захворювань, які виникають через порушення метилювання генів, а також через гемізиготність за геном, схильним до геномного імпринтингу. В даний час розробляється епігенетична терапія, спрямована на лікування цих захворювань за допомогою впливу на епіген і корекції порушень. Для багатьох організмів доведено зв'язок активності ацетилювання/деацетилювання гістонів із тривалістю життя. Можливо, ці процеси впливають і на тривалість життя людей.

Еволюція

Хоча епігенетику переважно розглядають у контексті соматичної клітинної пам'яті, існує також ряд трансгенеративних епігенетичних ефектів, при яких генетичні зміни передаються нащадкам. На відміну від мутацій епігенетичні зміни оборотні та, можливо, можуть бути спрямовані (адаптивні). Оскільки більшість з них зникає через кілька поколінь, вони можуть мати характер лише тимчасових адаптацій. Також активно обговорюється питання щодо можливості впливу епігенетики на частоту мутацій у певному гені. Було показано, що сімейство білків цитозин-дезаміназ APOBEC/AID бере участь як у генетичній, так і епігенетичній спадковості, використовуючи схожі молекулярні механізми. У багатьох організмів було виявлено понад 100 випадків трансгенеративних епігенетичних явищ.

Епігенетичні ефекти у людини

Геномний імпринтинг та пов'язані з ним захворювання

Деякі захворювання людини пов'язані з

Маркус Пембрі ( Marcus Pembrey) із співавторами встановили, що онуки (але не онуки) чоловіків, які були піддані голоду в Швеції в 19 столітті, менш схильні до серцево-судинних захворювань, але сильніше схильні до діабету, що, як вважає автор, є прикладом епігенетичної спадковості.

Рак та порушення розвитку

Багато речовин мають властивості епігенетичних канцерогенів: вони призводять до збільшення частоти виникнення пухлин, не проявляючи при цьому мутагенного ефекту (наприклад, діетилстилбестролу арсеніт, гексахлорбензол, сполуки нікелю). Багато тератогенів, зокрема діетилстилбестрол, надають специфічний вплив на плід на епігенетичному рівні.

Зміни в ацетилюванні гістонів та метилюванні ДНК призводять до розвитку раку простати шляхом зміни активності різних генів. На активність генів при раку простати може впливати харчування та спосіб життя.

Епігенетика - напрямок генетики, порівняно недавно оформився в самостійну область досліджень. Але вже сьогодні ця молода динамічна наука пропонує революційний погляд на молекулярні механізми розвитку живих систем.

Одна з найбільш зухвалих і надихаючих епігенетичних гіпотез про те, що активність багатьох генів схильна до впливу ззовні, зараз знаходить підтвердження у багатьох експериментів на модельних тварин. Дослідники обережно коментують їхні результати, але не виключають, що й Homo sapiensнад повною мірою залежить від спадковості, отже може її у цілеспрямовано впливати.

У перспективі, якщо вчені мають рацію і їм вдасться підібрати ключі до механізмів управління генами, людині стануть підвладні фізичні процеси, що відбуваються в організмі. У тому числі цілком може бути і старіння.

На рис. механізм РНК-інтерференції.

Молекули дцРНК можуть бути РНК-шпилькою або два спарені комплементарні один одному ланцюги РНК.
Довгі молекули дцРНК нарізаються (процесуються) в клітці на короткі ферментом Dicer: один з його доменів специфічно пов'язує кінець молекули дцРНК (відзначений зірочкою), при цьому інший - робить розриви (позначені білими стрілками) в обох ланцюгах дцРНК.

В результаті утворюється двониткова РНК довжиною 20-25 нуклеотидів (siРНК), а Dicer переходить до наступного циклу розрізання дцРНК, зв'язуючись з новоствореним кінцем.

Ці siРНК можуть включатися до комплексу, що містить білок Argonaute (AGO). Один із ланцюгів siРНК у комплексі з білком AGO знаходить у клітині комплементарні їй молекули матричної РНК (мРНК). AGO розрізає молекули мРНК-мішені, внаслідок чого мРНК деградує або зупиняє трансляцію мРНК на рибосомі. Короткі РНК можуть пригнічувати транскрипцію (синтез РНК) гомологічного ним за нуклеотидною послідовністю гена в ядрі.
(малюнок, схема та коментар / журнал «Природа» №1, 2007 р.)

Можливі й інші, поки що не відомі, механізми.
Різниця між епігенетичними та генетичними механізмами успадкування у їхній стабільності, відтворюваності ефектів. Генетично обумовлені ознаки можуть відтворюватися необмежено довго, доки у відповідному гені немає певне зміна (мутація).
Індуковані певними стимулами епігенетичні зміни зазвичай відтворюються у ряді клітинних поколінь у межах життя одного організму. Коли вони передаються в наступні генерації, то можуть відтворюватися не більше 3-4 поколінь, а потім, якщо стимул, що їх індукував, зникає, поступово сходять нанівець.

А як це виглядає на молекулярному рівні? Епігенетичні маркериЯк прийнято називати ці хімічні комплекси, знаходяться не в нуклеотидах, що утворюють структурну послідовність молекули ДНК, а на них і безпосередньо вловлюють певні сигнали?

Абсолютно вірно. Епігенетичні маркери дійсно знаходяться не в нуклеотидах, а на них (метилювання) або поза їх (ацетилювання гістонів хроматину, мікроРНК).
Те, що відбувається при передачі цих маркерів у наступні покоління, найкраще пояснити, використовуючи як аналогію новорічну ялинку. «Іграшки» (епігенетичні маркери), що переходять з покоління в покоління, повністю знімаються з неї в процесі формування бластоциста (8-клітинного зародка), а потім, у процесі імплантації «одягаються» на ті ж місця, де знаходилися раніше. Це було відомо вже давно. А ось те, що стало відомо нещодавно і що повністю перевернуло наші уявлення в біології, має відношення до епігенетичних модифікацій, набутих протягом життя цього організму.

Наприклад, якщо в організму під впливом певного впливу (теплового шоку, голодування тощо) відбувається стійка індукція епігенетичних змін («купівля нової іграшки»). Як передбачалося раніше, подібні епігенетичні маркери безслідно стираються при заплідненні та утворенні зародка і таким чином не передаються нащадкам. Виявилось, що це не так. У великій кількості робіт останніх епігенетичні зміни, індуковані середовими стресами у представників одного покоління, виявлялися у представників 3-4 наступних поколінь. Це свідчить про можливість наслідування набутих ознак, що до останнього часу вважалося абсолютно неможливим.

Які найважливіші фактори, що спричиняють епігенетичні зміни?

Це все фактори, які діють протягом чутливих (сенситивних) етапів розвитку. У людини це весь період внутрішньоутробного розвитку та перші три місяці після народження. До найважливіших можна віднести харчування, вірусні інфекції, куріння матері під час вагітності, недостатнє напрацювання вітаміну D (при інсоляції), материнський стрес.
Тобто, вони збільшують адаптацію організму до умов, що змінюються. А які «месенджери» існують між факторами довкілля та епігенетичними процесами – поки що нікому не відомо.

Але, крім того, є дані про те, що найбільш «сенситивний» період, під час якого можливі основні епігенетичні модифікації – периконцептуальний (перші два місяці після зачаття). Можливо, дієвими можуть стати спроби спрямованого втручання в епігенетичні процеси навіть до зачаття, тобто на статеві клітини ще до утворення зиготи. Однак епіген залишається досить пластичним і після закінчення етапу ембріонального розвитку, деякі дослідники намагаються його коригувати і у дорослих людей.

Наприклад, Мін Джу Фан ( Ming Zhu Fang) та її колеги з Університету Рутгерса в Нью-Джерсі (США) виявили, що у дорослих людей за допомогою певного компонента зеленого чаю (антиоксидант - епігалокатехінгаллат (EGCG)) можна за рахунок деметилювання ДНК активізувати гени-супресори пухлинного росту.

Зараз у США та Німеччині у стадії розробки вже перебувають близько десятка препаратів, в основу створення яких лягли результати недавніх досліджень епігенетиків у діагностиці ракових захворювань.
А які питання в епігенетиці зараз є ключовими? Як їх вирішення може просунути вивчення механізмів (процесу) старіння?

Я вважаю, що процес старіння за своєю суттю є епігенетичним («як етап онтогенезу»). Дослідження в цій галузі почалися тільки в останні роки, але якщо вони увінчаються успіхом, можливо, людство отримає новий потужний засіб для боротьби з хворобами і продовження життя.
Ключовими зараз є питання епігенетичної природи захворювань (наприклад, раку) та розробка нових підходів до їх попередження та лікування.
Якщо вдасться вивчити молекулярні епігенетичні механізми вікових захворювань, можна буде успішно протидіяти їх розвитку.

Адже, наприклад, робоча бджола живе 6 тижнів, а бджоломатка – 6 років.
При повній генетичній ідентичності вони різняться лише тим, що майбутню бджоломатку під час розвитку годують маточним молочком на кілька днів більше, ніж звичайну бджолу.

У результаті представників цих бджолиних каст формуються дещо відмінні епігенотипи. І, незважаючи на зовнішню та біохімічну подобу, тривалість їхнього життя різниться в 50 разів!

У процесі досліджень у 60-ті роки було показано, що зменшується із віком. Але чи вдалося вченим просунутися у відповіді питання: чому це відбувається?

Існує маса робіт, які свідчать про те, що особливості та темп старіння залежать від умов раннього онтогенезу. Більшість пов'язує це саме з коригуванням епігенетичних процесів.

Метилювання ДНК справді зменшується з віком, чому це відбувається – поки що не відомо. Одна з версій – це наслідок адаптації, спроба організму пристосуватися як до зовнішніх стресів, так і до внутрішнього «надстресу» – старіння.

Можливо, що «включаються» при віковому деметилюванні ДНК – додатковий адаптивний ресурс, один із проявів процесу вітакту (як його назвав видатний геронтолог Володимир Веніамінович Фролькіс) — фізіологічного процесу, що протидіє старінню.

Щоб зробити зміни на генному рівні, потрібно виявити і замінити «букву» ДНК, що мутувала, може бути ділянка генів. Поки що найперспективніший шлях для здійснення таких операцій — біотехнологічний. Але досі цей експериментальний напрямок і особливих проривів у ньому поки що немає. Метилювання більш пластичний процес, його простіше змінювати — у тому числі за допомогою фармакологічних препаратів. Чи можливо навчитися вибірково контролювати? Що ще для цього ще потрібно зробити?

Метилювання – навряд. Воно неспецифічне, діє на все «оптом». Можна навчити мавпу бити по клавішах піаніно, і вона витягуватиме з нього гучні звуки, але «Місячну сонату» виконає навряд чи. Хоча є приклади, коли з допомогою метилювання вдавалося змінити фенотип організму. Найбільш відомий приклад із мишами – носіями мутантного гена агуті (я його вже наводив). Реверсія до нормального кольору вовни відбувалася у цих мишей, тому що «дефектний» ген був у них «вимкнений» за рахунок метилювання.

Але вибірково впливати на експресію генів можна і для цього чудово підходять інтерферуючі РНК, які діють високоспецифічно, тільки на «власні». Такі роботи вже провадяться.

Наприклад, нещодавно американські дослідники пересаджували мишам, які мали пригнічену функцію імунної системи, пухлинні людські клітини, які могли вільно розмножуватися і метастазувати в імунодефіцитних мишачих організмах. Вченим вдалося визначити експресовані в метастазуючих клітинах і, синтезувавши відповідну інтерферуючу РНК та ввівши її мишам, заблокувати синтез «ракової» інформаційної РНК і, відповідно, придушити ріст пухлини і метастазування.

Тобто, виходячи з сучасних досліджень, можна говорити, що в основі різних процесів, що відбуваються в живих організмах, лежать епігенетичні сигнали. Що вони собою представляють? Які чинники впливають з їхньої формування? Чи вдається вченим ці сигнали дешифрувати?

Сигнали можуть бути різними. При розвитку та стресі – це сигнали насамперед гормональної природи, але є дані, що до експресії генів білків теплового шоку (HSP70) у культурі клітин може призводити навіть вплив низькочастотного електромагнітного поля певної частоти, інтенсивність якого в мільйон (!) разів менша від природного електромагнітного. поля. В даному випадку це поле, звичайно ж, діє не «енергетично», а є сигнальним «тригером», що «запускає» експресію гена. Тут ще багато загадково.

Наприклад, нещодавно відкритий bystander ефект(«ефект свідка»).
Коротко його суть така. Коли ми опромінюємо культуру клітин, вони виникають реакції широкого спектра, від хромосомних аберацій до радіоадаптивних реакцій (здатності витримувати великі дози опромінення). Але якщо ми видалимо всі опромінені клітини і в живильне середовище перенесемо інші, неопромінені, у них виявляться ті ж реакції, хоча їх ніхто не опромінював.

Передбачається, що опромінені клітини виділяють у середу деякі епігенетичні «сигнальні» фактори, які викликають у неопромінених клітинах аналогічні зміни. Яка природа цих факторів – поки що ніхто не знає.

Великі очікування у поліпшенні якості життя та тривалості життя пов'язані з науковими досягненнями у галузі вивчення стовбурових клітин. Чи вдасться епігенетиці виправдати надії, що покладаються на неї, у перепрограмуванні клітин? Чи є для цього серйозні причини?

Якщо буде розроблено надійну методику «епігенетичного перепрограмування» соматичних клітин у стовбурові, це, безумовно, виявиться революцією в біології та медицині. Поки що в цьому напрямку зроблено лише перші кроки, але вони обнадіюють.

Відома сентенція: людина — те, що вона їсть. Який ефект має їжа на наші? Наприклад, генетики з Університету Мельбурна, що вивчали механізми роботи клітинної пам'яті, виявили, що після отримання одноразової дози цукру клітина протягом декількох тижнів зберігає відповідний хімічний маркер.

Є навіть спеціальний розділ епігенетики. Nutritional Epigenetics, Що займається саме питанням залежності епігенетичних процесів від особливостей харчування Особливо важливими є ці особливості на ранніх стадіях розвитку організму. Наприклад, при вигодовуванні немовляти не материнським молоком, а сухими поживними сумішами на основі коров'ячого молока, в клітинах його тіла відбуваються епігенетичні зміни, які, фіксуючись за механізмом імпринтингу (зараження), призводять з часом до початку аутоімунного процесу в бета-клітинах підшлунків. , як наслідок, захворювання на діабет I типу.

На рис. розвиток діабету (рис. збільшується при натисканні курсором). При таких аутоімунних захворюваннях, як діабет 1-го типу, імунна система людини атакує його власні органи та тканини.
Деякі аутоантитіл починають вироблятися в організмі задовго до появи перших симптомів хвороби. Їхнє виявлення може допомогти в оцінці ризику розвитку захворювання.
(малюнок з журналу «У СВІТІ НАУКИ», липень 2007 № 7)

А неповноцінне (обмежене за кількістю калорій) харчування у період внутрішньоутробного розвитку – прямий шлях до ожиріння у дорослому віці та діабету II типу.

Це означає, що людина все-таки несе відповідальність не лише за себе, а й за своїх нащадків: дітей, онуків, правнуків?

Так, звичайно, причому значно більшою мірою, ніж це було прийнято вважати раніше.

А яка епігенетична складова у так званому геномному імпринтингу?

При геномному імпринтингу той самий ген фенотипно проявляється по-різному залежно від цього, від батька чи матері він потрапляє до нащадку. Тобто, якщо ген успадковується від матері, він уже метилирован і не експресується, тоді як ген, успадкований від батька не метилирован, і експресується.

Найбільш активно вивчається геномний імпринтинг у разі розвитку різних спадкових захворювань, які передаються лише від предків певної статі. Наприклад, ювенільна форма хвороби Гентінгтона проявляється лише при наслідуванні мутантного алелю від батька, а атрофічна міотонія - від матері.
І це при тому, що самі, які викликають ці захворювання, абсолютно однакові незалежно від того, чи успадковуються вони від батька чи матері. Відмінності полягають в «епігенетичній передісторії», обумовленої їх перебуванням у материнському або, навпаки, батьківському організмах. Інакше кажучи, вони несуть «епігенетичний відбиток» статі батька. При знаходженні в організмі предка певної статі вони метилюються (функціонально репресуються), а іншого – деметилюються (відповідно, експресуються), і в такому стані успадковуються нащадками, приводячи (або не приводячи) до виникнення певних захворювань.

Ви вивчали вплив радіації на організм. Відомо, що малі дози радіації позитивно впливають на тривалість життя плодових мушок. дрозофіл. Чи можливе тренування людського організму малими дозами опромінення?Олександра Михайловича Кузіна, висловленому ним ще в 70-х роках минулого століття, до стимулюючого ефекту призводять дози, приблизно на порядок більші за фонові.

У Кералі, наприклад, рівень фону не в 2, а в 7,5 разів перевищує «середньоіндійський» рівень, але ні захворюваність на рак, ні смертність від нього не відрізняються від загальної індійської популяції.

(Див., напр., останнє на цю тему: Nair RR, Rajan B, Akiba S, Jayalekshmi P, Nair MK, Gangadharan P, Koga T, Morishima H, Nakamura S, Sugahara T. Back radiation and cancer incidence in Kerala, India-Karanagappally cohort study. Health Phys. 2009 Jan;96(1):55-66)

В одному з досліджень Ви проаналізували дані щодо дат народження та смерті 105 тисяч киян, які померли в період з 1990 по 2000 роки. Які висновки було зроблено?

Найбільшою виявилася тривалість життя людей, що народилися наприкінці року (особливо у грудні), найменшою – у «квітневих-липневих». Різниця між мінімальними та максимальними середньомісячними значеннями виявилася дуже великою і досягала 2,6 року у чоловіків і 2,3 року у жінок. Результати, отримані нами, говорять про те, що те, скільки людей проживе, значною мірою залежить від сезону року, коли він народився.

Чи можливе прикладне застосування отриманої інформації?

Якими б могли бути рекомендації? Наприклад, зачинати дітей навесні (найкраще – у березні), щоб вони були потенційними довгожителі? Але це є абсурд. Природа не дає одним усе, а іншим – нічого. Так і із «сезонним програмуванням». Наприклад, у дослідженнях, здійснених у багатьох країнах (Італії, Португалії, Японії), виявлено, що найвищі інтелектуальні можливості мають школярі та студенти, які народилися наприкінці весни – на початку літа (за нашими даними – «короткожителі»). Ці дослідження демонструють безглуздість “прикладних” рекомендацій щодо народження дітей у певні місяці року. А ось серйозним приводом для подальшого наукового дослідження механізмів, що визначають «програмування», а також пошуку засобів спрямованої корекції цих механізмів з метою продовження життя у майбутньому, ці роботи, безумовно, є.

Один із піонерів епігенетики в Росії, професор МДУ Борис Ванюшин у своїй роботі «Матеріалізація епігенетики або Невеликі зміни з великими наслідками» написав, що минуле століття було століттям генетики, а нинішнє — століття епігенетики.

Що дозволяє оцінювати позиції епігінетики так оптимістично?

Після завершення програми «Геном людини» вчена спільнота була в шоці: виявилося, що інформація про будову та функціонування людини укладена приблизно у 30 тисячах генів (за різними оцінками, це всього близько 8-10 мегабайт інформації). Фахівці, які працюють у сфері епігенетики, називають її «другою інформаційною системою» та вважають, що розшифрування епігенетичних механізмів контролю розвитку та життєдіяльності організму призведе до революції у біології та медицині.

Наприклад, у низці досліджень вже вдалося виявити типові закономірності у таких малюнках. На їх основі лікарі можуть діагностувати формування онкозахворювань на ранній стадії.
Але чи здійснимо такий проект?

Так, звичайно, хоча він дуже затратний і навряд чи може бути реалізований під час кризи. А ось у перспективі – цілком.

Ще 1970 року група Ванюшина у журналі „Nature“опублікувала дані про те, що регулює клітинне диференціювання, призводячи до відмінностей в експресії генів. І Ви про це говорили. Але якщо в організму в кожній клітині міститься той самий геном, то епіген у кожного типу клітин — свій, відповідно і ДНК метильована по-різному. Враховуючи, що типів клітин у людському організмі близько двохсот п'ятдесяти, обсяг інформації може бути колосальним.

Саме тому проект «Епігеном людини» є дуже складним (хоч і не безнадійним) для реалізації.

Він вважає, що найнезначніші явища можуть впливати на життя людини: «Якщо навколишнє середовище відіграє таку роль у зміні нашого геному, тоді ми маємо побудувати міст між біологічними та соціальними процесами. Це абсолютно змінить наш погляд на речі.

Чи все настільки серйозно?

Звичайно. Зараз у зв'язку з останніми відкриттями в галузі епігенетики багато вчених говорять про необхідність критичного переосмислення багатьох положень, які здавалися або непорушними, або назавжди відкинутими, і навіть про необхідність зміни основних парадигм у біології. Подібна революція мислення, безумовно, може позначитися на всіх аспектах життя людей, починаючи від світогляду і стилю життя і закінчуючи вибухом відкриттів у біології та медицині.

Інформація про фенотип міститься не тільки в геномі, а й в епігеномі, який пластичний і може, змінюючись під впливом певних середовищних стимулів, впливати на прояв генів - ПРОТИРІЧНЯ ЦЕНТРАЛЬНОЇ ДОГМИ МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ, ЗГІДНО КОТОРІЙ КОТОРІЙ КОТОРІЙНИХ КІТОГІЙ ДО БІЛКІВ, АЛЕ НЕ НАВПАКИ.
Індуковані в ранньому онтогенгезі епігенетичні зміни можуть фіксуватися за механізмом імпринтингу та змінювати всю подальшу долю людини (у тому числі психотип, метаболізм, схильність до захворювань тощо) – ЗОДІАКАЛЬНА АСТРОЛОГІЯ.
Причиною еволюції, окрім випадкових змін (мутацій), що відбираються природним відбором, є спрямовані, адаптивні зміни (епімутації) – КОНЦЕПЦІЯ ТВОРЧОЇ ЕВОЛЮЦІЇ французького філософа (Нобелевського лауреата з літератури, 1927 р.) Анрі БЕРГ.
Епімутації можуть передаватися від предків нащадкам – СПАДЩИНА ПРИДБАНИХ ОЗНАКІВ, ЛАМАРКІЗМ.

На які актуальні питання належить відповісти м у найближчому майбутньому?

Як відбувається розвиток багатоклітинного організму, яка природа сигналів, що настільки точно визначають час виникнення, структуру та функції різних органів тіла?

Чи можна, впливаючи на епігенетичні процеси, змінювати організми у бажаному напрямку?

Чи можна за рахунок коригування епігенетичних процесів запобігати розвитку епігенетично обумовлених захворювань, наприклад, діабету та раку?

Якою є роль епігенетичних механізмів у процесі старіння, чи можна з їх допомогою продовжувати життя?

Чи можливо, що незрозумілі в наш час закономірності еволюціонування живих систем (еволюція «не за Дарвіном») пояснюються залученням епігенетичних процесів?

Звичайно, це тільки мій індивідуальний список, в інших дослідників він може відрізнятися.