06 мая 2018, 21:20
Олег Акинин
Об этом переводе:
  • Оригинальное название: How epigenetics controls our genes in health and disease
  • Опубликовано: Broad Institute, 21 июля 2016 г.
  • Ссылка на источник: Ютуб, англ.https://youtu.be/xzZ859nYdbE
  • Транскрипт и перевод выполнен для блога «Вавилонский Зоопарк»
Эпигенетика

Как эпигенетика контролирует наши гены в здоровье и болезни

  • , Professor, Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School
  • Брэд Бернштейн, Профессор, Массачусетская больница общего профиля и Гарвардская медицинская школа


Я рад поговорить сегодня об эпигенетике. В этой области исследований я работаю около 15-ти лет. Захватывающе в эпигенетике то, что она объясняет, как последовательность букв, наша ДНК, воплощается в жизнь. Эпигенетика является захватывающей областью как для фундаментальной науки, так и для терапии, поскольку мы узнаём, что всё больше и больше заболеваний вызвано неисправностью эпигенетического контроля над нашими генами. Биотехнологические компании как в США, так и по всему миру начинают думать о путях разработки лекарств, которые изменят эпигенетику ваших клеток и могут быть очень эффективной терапией в будущем.

У меня медицинское образование и ординатура в области патологии, но, когда я познакомился с эпигенетикой, меня не отпускали её возможности. Как вы знаете, очень сложно изменить последовательность ДНК, хотя сейчас начинает проясняться, как это сделать, но есть множество возможностей изменить то, как контролируются гены. И это было причиной, приведшей меня к эпигенетике в 1999 году, когда я приехал в Бостон и начал своё постдокторальное исследование, а затем в 2005 году, когда я начал свою группу в Массачусетской больнице Гарварда.

Я хочу обрисовать, что представляет собой эпигенетика. Центр тайны в том, что у вас один геном. Оплодотворенное яйцо имеет набор хромосом, который, как вы знаете, является двумя копиями каждой хромосомы – вот что у вас есть. И из этого набора хромосом развивается организм, имеющий сотни разных типов клеток, которые продолжают нести в себе полный набор хромосом. Абсолютно разные клетки пользуются одной и той же ДНК, и вопрос звучит так – как это возможно?

Что касается определений – очень широко можно сказать, что эпигенетика пытается понять, как биология определяется тем, каким образом читается геном (активность генов). Генетика, по контрасту, немножко больше занимается последовательностью ДНК, и мутациями, отличающими одни участки ДНК от других. Генетика – невероятно продуктивная область исследований, но я хочу сосредоточится сегодня на регуляторах генов и их активности.

Вопросы, на которые я хотел бы сегодня ответить. По крайней мере, мы считаем, что знаем некоторые ответы.

  • Как один геном может порождать так много разных типов клеток;
  • Как контролируются наши гены;
  • Что ещё кодирует наш геном;
  • Как эпигенетические дефекты вызывают заболевания, и можем ли мы исправить их.

По пути встретятся несколько спорных научных тем. В любой области, имеющей захватывающие возможности, и в которой можно найти терапевтический потенциал, неизбежно возникают разногласия, и я коснусь этого немного.

Начнём с простого. Вы знаете, что главная догма биологии заключается в том, что ваши гены представляют собой последовательность ДНК, из которой путём транскрипции (переписывания) производится РНК, на матрице которой в процессе трансляции из аминокислот синтезируется белок. Белки являются действующими частями функционирующих клеток, обеспечивающими их работу. Всего у человека около 20 000 генов, кодирующих разные белки. В качестве примера: белок миозин, благодаря которыми мышцы имеют способность сокращаться, кодируется группой одноимённых генов; белок гемоглобин, переносящий кислород к вашим клеткам; CFTR – белок, участвующий в переносе калия в лёгком, а мутация в одноимённом гене может привести к муковисцидозу; дофаминовые рецепторы в мозгу также кодируется генами. Список большой, около 20 000.

Обладая этой информацией, можно немного подумать, как можно иметь два разных типа клеток из одной и той же ДНК. Представьте себе нейрон, и нейрон сильно отличается от клетки крови, пусть это будет какая-то иммунная клетка. Схематично представим рабочие гена зажжёнными лампочками – в нейроне будет какой-то набор производящих белок рабочих генов, которые можно ожидать для работы нейротрансмиттера. Другие гены молчат, и не производят никакого белка. Напротив, если посмотреть на клетку крови, то в ней набор генов идентичен, но работают другие комбинации. Производство нейротрансмиттеров отключено, но включен какой-то другой ген, возможно, он кодирует производство антител, что позволит иммунным клеткам бороться с болезнетворными микроорганизмами.

Концепция эпигенетики не такая уж и новая. Её интуитивно понял Конрад Уодингтон в 1949-ом году, прежде чем мы фактически узнали, что такое ДНК, и как она кодирует белки. Уоддингтон выдвинул концепцию эпигенетического ландшафта, по-другому – эпигенеза. На вершине клетка. И в процессе развития эта клетка, находящаяся на вершине какой-то иерархии, по аналогии с шаром, катящимся с холма, будет давать начало разным типам клеток в организме. Знаете, это потрясающе точно для идеи из 1949-го года.

Это другой вариант той же схемы. Теперь мы понимаем, что клетки на вершине ландшафта Уодингтона – это плюрипотентные, они же эмбриональные стволовые клетки, их судьба ещё не определена, все возможности открыты. Эти клетки в процессе развития, который Конрад Уодингтон называл эпигенезом, будут включать и выключать различные гены, и, в конце концов, зафиксируются в каком-либо определённом типе клеток. Эта концепция является сутью эпигенетики, и к сегодняшнему моменту мы уже узнали очень много об управлении генами, и о координации между событиями.

Результаты проекта «Геном человека» были опубликованы в 2003-ем году. В результате была определена последовательность трёх миллиардов пар оснований. И когда вы смотрите на эти три миллиарда букв, их довольно сложно интерпретировать, но не так сложно найти последовательности, которые кодируют белки.

В ДНК есть так называемые «триплеты» – комбинации из трёх последовательно расположенных нуклеотидов, определяющие расположение аминокислот в белках. Если сканировать геном в поисках триплетов, то можно найти активные гены.

Во время расшифровки генома вопрос о количестве генов вызывал бурные дискуссии. Есть занятная история о ставках на количество генов, произошедшая на научной конференции. Кто-то считал, что у человека всего 15 000 генов, но большинство считало, что поскольку человек невообразимо сложен, то должен иметь более 100 000 генов. Ответ оказался довольным скучным – в трёх миллиардах пар оснований нашлось всего около 20 000 кодирующих белок генов. Это ненамного больше, чем у мухи или круглого червя. Очень немногие учёные поставили на то, что у человека всего несколько десятков тысяч генов.

Примечание переводчика В фильме «Пятый элемент», коий по загадочным для меня причинам постоянно показывают по отечественному ТВ последние лет пятнадцать, есть сцена реконструкции инопланетянина, результатом чего явилась Мила Йовович. В процессе участники обсуждают инопланетную ДНК, и говорят фразу типа «человек имеет 40 000 генов, а это имеет 200 000 генов». Очень яркое проявление господствующего в то время (1997 г.) убеждения, что сложность организма должна быть непосредственно видна в его наследственной информации. В реальности на нашей планете самыми сложными в генетическом отношении организмами оказались растения.

Есть какая-то историческая ирония с оттенком пророчества в том, что в фильме из очень сложного инопланетного ДНК реконструировалась такая деревянная бездарность как Мила Йовович.

Но здесь, я думаю, одно из самых ярких открытий в том, что гены, кодирующие белок, составляют всего один или два процента от последовательности ДНК. Зачем нужны остальные 99% генома? Для меня это был один из самых притягательных и интересных вопросов. Эту часть генома определяли как «мусорная ДНК», «тёмная материя генома», и наши термины постепенно эволюционируют, поскольку постепенно растёт наше понимание. Но это действительно интересный вопрос, если смотреть на геном, как на инструкцию по производству белков – только 1% генома занимается делом.

Я хочу немного рассказать о том, почему некодирующие участки ДНК, вероятно, важнее, чем мы думали, и что существует нечто большее, чем гены. Для этого нужно ненадолго вернуться к генетике.

Что вызывает болезни? Мы знаем о болезнях, причиной которых является мутация в генах. Их довольно много, их называют моногенетические заболевания. Как правило они наследственные, и в их отношении действует набор шаблонов генетики – доминантные и рецессивные гены, к примеру. Я упоминал муковисцидоз – он вызывается мутациями в гене, кодирующем белок – транспортёр. Серповидноклеточная анемия – мутация гемоглобина. Миодистрофия Дюшенна является генетическим заболеванием.

Это всё очень здорово, но есть проблема. Моногенетические заболевания представляют собой очень небольшое число от общего количества заболеваний. Подавляющее большинство заболеваний, ложащиеся бременем на наше общество, не вписываются в эту простую модель.

Эти заболевания являются комплексными, и вместо одной мутации в их появлении задействовано множество различных мутаций, комбинирующихся в злокачественной последовательности. Мы не совсем понимаем, как именно происходит эта комбинация, но заканчивается всё болезнью. Диабет, шизофрения, рассеянный склероз, рак и т.д. – все эти заболевания имеют не одну причину, их можно назвать полигенетическими, или комплексными заболеваниями. И ещё одно – большинство из этих мутаций второго типа происходят даже не в генах, а в этих 99% процентах тёмной материи генома, которой мы не уделяли внимания до настоящего времени. Тем не менее, наличия этих мутаций, скорее всего недостаточно, чтобы утверждать, что разовьётся болезнь, поскольку роль играет ещё один фактор – окружающая среда. И здесь мы тоже очень плохо понимаем происходящее взаимодействие между генами, тёмной материей и средой.

Итак, как контролируются наши гены? И связанный с этим вопрос – что ещё кодирует наш геном помимо генов? Давайте поговорим немного о геноме.

Геном в длину составляет около двух метров, это те самые три миллиарда пар оснований. Клетки нельзя увидеть невооружённым взглядом, а клеточное ядро, в котором хранится ДНК, соответственно, только часть клетки. Как крошечное клеточное ядро помещает в себе два метра ДНК? Это выглядит, как будто мы наматываем нить на швейную катушку, вообще весьма поразительно. Нить ДНК обёрнута вокруг состоящей из белка катушки. Пара сотен оснований обёрнута вокруг одной катушки, пара сотен вокруг другой, в результате существуют миллионы катушек, в свою очередь плотно упакованных и организованных в более сложную структуру. В человеческом теле миллиарды клеток, и каждая клетка несёт в себе полный геном, упакованный таким образом. Но дело не ограничивается вопросом, как поместить ДНК в клетку, гены должны быть прочитаны, отправлены на РНК и должны быть созданы белки. Так как это работает?

Дело в катушках. Она может быть открыта и закрыта, и более того, катушка может быть помечена маленькими химическими маркерами, которые либо дают сигнал открыть катушку, либо настолько уплотняют структуру, что считывание генов становится невозможным ни при каких обстоятельствах.

Вот изображение таких катушек, они называется нуклеосомами, с обмотанной вокруг них нитью ДНК. Представим клетку, в которой не нужен определённый ген. Нейрон никогда не будет производить гемоглобин, вообще и ни при каких условиях. Поэтому участки гена, ответственные за производство гемоглобина туго намотаны на катушку, катушки сжаты друг с другом, и весь участок генома нечитаем. Но нейрон должен производить нейротрансмиттеры, и ответственный за их производство участок ДНК намотан на катушку совсем по-другому. Нить ДНК ослаблена, катушка-нуклесома может распасться, и механизм транскрипции, переносящий информацию на РНК находится в этом месте и считывает информацию с ДНК. Так что вопрос не только в том, как поместить два метра ДНК в клетку, но и как открывать и закрывать гены для считывания в нужный момент.

Я упоминал химические модификации, помечающие ДНК, и на этом слайде те же катушки, только на них прикреплены метильные группы, одни из таких модификаций. Метильная группа в одном месте может означать что нуклеосомы будут собраны плотно и компактно, и ген никогда не будет прочитан. В другом месте и с другими соседями метильная группа может облегчать чтение гена. Существует несколько типов химических модификаций, в разных комбинациях друг с другом приводящая к разным эффектам. Это очень захватывающе, и не удивительно, очень спорно.

Если подумать обо всём этом: о химические метки, в разных местах дающие команды «включено», «выключено» «включить позже», и этим прямо влияющие на функции, то при желании можно увидеть эпигенетический код. Мы знаем о генетическом коде – отдельный ген, кодирующий отдельный протеин, но поверх этого кода может быть эпигенетический код – другой уровень регуляции. Это очень привлекательная и очень мощная концепция.

Может быть некоторые из вас видели эту статью Сидхарты Мукерджи в журнале «Нью-Йоркер» о эпигенетике, природе и воспитании, он написал её на примере свои тётушек-близнецов, у которых был разный жизненный опыт, отразившийся на них со временем. И тётушки действительно очень разные, и он считает, что дело в эпигенетике. Это интересная статья, но автор делает очень далеко идущие выводы. Он утверждает, что есть эпигенетический код, который делает то и это, и что в нём скрываются большие возможности для биологии, медицины и терапии, и что серьёзные учёные по всему миру занимаются этим вопросом.

Я хочу показать вам несколько мнений учёных, серьёзно относящихся к своей науке.

«Статья в журнале Нью-Йоркер настолько глубоко ошибочна, что не заслуживает рационального анализа.» Уолтер Гилберт (Нобелевский лауреат, работы по секвенированию генома)

«Прискорбно, что эта статья вылилась на читателей журнала Нью-Йоркер.» Сидни Олтмен (Нобелевский лауреат)

«Мукерджи похоже не понимает, что на вершине иерархии эпигенетической информации находятся факторы транскрипции … в то время как химические модификации выполняют программы, определенные факторами транскрипции». Стивен Хеникоф (Steven Henikoff)

Я люблю эпигенетику, это моя сфера деятельности, но соглашусь, в целом эти ребята правы.

Эта статья, как и большинство популярной литературы фокусируется только на химических метках-маркерах. Но если посмотреть на ситуацию целиком, на весь эпигенетический ландшафт, то путь клетки от эмбриональной стволовой до сформированной клетки ткани определяется специализированными белками – факторами транскрипции. Химические метки выходят на сцену, когда клетка уже специализирована, и метки позволяют держать статус-кво. Много полемики в нашей области, но эпигенетика, на мой взгляд, сейчас немного переоценена. Это сложная система – клетки сами определяют свою будущее, а затем запираются в определённой форме.

Тем не менее, разговоры продолжаются, и в общем, это важная тема. Но в клетке происходит очень много большой сложности вещей, которые нельзя описать просто. Взять плюрипотентную стволовую клетку и вырастить из неё части тела – ну далеко не сейчас. Это интересно читать, но научная основа немного поверхностная, и, на мой взгляд, слегка ущербная.

Но, даже учитывая всё вышесказанное, в некоторых ситуациях химические метки включают, выключают, или устанавливают гены в промежуточное положение. И когда это происходит, мы можем секретировать их, изучить их, и увидеть, какую метку несёт на себе конкретный ген. Мы просто можем сканировать геном на предмет расположения эпигенетических меток, и увидеть набор генов, который активен в данный момент. Можно увидеть молчащие гены, но гораздо интригующими выглядят «спящие» гены, находящиеся в промежуточном положении. Таких генов очень много в стволовых клетках, и понятно почему – они не могут быть все одновременно включены, но для будущего развития их нужно держать спящими, постепенно отключая ненужное в процессе специализации. Объём информации, содержащийся в этих метках, действительно необыкновенный.

Даже это больше, чем собственно гены, но на катушках есть другие типы меток, похожие на переключатели. Иногда их называют энхансерами (усилителями), они помогают включать и выключать гены. Существуют маркеры, определяющие границы, с помощью которых геном разбивается на небольшие функциональные элементы.

Мы можем сделать сканирование генома, увидеть места, в которых используется тот или иной химический маркер, и попытаться понять, как и когда они используются.

Это подводит меня к проекту ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК), в который я вовлечён на протяжении длительного времени. Когда проект «Геном человека» был окончен, у нас была последовательность ДНК и гены, но что-то нужно было делать дальше. И целью проекта ENCODE было узнать что-то о других частях генома, путём его сканирования. Разумеется, там есть последовательность ДНК, образующая гены, это мы и так знали, но когда обнаружились переключатели, то о них ничего нельзя узнать по последовательности, потому что мы не знаем правил их работы. Но потом мы сделали сканирование на химические метки, их очень легко найти, поскольку они расположены на определённых местах, нашли границы функциональных генов и т.д. В итоге, когда результаты были опубликованы, в 2012-м году, Нью-Йорк Таймс назвал их «Гугл-карты человеческого генома».

И в результате выяснилось, что на 20 000 генов у нас 1 000 000 переключателей. В ДНК огромное количество последовательностей спаренных оснований, которые не кодируют белки, а управляют этим процессом, включая или выключая гены в специфичной для типа клетки манере. Так что в 2012-ом случилось это небольшое прозрение, и как часто бывает в науке, оно опять запустило споры, на сей раз о мусорной ДНК. Это вообще странно притягательная концепция – геном, полный мусора. Люди часто повторяют эту идею: «в генах почти один мусор!». Похоже, что нет.

Интересно сравнить размеры генома. Сколько оснований у вируса? Вирусы не могут реплицироваться сами по себе, и им нужна помощь в виде ваших клеток, в которые они вторгаются. В итоге ДНК вируса небольшая – 170 тысяч пар оснований. У бактерий в среднем пять миллионов оснований, может быть немного больше или меньше. Фруктовая мушка представляет собой сложно устроенный многоклеточный организм – 130 миллионов пар оснований. Человек – три миллиарда оснований, и можно предположить, что это всё, но некоторые растения содержат гораздо больше, до 150 миллиардов пар оснований.

Мне нравится эта картинка. Лук имеет примерно в 50 раз дольше ДНК, чем человек. И это наводит на мысль о том, что не вся информация в геноме должна быть важна. Если бы это было по-другому, лук бы демонстрировал более впечатляющие достижения.

Примечание переводчика Я бы подумал, что растения, которые не могут двигаться, должны нести в себе гены для осуществления белкового ответа на очень большой спектр внешних воздействий. От температуры до жучков – если ты не можешь убежать в тень и даже стряхнуть что-то с себя, то нужно реагировать другим образом. Лук, кстати именно поэтому так пахнет и такой на вкус – чтоб не жрали. Появления обезьян-извращенцев не было предусмотрено, но здесь блестящий симбиоз – благодаря нам лук получил исключительный эволюционный успех.

Всё что может двигаться, будет нести в себе большее количество регуляторов, поскольку подстроить уже существующее оснащение проще, чем создавать новое. С определённого момента можно предполагать, что геном более сложных организмов будет уменьшаться, поскольку более эффективно будет использоваться комбинации существующих возможностей. Постоянная перепаковка и починка ДНК требует огромных затрат энергии, которой можно найти лучшее применение. Постоянно растущий геном должен уткнуться в энергетический тупик.

Концепцию мусорной ДНК озвучил ещё Френсис Крик. Он сказал (1973 г.): «Всё выглядит так, будто гены плывут в море белиберды. Всё остальное немного лучше мусора». Ну знаете, если Уотсон и Крик что-то сказали, люди это запомнят. Особенно если употребляются слова типа «мусор».

Отсюда родилась концепция мусорной ДНК – то, что большая часть вашего генома не означает ничего.

В 2012-ом году, по результатам проекта ENCODE Национальные Институты Здоровья США (NIH) выпустили пресс-релиз, в котором было сказано:

Во время ранних дебатов относительно проекта «Геном человека» исследователи выдвинули гипотезу, что только несколько процентов человеческого генома кодируют белки … а остальное является мусором. Теперь мы знаем, что эта гипотеза была ошибочной.

Некоторых людей из научного сообщества такое заключение крайне расстроило. Форд Дулиттл (Ford Doolittle) является в своём роде легендарным эволюционным биологом, размышлявшим о последовательности ДНК и эволюции. Если посмотреть на соотношение мутаций между различными организмами, то можно определить насколько близки генетически люди к другим приматам, или, например, мышам, увидеть расхождение в ДНК и узнать, как часто происходят мутации между поколениями. Это своего рода мутационное бремя. И если сделать некоторые расчёты, что является сферой эволюционных биологов, то можно узнать, что не больше 10% генома может находится под воздействием отбора. Это означает что поколение к поколению геном в основной своей части должен оставаться неизменным, а появляющиеся мутации являются вредными. Согласно расчётам, только 10% человеческого генома могут испытывать положительный отбор, т.е. являться функциональными. И согласно Дулиттлу 10% - это верхний предел. Даже если есть нечто большее чем гены, оно не может положительно влиять на остальное, всё равно 90% - мусор.

Так что появившиеся утверждения о том, что весь геном функционален, особенно поддержанные Институтами Здоровья, очень огорчают эволюционных биологов. Геном не может быть целиком функционален, это сразу уничтожит нас как вид.

У той и другой стороны есть аргументы, и споры уже стали довольно неприятными и негативными, но у ситуации может быть простое решение. Представьте себе алмазы в пустой породе. Приблизительно так вне кодирующих генов есть огромные участки того, что мы назвали бы мусором, и в этих огромных участках здесь, здесь и здесь есть эти маленькие переключатели. И пусть их немного, скажем, меньше 10% от общей последовательности, их нельзя просто игнорировать. Нужно просеивать пустую поду генома, чтобы попытаться выяснить, что в ней, и каковы её функции. Помните, я говорил, что при диабете, шизофрении и других заболеваниях мутации находятся за пределами кодирующих генов? Если сравнить места, в которых произошли эти мутации с результатами проекта ENCODE, то окажется, что мутации происходят в переключателях. И это капля за каплей вносит свой вклад развитие комплексных заболеваний, хотя мы не знаем точно, как это происходит. Эти мутации не меняют последовательность оснований в кодирующем гене, они затрагивают регуляцию. Заставить один ген говорить тише, другой говорить громче – в итоге это увеличивает риск развития заболеваний. И нам очень хотелось бы узнать, как факторы окружающей среды соотносятся с контролем над генами, это большая часть того, что мы пытаемся сделать в этой области.

Ещё один спорный момент эпигенетики – вопрос о наследовании приобретённых признаков. Это вообще ересь, но настолько часто звучащая, что на ней нельзя не остановиться. Мы постоянно это слышим – то, что случилось с родителями или даже бабушками и дедушками, будет отражаться на детях и внуках. Нужно сказать, что есть некоторые очень интересные доказательства для таких заявлений. Во время Второй мировой войны в блокированной нацистами Голландии разразился голод, и если посмотреть на второе поколение после голода – людей, чьи бабушки голодали, когда вынашивали их матерей, то у них более высокий риск заболеть диабетом и некоторыми другими заболеваниями. Каким-то образом этот голод отразился на людях через поколение. Это не массовые последствия, но статистически что-то определённо произошло. И последовательность ДНК осталась неизменной, но что-то передалось.

Похожий эффект можно наблюдать на мышах, и он тоже трудноуловим. Если мышей держать на диете с большим уровнем жира, или любой другой действительно ужасной диете, с трудом переносимой животными, то через поколение, а иногда и в следующем поколении, появятся мыши с нарушенным обменом веществ. Опять, что-то передалось.

Людей нередко злят подобные результаты, потому что они поднимают давно закрытый спор между Ламарком и Дарвином.

Ламарк теоретизировал, что жираф получил такую шею, потому что он тянулся к более высоко расположенным листьям, растянул её, и передал растяжку потомству. Это эволюция по Ламарку, в терминах «использование» и «неиспользование». Конечно, мы знаем, что это заблуждение, и что был прав Дарвин. Животное, в результате случайной мутации получившее немного более длинную шею, получило также эволюционное преимущество и оставило больше потомков с длинной шеей. Раз за разом случайные мутации, благоприятствовавшие выживанию, создали такое животное, как нынешний жираф. Длинношеие просто в тех условиях выживали лучше, чем прочие парни, отбракованные отбором.

Мы знаем, что это на 99,9% правда, и ламаркизм сейчас отвержен. Но было бы интересно предположить существование какого-то механизма, позволяющего сообщить нескольким последующим поколениям очень общий опыт существования. Я не говорю, что Ламарк был прав, но может быть только какой-то намёк. Ну, например, отец передаёт сообщение: «с едой проблемы, вам лучше быть экономными». А затем эти детёныши попадают в обильный едой мир и быстро толстеют, поскольку их обмен веществ замедлен. Это интересно, но спекуляции разбиваются о тот факт, что нет возможности передать эту информацию. На этапе оплодотворённой сперматозоидом яйцеклетки вся эпигенетическая информация стирается. Все химические метки, о которых мы говорили раньше, все установленные за человеческую жизнь маркеры будут сброшены и переустановлены, как минимум 99% из них. Наследуется генетическая информация, на которую потом действует естественный отбор. Всё. Люди восторженно обсуждают только интригующие проблески возможности передать крупицы информации нескольким поколениям. Но нет вариантов, как между поколениями может передаться большой объём эпигенетической информации.

В последние 5-10 минут я хочу поговорить о заболеваниях. У нас есть отличная группа учёных, врачей и техников, как здесь в Broad Institute, так и Массачусетской больнице, и доступ к лучшим, по моему мнению, технологиям в мире. В результате образуется некая синергия: изучать геном, генетические маркеры и контроль используя последнее поколение оборудования, и в то же время работать с врачами-клиницистами и хирургами, имеющими непосредственный доступ к пациентам и изучающим образцы тканей и опухолей. У меня есть отличная группа коллег, вносящая огромный вклад в нашу работу.

И несколько слов о том, что мы думаем о раке. Люди думают о генетике рака. Рак является генетическим заболеванием, в основе которой мутация, включающая или выключающая ген. Это генетическая модель рака. Но надеюсь, я сказал достаточно, чтобы убедить вас, что существует эпигенетический способ активировать или заставить замолчать ген с помощью этих небольших химических маркеров. И это, как мы считаем, большая часть головоломки. Я хочу привести два примера.

Мы много работаем с глиомой – опухолью мозга. Я приведу пример эпигенетического изменения, способного привести к возникновению глиомы. И ещё один пример – как эпигенетика может привести к возникновению устойчивости опухоли к лекарствам – реальная проблема, с которой сталкиваются врачи.

При глиоме, конкретней lower grade gliomas, имеется мутация в гене IDH (Isocitrate dehydrogenase), отвечающем за метаболизм, но это сейчас не важно. Что действительно важно – гиперметилированная ДНК. Слишком много метильных групп на ДНК, и их нельзя удалить. Долгое время считалось, что так отключается активность гена, но, по моему мнению, происходит нечто более интересное.

Эти синие петли – ДНК. И если посмотреть на хромосому, то мы узнаём сейчас, что ДНК разделена на петли, множество разных петель, изолированных в различные районы. Я говорил об энхансерах, усиливающих экспрессию генов. Фиолетовое – это такой энхансер-регулятор, способный включить ген (отмечен зелёным), находящийся на той же петле. Но он не может включить тот же ген на соседней петле, поскольку это другой район, они разделены, и есть якоря, держащие их раздельно.

Мы узнали, что в клетках глиомы метилируются эти якоря, петля распадается, и энхансеры начинают включать гены, расположенные на соседних петлях. Последовательность ДНК не изменилась, но нить сложена по-другому, и этого достаточно, чтобы одни гены начали включать другие гены.

И это важно оттого, что может включиться онкоген, ген, вызывающий рак. Для примера есть молчащий онкоген, изолированный в своей петле, есть энхансер, способный его активировать, но этого не произойдёт в нормальной клетке, поскольку они разделены. В клетках глиомы якоря метилированы, петля разорвана, и энхансер получает доступ к онкогену, конкретно здесь это PDGRFA.

Это интересно по нескольким причинам. Во-первых, диагностирование – можно посмотреть на эпигенетический профиль пациента, и оценить происходящее. Во-вторых – терапия. Есть деметилирующие агенты, и можно создать лекарство. Мутации генов очень сложно исправить, но деметилирующий агент в качестве лекарства может восстановить якорь и нормальное положение петли ДНК.

Примечание переводчика Значительным деметилирующим действием обладает витамин D. Внезапно, откуда не ждали.

«Якорь», о котором постоянно говорится, это CTCF (Transcriptional repressor CTCF) белок-репрессор, основной функцией которого является правильная укладка хроматина. Примечательно в нём то, что он относится к белкам группы так называемого «цинкового пальца», содержащих в себе ионы цинка для стабилизации структуры. И при дефиците цинка эти якоря просто не будут созданы и развешены во всех местах, где они должны быть. Со всеми вытекающими.

В этом и есть захватывающий дух потенциал эпигенетики – доказательства того, что абсолютно всё влияет на ежесекундную активность генома. Эффект не будет виден немедленно, возможно, никогда и не проявится, но будет несомненно. Сделать с собой можно очень многое, но и ответственность за своё поведение возрастает многократно.

Прискорбно, что эпигенетику чаще всего обсуждают в разрезе глупых выдумок о передаче потомкам приобретённого опыта, научных издевательств над жёлтыми мышами агути, и слегка повышенной вероятности ожиреть у потомков плохо питавшихся несколько месяцев голландских баб. Это самое скучное, что есть в эпигенетике.

Второй пример относится к глиобластоме, это очень агрессивная форма рака мозга. На картинке клетки глиобластомы, окрашенные с целью увидеть, какие клетки включают какие гены. Здесь, в общем две вещи, которые я хочу показать. Во-первых, хотя всё это клетки опухоли мозга, они довольно разнородны с точки зрения того, какие гены в них активны. Во-вторых, здесь есть так называемые раковые стволовые клетки. Это очень интересные клетки, именно они пополняют опухоль и управляют ей.

Все эти клетки быстро разрастаются при помощи онкогенов. Сегодня мы лечим такие состояния с помощью лекарств, убивающих быстро разрастающиеся клетки. Но часть клеток сохраняется и выживает после лечения, мы называем их персистентными.

Мы узнали, что раковые стволовые клетки могут переключаться между двумя состояниями. Нет никакого генетического изменения, переключение происходит эпигенетически. И причина, по которой они это делают заключается в том, что включая-выключая определённые гены клетки обретают пластичность. Растущие клетки зависят от определённого сорта тирозин киназ (ферментов), но персистентные клетки ведут себя по-другому, и растут очень медленно.

Почему это важно? Ну, мы лечим рак с помощью методов, убивающих быстро делящиеся клетки. Радиация, химиотерапия или даже некоторые из этих многообещающих новых целевых терапий. Но персистентные клетки, находящиеся в фазе медленного роста, выживают под давлением химеотерапии. И мы боимся, что они начнут эволюционировать, изменять последовательность ДНК и делать другие вещи, делающие опухоль гораздо опаснее.

Сейчас мы работаем над новыми видами лекарств, эпигенетическими препаратами, переключающими активность генов. И переключив активность генов мы, возможно, будем способы добавить к обычной терапии что-то, позволяющее справиться с персистентными клетками. В этом направлении мы работаем.

Последний слайд, в общем показывающий общее состояние дел. Моя лаборатория и наша группа, мы считаем, добились большого прогресса в понимании основополагающие механизмов того, как гены включаются и выключаются и где находятся переключатели. В нашей области сейчас появляется всё больше и больше свидетельств того, что при раке мозга, лейкемии, и других распространённых неонкологических заболеваниях в эпигенетических механизмах происходят сбои. Здесь мы сейчас находимся. На повестке дня сейчас перенос результатов в клиническую практику, разработка новых диагностических инструментов, и нам нужно лучше организовать работу с новыми компаниями, пытающимися разработать конкретно эпигенетическое лекарство. Эти острова нужно сделать как можно ближе друг к другу, что-то вроде коллективных групп ученых, обладающих знаниями, связанных с технологиями и вычислительными мощностями, и с клиническими и терапевтическими средствами. Вы можете себе представить, что для этого требуется много опыта в разных областях.

Замечательно, что мы наконец-то начали понимать, что происходит здесь, и как эпигенетика может влиять на развитие болезней. Я надеюсь, что в ближайшие пять-десять лет мы соберём разрозненные острова в одно, и это будет иметь реальный эффект.

Спасибо.

Вопросы из зала

Если бы вы могли получить ответ на любой вопрос из области эпигенетики, что за вопрос это был бы?

Эпигенетика состоит из многих частей. Гены контролируются множеством факторов, мы знаем о сотнях генов и белков, чья работа состоит в том, чтобы контролировать гены, которые сами контролируют гены. У нас есть способы влиять на них препаратами, а также мы знаем при каких болезнях в генетическом контроле происходит сбой. Но мы пока не знаем, как соединить все эти точки воедино. Например, если бы мы знали, что при болезни Х произошёл сбоя контроля из-за конкретного белка, мы могли бы разработать терапевтическую стратегию для гена с участием конкретного белка. Но сейчас у нас разрыв в понимании между наличием дефекта в гене, и способом поправить это. Есть препараты, но как, где и когда их использовать – вот вопрос, на который я хотел бы получить ответ.

Может быть я пропустила, но какую роль окружающая среда играет в этой эпигенетической модели? Очевидно, что есть экологические причины разных видов рака, есть инициаторы и т. д. Как окружающая среда активирует эпигенетические факторы?

Ответ в том, что мы пока не знаем этого. Я могу дать пример, как это может работать. Оснащение, включающее и выключающее гены, чувствительно к уровню метаболитов, стрессу, испытываемому клетками, и оно реагирует на эти сигналы. Оно чувствует окружающую среду, и в ответ на это изменяет активность генов. Если организм голодает, то гены будут работать по-другому. Проблема в том, что мы не знаем деталей. Я вас, скорее всего, разочарую, но мы не в состоянии показать строгим научным образом влияние токсинов или любых других экологических факторов на генную регуляцию. Тот же разрыв – мы не можем провести связи между воздействием окружающей среды и физическим изменением генного контроля. Разумеется, у нас есть эпидемиологические данные, и без сомнения, окружающая среда имеет влияние на вероятность развития болезней. Но наши знания недостаточны, чтобы показать механизм, благодаря которому происходит влияние. Нам нужен механизм: как именно метаболиты, токсины, фолаты, – что угодно – делают то, что делают. У нас его нет. Надеюсь, мы его поймём, но не стоит ожидать очень много в ближайшее время.

Что касается рака – человек со временем накапливает мутации в генах, и когда клетки делятся, они остаются, и на них накладываются новые. Рак растёт очень долго, и каждое деление клеток по чуть-чуть добавляет к будущему заболеванию. Рак – это не одномоментное событие, это ряд повреждений, накопившихся в течение длительного времени. И это создаёт трудности. У нас есть мыши, на которых мы изучаем рак. Но мы вызываем у мышей рак за три месяца, и это, возможно, не лучшая модель для изучения рака у человека, который развивается 20-30 лет. Как изучить это в лаборатории? Мы запускаем наши эксперименты на несколько дней, недель, месяцев, ну может быть год. Результаты должны быть быстро. Но как отслеживать комбинации мутаций в результате воздействия окружающей среды на протяжении 20-ти лет? Мы работаем, и я считаю, что результаты будут, но нужно время.

Что можно сказать о митохондриальной ДНК?

Да, в дополнение к нашему геному у митохондрий – органелл в наших клетках – существует свой геном, он наследуется от матери немного по-другому. Митохондриальная ДНК также по-другому организованна. Катушки, о которых я говорил вам, существуют только у высокоразвитых организмов, у бактерий их нет. Геном бактерий мал, и он просто плавает в клетке сам по себе. Когда эволюция пошла от прокариот к эукариотам, геном стал настолько сложен, что его нужно было организовать. У дрожжей уже есть катушки-нуклеосомы. Митохондриальная ДНК выглядит как бактериальная, в ней нет нуклеосом. Я к сожалению, знаю очень мало на эту тему. Насколько мне известно, не очень много людей занимаются эпигенетикой митохондриальных ДНК. Вопрос хороший, но на него должен кто-то другой ответить.

Были ли какие-либо другие исследования воздействия голода на популяцию помимо «голодной зимы» в Голландии?

Разумеется, было много разных эпизодов голода в мире, в Африке, например. Относительно Голландии важным моментом является то, что была буквально блокада, и в городах не было еды. Беременные женщины регулярно посещали врача, проходили обследования, были тщательно зафиксированы сроки беременности. Т.е. по ним есть детальная медицинская история, это женщины из развитой страны первого мира – и они голодают от недостатка еды. Именно детально зафиксированная медицинская история является исключительным отличием в отношении этой конкретной когорты. Есть другие работы по разным группам в разных частях мира, но нет такого качества данных. И сейчас можно сделать сканирование генома потомков этих женщин, и попытаться найти отличия. Нет сомнений, что оказывается повышенным риск развития целого ряда болезней, но, как я говорил, нам нужен механизм.

Все заметки категории «Эпигенетика»