05 октября 2017, 14:11
Олег Акинин
Об этом переводе:
  • Оригинальное название: Introducing epigenetics
  • Опубликовано: spiceuwa, 13 марта 2016 г.
  • Ссылка на источник: Ютуб, англ.https://youtu.be/3Mg70zOd8yA
  • Транскрипт и перевод выполнен для блога «Вавилонский Зоопарк»
Эпигенетика

Введение в эпигенетику

  • , lecturer in the School of Medical Sciences at Edith Cowan University


Одна из самых сложных тем, с которой мы сталкиваемся во время проведения генетических исследований, это эпигенетика. Поэтому, надеюсь, сегодня я смогу сосредоточить внимание на том, что действительно важно в эпигенетике, что мы действительно понимаем на данный момент, а также покажу вам, насколько полезна эпигенетика будет в будущем.

Что такое эпигенетика?

Эпигенетика – это уровень контроля, происходящий на уровне выше генетического. У нас есть информация, записанная в последовательности ДНК, а эпигенетика определяет, какие гены отключены и какие гены включаются в определенных клетках организма.

Это происходит с помощью химических модификаций либо самой ДНК, либо белков, с которыми взаимодействует ДНК, и делает ДНК доступной или невидимой для механизма транскрипции. Выглядит процесс как приклеивание химического выключателя «вкл» «вкл» на ДНК, означающего что один участок ДНК считывается, а другой игнорируется. Причина, по которой это важно, состоит в том, что каждая отдельная клетка в нашем теле, кроме красных кровяных телец, имеет точно такую же последовательность ДНК.

Клетки глаза, кожи, печени, сердца – все они содержат идентичную ДНК, но очевидно, функции всех этих клеток различны. Эпигенетика является первым уровнем контроля, способом сказать, например, клеткам мозга: «отключите функции по производству инсулина, они вам не нужны». Таким образом, она позволяет человеку развиться в большой мультиклеточный организм с множеством разных клеток, имеющих специфические особенности и особые роли в организме. Без эпигенетической системы, включающей и выключающей активность генов, все клетки тела производили бы всё одновременно, и это был бы абсолютный хаос. Этот уровень контроля нужен для создания определённых тканей, с его помощью клеткам отдаётся сигнал отключить все ненужные функции.

В каждой клетке человеческого тела содержится около двух метров ДНК, в компактном виде находящееся в ядре каждой клетки. Первый шаг для уплотнения ДНК – разбивка их по хромосомам. У людей есть 46 хромосом, 23 унаследованы от матери, и 23 унаследованы от отца. Таким образом нить ДНК в два метра длинной разбивается на 46 коротких частей.

Как я уже сказала, все клетки имеют одинаковую ДНК, но выполняют совершенно разные функции. Образцы экспрессии разных генов различны в каждом конкретном типе клеток. Клетки кишечного эпителия секретируют ферменты, позволяющие вам переваривать пищу, и вам определённо не нужно, чтобы мышечные клетки начали производить эти ферменты. К счастью, этого и не произойдёт. Каждая клетка имеет свою специализированную функцию, а функция определяется тем, какие гены включены, а какие отключены.

Меняющийся эпигеном

Хорошие новости об эпигеноме состоят в том, что изменяем. Когда что-то происходит, телу нужно включить экспрессию молчащих генов, для того чтобы среагировать и измениться. Это особенно справедливо во время развития эмбриона. После того как сперматозоид и яйцеклетка слились воедино, на ранней стадии развития будет создано множество структур, абсолютно не нужных, скажем, на третьем месяце беременности. Так что факт гибкости и изменчивости эпигенома, позволяющий включать и отключать экспрессию генов, является очень важным.

Клетки постоянно прислушиваются к сигналам, чтобы изменить то, что они делают. Сигналы могут исходить от соседних клеток, или из окружающей среды. Стадия развития организма определяет, какой источник сигнала будет более приоритетным. Когда сперматозоид и яйцеклетка слились в одно, и началось деление, сигналы от окружающих клеток несут информацию, каким клеткам стать внутренними, а каким – внешними слоями эмбриона. Но по мере того, как человек становится старше, окружающая среда начинает гораздо больше влиять на эпигеном. Диета, время года, употребление лекарств и наркотиков, физическая активность – всё это влияет на эпигеном, и может изменить шаблон управления экспрессией генов. Эпигеном изменяем, на него влияет огромное количество вещей, и, по мере того как вы становитесь старше, окружающая среда, вероятно, влияет на него больше всего.

Ещё один важный факт об эпигенетических сигналах – они стираются, когда из сперматозоида и яйцеклетки образуется новая клетка. Как и любые другие клетки, сперматозоид и яйцеклетка содержат эпигенетические сигналы своего организма, и когда они сливаются вместе, все эти сигналы должны быть стёрты, чтобы клетки формирующегося эмбриона могли стать чем угодно. Если они останутся, то, во-первых, возникают конфликтные метки между материнскими и отцовскими хромосомами, а во-вторых невозможно посторенние всех необходимых для развивающегося эмбриона органов и тканей, поскольку половые клетки уже закончили свой путь развития.

При слиянии половых клеток метиляция очень быстро снимается с ДНК сперматозоида, и несколько медленнее с ДНК яйцеклетки, но это происходит исключительно потому, что несколько метилирующих меток будут нужны для первого этапа деления клеток. Но к тому времени, когда прогресс дойдёт до стадии бластоцисты, которая представляет собой оплодотворённое яйцо, готовое для имплантации, все сигналы метилирования ДНК будут стёрты, и все клетки этой маленькой бластоцисты могут стать чем угодно. Когда учёные говорят об эмбриональных стволовых клетках, речь идёт именно об этом. Сейчас исследователи пытаются выяснить, что заставляет эмбриональные клетки развиваться по определённому пути, чтобы иметь возможность вырастить из них нейроны, клетки печени или глаза. Способность эмбриональных стволовых клеток становится любим видом ткани делает их очень многообещающим полем для медицинских исследований.

На этапе обретения эмбрионом узнаваемой формы младенца все метильные метки для формирования определённого типа ткани уже установлены. Клетки печени, сердца, мозга – все ткани, которые в дальнейшем будут существовать и развиваться, уже получили эпигенетические метки на этапе, когда в эмбрионе уже можно разглядеть ребёнка.

Ещё одна очень важная функция эпигенома – эпигенетическая память. Нужно быть уверенным, что клетки, пошедшие по одному пути развития, не оставят его. Когда клетки, под влиянием сигналов окружающих клеток начинают формировать нервную систему, не должно быть ситуации, когда в процессе деления какая-то клетка «решит» стать клеткой лёгкого или мышц. Поэтому, когда клетки проходят через процесс деления, эпигенетические изменения сохраняются и поддерживаются от поколения к поколению, а новые сигналы дописываются «сверху» предыдущих.

Происходит это, например, так. В эмбрионе есть стволовая клетка, и она прежде всего получает сигналы от соседей. Она решает: «хорошо, поскольку сигналы со всех сторон, я клетка внутреннего органа». Далее эта клетка получает сигналы становиться нервной системой. Когда клетка делится, эпигенетическая метка остаётся и передаётся следующей клетке, которая может стать, например, спинным мозгом. Затем эта клетка получает сигнал, приказывающий не становится глиальной клеткой, а выращивать аксоны. И в конце концов сигнал прикажет этой клетке стать мотонейроном. Так происходит развитие с опорой на эпигенетические метки, полученные клетками от предыдущих поколений. Эпигенетика не позволяет клеткам «откатываться назад» в развитии. Без эпигенетических меток вместо сложной взаимодействующей системы органов и тканей, которой является человек, был бы просто клеточный хаос.

Как я упоминала раньше эпигеном изменяем, и когда человек становится старше, окружающая среда влияет на него больше всего. На эпигеном прямое воздействие оказывает диета – у людей с разным рационом будет различная эпигенетическая картина, разные гены будут включены и отключены. Но на эпигеном могут воздействовать непрямые события – количество стресса в жизни ребёнка во время роста, часто ли скандалили родители – все подобные вещи могут влиять на эпигеном.

В частности, хороший пример влияния питания на эпигенетику можно наблюдать у пчёл. Пчелиная матка и рабочие пчелы генетически идентичны, они имеют точно такую же ДНК. Единственное отличие состоит в том, что личинку, которая должна стать пчелиной маткой, продолжают кормить маточным молочком, а личинок, из которых получатся рабочие пчёлы – нектаром, пыльцой и водой. Питание маточным молочком позволит личинке включить гены, которые разовьют яичники и большое брюшко для откладывания яиц, а также сигнальный комплекс, позволяющий управлять всеми остальными пчёлами в колонии. Гены для того, чтобы стать королевой есть у всех пчёл, но включатся они только из-за продолжающегося воздействия на личинку маточного молочка. Рабочие пчёлы останутся стерильны. Так что это всё полностью эпигенетические изменения, связанные с диетой.

Структура ДНК и эпигенетические модификации

Вернёмся к тому, как весь этот механизм работает. Основа заключается в намотке ДНК для компактного хранения её в клетке, и белках, которые мы используем для этого. Первый уровень – это спиральная форма собственно ДНК, позволяющая немного её уплотнить, но основной уровень уплотнения – намотка нити ДНК вокруг белков, называемых гистонами.

Гистонов всего восемь, и вместе они формируют шарообразную структуру, на которую нить ДНК намотана в полтора оборота. Структура из гистонов и ДНК называется нуклеосомой. Нуклеосомы переплетаются друг вокруг друга снова и снова, пока не образуют уплотнённую или полууплотнённую структуру, называемую хроматином. Когда клетка начинает процесс деления, ДНК уплотняется ещё больше, образуя в итоге классическую форму хромосомы. Так что хромосома – это ДНК обмотанная вокруг гистонов, и нуклеосомы, обмотанные друг вокруг друга.

Первый способ модификации мы называем модификацией гистонов, и она происходит на хвостах этих маленьких белков – гистонов, из которых сформирована нуклеосома. Каждый из гистонов имеет торчащий в сторону хвост, и на этих хвостах есть различные точки, в которые могут добавляться химические сигналы. Здесь эпигенетика становится сложной.

Есть ряд различных химических веществ, которые могут добавиться к хвостам. Это могут быть ацетильные группы, фосфатные группы, метильные группы, убиквитиновые (убихиноновые?) группы. Позиция каждой конкретной группы-метки на хвосте, а также какие группы расположены по соседству, имеет значительное влияние на то, какой эффект от них будет. Позже мы будем говорить о метиляции ДНК, и там всё проще – метильная группа всегда отключает экспрессию гена. Но когда дело касается гистонов, полная ясность отсутствует. Метильная группа в определённом месте того или иного хвоста может на самом деле способствовать разматыванию ДНК и облегчать экспрессию генов. Но та же самая метильная группа в других местах и с другими соседями может стянуть ДНК и заставить ген замолчать. Единственное, что мы на данный момент можем сказать уверенно – то, что ацетильные группы на хвостах гистонов ослабляют намотку нити ДНК и делают её более доступной для механизма транскрипции, что облегчает экспрессию генов. Касательно фосфатных, метильных и убиквитиновых групп всё гораздо сложнее – в зависимости от позиции и соседей они могут как облегчать, так и усложнять экспрессию. Попытки определить комбинации для положения «включено/выключено» являются сейчас горячей темой эпигенетических исследований, но обобщённо пока мы можем только сказать, что ацетилирование открывает ДНК. Происходит это из-за смены заряда нуклеосомы, что заставляет их отходить друг от друга, разматывая ДНК и позволяя механизмам транскрипции в клетке получить доступ к ней. Когда нить ДНК ослаблена, нуклеосомы могут двигаться вдоль неё, им не обязательно оставаться на одном месте. Также нуклеосома может распасться на гистоны, и собраться в другом месте. И хотя мы можем в общем утверждать, что ацетилирование открывает ДНК, в целом модификация гистонов сложна до абсурдности.

Второй тип эпигенетической модификации происходит с самими генами. Ген – это небольшой участок ДНК, в которых записаны инструкции по созданию белка. Произведённый белок отправляется выполнять свою функцию внутри клетки, вне клетки, в другом органе – всюду, куда его отправят.

Сам ген состоит из трёх частей. В середине кодирующая последовательность РНК, это собственно информация, которая кодирует белок. Также есть промотер и терминатор. Как можно догадаться, промотер сообщает о начале информации гена для считывания, терминатор означает конец полезной информации, «стоп». Помимо этого, промотеры имеют несколько последовательностей, которые помогают регулировать активацию или подавление генов. В одной конкретной области промотера существует большое количество нуклеиновых оснований Ц (цитозин; C, cytosine) и Г (гуанин; G, guanine), которые вместе называются CpG-островами. В этой конкретной области метильные группы способны связываться с остатками цитозина, и когда они связываются с остатками цитозина, они в основном блокируют транскрипцию. Когда метильная группа присоединяются к участку на промотере, механизм транскрипции не может больше видеть ген, и экспрессии не происходит. Поэтому метилирование ДНК гораздо проще модификации гистонов – метилирование просто отключает ген.

Схематично метиляцию можно подставить так. Основание цитозин, находящееся перед промотером пусто, с ним ничего не связано, в результате ничего не мешает экспрессии генов. Когда в результате метиляции с основанием связывается метильная группа, механизм транскрипции не видит промотер, ген не считывается, и экспрессии не происходит.

Эпигеном и близнецы

По причине постоянного влияния окружающей среды исследования в области эпигенетики являются довольно сложными – сложно точно сказать, что повлияло на одного человека или не повлияло на другого.

Отличным способом изучения эпигенома является наблюдение за идентичными близнецами. Идентичные близнецы появляются в случае разделения оплодотворённой яйцеклетки на две части, что приводит к появлению двух генетически идентичных индивидуумов. Поскольку с точки зрения ДНК между двумя особями нет разницы, всё различие заключается в эпигеноме, в сигнальной системе, которую они разовьют в течение жизни. И различия могут быть значительными.

Это снимок определённой пары хромосом идентичных близнецов. Участки метилирования на хромосоме одного из близнецов окрашены в красный цвет, другого – в зелёный. Затем снимки были наложены друг на друга, и жёлтый цвет представляет собой идентичное метилирование. В возрасте трёх лет близнецы имели практически 100% идентичное метилирование ДНК. Кое-где проявляется красный, кое-где зелёный, это отражает небольшие различия в окружающей среде, например, один ребёнок научился перекатываться раньше, а другой получал немного больше питательных веществ через плаценту. Но в целом в три года разницы нет, эпигеном идентичен.

47 лет спустя картина изменилась значительно. Те же самые близнецы в возрасте 50 лет, участки метилирования окрашены к красный и зелёный, и снимки наложены друг на друга. Жёлтым по-прежнему обозначены участки идентичного метилирования, но теперь можно видеть, что пятен зелёного и красного гораздо больше. Это означает, что хотя люди и идентичны генетически, они никогда не будут подвергаться 100% одинаковому воздействию окружающей среды. Одной из близнецов полюбился футбол, другая предпочла нетбол – этого будет достаточно, чтобы повлиять на эпигеном. Разный круг общения, привычка читать вместо того чтобы смотреть телевизор, пристрастие к курению – любой вид внешнего воздействия может изменить эпигеном и экспрессию генов.

Поэтому идентичные близнецы – отличный способ определить, есть ли влияние окружающей среды на какую-либо определённую характеристику. И характеристика, на которую обращали внимание в этом конкретном случае – уровень интеллекта.

Итак, первая группа – идентичные близнецы, росшие в одной семье. Если бы IQ был обусловлен исключительно генетикой, корреляция была бы 100% Факт отсутствия стопроцентной корреляции означает, что в окружающей детей среде было что-то, что повлияло на их развитие. Дальше на графике есть идентичные близнецы, выросшие в разных семьях, и в этом случае корреляция в уровне интеллекта только около 70%. Определённо среда, в которой выросли эти дети, повлияла на развитие их способностей.

Идентичные близнецы не всегда заболевают одинаковыми заболеваниями. Есть понятия «согласованные заболевания» и «несогласованные заболевания». При согласованных заболеваниях оно появляется у обоих близнецов, при несогласованных один болеет, другой нет. Несогласованные заболевания являются отличным способом определить, в чем разница между близнецами, почему один заболел, а другой нет. Дело может быть в очень простых вещах: один ребёнок полюбил спорт, а другой нет; один остался дома, а другой слетал в Китай, где подвергся высокому уровню загрязнения воздуха и развил более склонный к астме фенотип. Нахождение отличий в схемах метиляции ДНК и модификации гистонов – очень новая сфера эпигенетических исследований, и близнецы – очень ценный ресурс в этих исследованиях.

Эпигенетическая терапия

Последнее, что я хочу упомянуть – перспективы в эпигенетических исследованиях.

Эпигенетическая терапия является одной из перспективных целей на будущее, поскольку научится включать и выключать гены выглядит проще, чем изменять последовательность ДНК. Уже существует довольно много находящихся в стадии разработки или уже одобренных для применения человеком препаратов, которые изменяют образцы метилирования ДНК или пытаются скорректировать модификации гистонов. Но дело в том, что нам нужно быть уверенным, что лечение будет выборочным. Нужен таргетинг на определённую клетку, иначе есть риск отключить ген во всех клетках тела. Отключение гена в клетках лёгких может быть отличным выходом, но отключение того же гена в почках или печени может привести к раку. Нам нужно быть очень аккуратными с целями и способами доставки.

Но эпигенетика действительно является многообещающей новой областью медицинских исследований, и она пытается повлиять на путь, которым люди развивают болезни, и управлять болезнями.

Все заметки категории «Эпигенетика»