Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки. Эпигенетика — Волновая Генетика Wave Genetics Фолиевая кислота и неслучайные случайности

4612 0

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

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

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

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

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

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

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

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

Определение эпигенетики

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

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

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

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

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

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

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

Эпигенетика и здоровье

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

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

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

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

Заболевания иммунной системы

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

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

Нейропсихиатрические заболевания

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

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

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

Онкологические заболевания

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

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

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

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

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

: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик

эпигенетические проявления могут передаваться от одного поколения к другому .

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 XX века пионерскими работами Бориса Фёдоровича Ванюшина и Геннадия Дмитриевича Бердышева с соавторами. 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 профиля метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а DNMT1 осуществляет метилирование ДНК на более поздних этапах жизни организма. Фермент DNMT1 имеет высокое сродство с 5-метилцитозином. Когда DNMT1 находит «полуметилированный сайт» (сайт, в котором метилирован цитозин только в одной цепи ДНК), он метилирует цитозин на второй нити в том же сайте. Функция метилирования заключается в активации/инактивации гена. В большинстве случаев, метилирование промоторных областей гена приводит к подавлению активности гена. 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 наиболее изученной модификацией гистонов. Так, ацетилирование ацетилтрансферазой 14-го и 9-го лизинов гистона H3 (H3K14ac и H3K9ac, соответственно) 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 своё модифицированное состояние и выступать матрицей для модификации новых гистонов, которые связываются с ДНК после репликации .

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 ремоделирование хроматина. Хроматин - это комплекс ДНК с белками, прежде всего, с белками-гистонами . Гистоны формируют нуклеосому , вокруг которой накручивается ДНК, в результате чего обеспечивается её компактизация в ядре. От густоты расположения нуклеосом в активно экспрессирующихся участках генома зависит интенсивность экспрессии генов . Хроматин, свободный от нуклеосом, называется открытым хроматином . Ремоделирование хроматина - это процесс активного изменения «густоты» нуклеосом и сродства гистонов с ДНК.

Прионы

МикроРНК

В последнее время большое внимание привлечено к изучению роли в процессах регуляции генетической активности малых некодирующих РНК (miRNA) . МикроРНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путём комплементарного связывания с 3′-нетранслируемым участком мРНК.

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 дифференцированные 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 . В настоящее время разрабатывается эпигенетическая терапия , направленная на лечение этих заболеваний посредством воздействия на эпигеном и коррекции нарушений. 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 соматической 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 эпигенетической 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 заболевания человека связаны с

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, соединения никеля). Многие тератогены , в частности диэтилстилбестрол, оказывают специфическое воздействие на плод на эпигенетическом уровне .

Изменения в ацетилировании гистонов и метилировании ДНК приводят к развитию рака простаты путём 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 бо́льшую роль в лечении заболеваний человека, чем генетика.

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), бисульфитное секвенирование . Кроме того, всё большую роль играет использование методов биоинформатики (компьютерная эпигенетика).

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Эпигенетика. Рассказывает молекулярный биолог Борис Фёдорович Ванюшин.

What is epigenetics? - Carlos Guerrero-Bosagna

Елена Григоренко. Что изучает эпигенетика

Эпигенетические ярлыки на ДНК

Гордон - Диалоги: Эпигенетика

Субтитры

Примеры

Одним из примеров эпигенетических изменений у эукариот является процесс клеточной дифференцировки . Во время морфогенеза плюрипотентные стволовые клетки формируют различные полипотентные клеточные линии эмбриона, которые в свою очередь дают начало полностью дифференцированным клеткам. Другими словами, одна оплодотворённая яйцеклетка - зигота - дифференцируется в различные типы клеток, включая: нейроны , мышечные клетки, эпителий , эндотелий сосудов и др., путём 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 (Conrad Hal Waddington ) в 1942 году, как производное от слов «генетика» и аристотелевского слова «эпигенез». Когда Уоддингтон ввёл 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.

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 первичную 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 .

Метилирование ДНК

Модификации гистонов

Ремоделирование хроматина

Прионы

МикроРНК

В последнее время большое внимание привлечено к изучению роли в процессах регуляции генетической активности малых некодирующих РНК (miRNA) . МикроРНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путём комплементарного связывания с 3"-нетранслируемым участком мРНК.

Значение

Медицина

Эволюция

Хотя эпигенетику в основном рассматривают в контексте соматической 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 геномным импринтингом , феноменом, при котором аллели гена имеют разный профиль 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

Рак и нарушения развития

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.