Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Большинство неинфекционных заболеваний, которым подвержены люди, развиваются в течение достаточно длительного времени, а затем остаются проблемой на многие годы, если у человека нет возможности обратиться за медицинской помощью. Факторы окружающей среды теоретически могли бы постоянно воздействовать на гены в клетках, работающих ненормально, и провоцировать развитие заболеваний. Но это представляется маловероятным, главным образом, по той причине, что при большинстве хронических заболеваний предполагалось бы влияние множества факторов среды на множество генов. Трудно представить себе, что все многообразие таких стимуляторов одновременно присутствовало бы на протяжении десятилетий. Альтернативой могло бы быть существование некого механизма, поддерживающего имеющие отношение к болезни клетки в ненормальном состоянии, то есть вызывающего в них неадекватную экспрессию генов.

При отсутствии каких-либо веских доказательств участия в этих процессах соматических мутаций, главным претендентом на роль такого механизма становится эпигенетика. В этом случае гены одного из близнецов могли бы оставаться нерегулируемыми, что в конечном итоге и приводило бы к болезни. Сейчас мы находимся в самом начале этих исследований, но уже постепенно накапливаем подтверждения того, что дело может обстоять именно так.

Один из наиболее прямых концептуальных экспериментов заключается в анализе того, меняются ли модели хроматиновых модификаций (эпигеном) по мере взросления М3 близнецов. В упрощенном варианте нам не пришлось бы даже исследовать эти параметры в контексте заболеваемости. Мы могли бы начать с проверки намного более простой гипотезы о том, что генетически идентичные индивидуумы в процессе взросления становятся эпигенетически неидентичными. Если эта гипотеза окажется верна, она станет подтверждением идеи о том, что М3 близнецы могут отличаться друг от друга на эпигенетическом уровне. А это, в свою очередь, укрепит нас в решимости продолжать исследования и определить роль эпигенетических изменений в развитии заболеваний.

В 2005 году крупная объединенная группа исследователей, возглавляемая профессором Манелем Эстеллером, который тогда работал в Испанском национальном раковом центре в Мадриде, опубликовала доклад, посвященный этой проблеме[31]. Им довелось сделать некоторые очень интересные открытия. Когда они исследовали хроматин у пар М3 близнецов в младенческом возрасте, то не нашли существенных различий в уровнях метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Когда же они изучали пары М3 близнецов, которые были значительно старше, например, в возрасте пятидесяти с лишним лет, то в уровнях метилирования ДНК и гистонового ацетилирования у близнецов пары обнаруживались заметные различия. И особенно явно такие несоответствия проявлялись в тех случаях, когда близнецы долгое время жили отдельно друг от друга.

Результаты этого исследования подтвердили предположение, что генетически идентичные близнецы в начале жизни эпигенетически очень похожи друг на друга, но по мере взросления эта похожесть становится все слабее. Чем старше были М3 близнецы и чем дольше жили они отдельно друг от друга в разном окружении, тем, соответственно, в большей степени они испытывали на себе влияние разных факторов окружающей среды. А то, что именно близнецы в таких парах наиболее отличались друг от друга эпигенетически, вполне согласовывалось с теорией, что эпигеном (полный спектр эпигенетических модификаций генома) отражает различия окружающей среды.

Согласно статистике, дети, завтракающие перед школой, учатся лучше, чем те, которые пренебрегают завтраком. Это, конечно, вовсе не означает, что успеваемость можно повысить лишней тарелкой кукурузных хлопьев. Это всего-навсего может значить, что завтракающим детям повезло иметь родителей, собирающих и провожающих их в школу каждый день, помогающих им в усвоении знаний и вообще уделяющих им больше внимания. Подобным же образом следует интерпретировать и результаты исследований профессора Эстеллера. Они демонстрируют, что существует некая зависимость между возрастом близнецов и тем, насколько различаются они эпигенетически, однако эти исследования не доказывают, что взросление вызывает изменения в эпигеноме. Но такая гипотеза, по крайней мере, имеет право на существование.

В 2010 году группа ученых, работавших под руководством доктора Джеффри Крэйга в Королевской детской больнице Мельбурна, также провела исследования метилирования ДНК у пар однояйцевых и двуяйцевых близнецов[32]. Они изучали несколько относительно небольших участков генома, но более подробно, чем это было описано в докладе Манеля Эстеллера. Проведя исследования нескольких пар новорожденных близнецов, они обнаружили, что у двуяйцевых близнецов наблюдаются значительные различия в схемах метилирования ДНК. Такой результат не был неожиданным, поскольку двуяйцевые близнецы генетически неидентичны, а у различных индивидуумов, соответственно, и эпигеномы различны. Более интересно то, что, согласно результатам исследований, и М3 близнецы также обнаруживают различия в схемах метилирования ДНК, а это свидетельствует о том, что однояйцевые близнецы начинают различаться эпигенетически уже в процессе внутриутробного развития. Ознакомившись с информацией из этих двух статей и добавив к ней данные некоторых других исследований, мы можем сделать вывод, что даже генетически идентичные индивидуумы эпигенетически отличаются друг от друга уже к моменту рождения, и эти эпигенетические различия становятся все более выраженными с возрастом и под влиянием разных условий окружающей среды.

Эти данные согласуются с теорией, утверждающей, что эпигенетические изменения могут считаться, по крайней мере, одной из причин, по которым М3 близнецы фенотипически неидентичны, но и это предположение содержит в себе много допущений. Дело в том, что в очень многих случаях человеческий организм представляет собой весьма ненадежную экспериментальную систему. Если мы решим дать оценку роли эпигенетики в вопросе, почему генетически идентичные индивидуумы различаются друг от друга фенотипически, нам придется сделать следующее:

1) анализировать сотни, а не просто пары, идентичных индивидуумов;

2) искусственно, под полным контролем, менять условия воздействующей на них окружающей среды;

3) переносить эмбрионы или младенцев от одной матери к другой, исследуя результаты изменений в развитии на его самых ранних этапах.

4) многократно и в строго определенные моменты брать всевозможные образцы самых разнообразных тканей.

5) контролировать, кто и с кем вступает в половую связь.

6) проводить исследования на протяжении четырех или пяти поколений генетически идентичных индивидуумов.

Нет необходимости говорить, что применительно к человеку это попросту нереально.

Вот почему в эпигенетике принято проводить эксперименты с опытными животными. Это дает ученым возможность искать и находить ответы на самые сложные и запутанные вопросы, так как исследователи могут максимально контролировать условия окружающей среды. Сведения, получаемые в результате исследования животных, позволяют делать предположения и выводы, которые мы затем можем пытаться экстраполировать и на человека.

Соответствие между человеком и животными, возможно, не идеальное, но, тем не менее, наши «меньшие братья» помогают нам раскрыть огромное количество тайн фундаментальной биологии. Многочисленные сравнительные исследования показывают, что многие системы совершенно разных организмов остаются практически неизменными на протяжении невообразимо длительных периодов времени. В эпигенетическом механизме дрожжей и человека, например, значительно больше подобия, нежели различий, несмотря на то, что общий предок этих двух видов жил на земле почти миллиард лет назад[33]. Так что эпигенетические процессы это, по большому счету, явления фундаментальные, и использование модельных систем может, по меньшей мере, указать нам направление, в котором следует двигаться для более глубокого понимания природы человека.

Применительно к конкретному вопросу, который мы рассматриваем в этой главе — почему генетически идентичные близнецы часто оказываются непохожими друг на друга, — животным, оказавшимся наиболее полезным для наших целей, стала наша близкая млекопитающая «родственница», а именно мышь. Пути развития мыши и человека разошлись всего лишь каких-то 75 или около того миллионов лет назад[34]. 99 процентов генов, обнаруженных у мыши, также присутствуют и у человека, хотя они, конечно, не абсолютно идентичны у представителей этих двух видов.

Исследователи научились выводить популяции мышей, в которых все особи генетически идентичны друг другу. Это чрезвычайно важно, поскольку позволяет изучать роль негенетических факторов в возникновении различий между отдельными особями. Теперь в распоряжении ученых не два генетически идентичных индивидуума — они могут создавать их сотнями и даже тысячами. Способ, которым это достигается, заставил бы залиться краской стыда древнеегипетскую династию Птолемеев. Ученые спаривают мышей, являющихся друг другу братом и сестрой. Затем они спаривают брата и сестру из появившегося в результате первого спаривания помета. Потом спаривают брата и сестру из следующего помета и так далее. Когда такое спаривание между братьями и сестрами продолжается на протяжении более двадцати поколений, все генетические различия вымываются из генома. Все мыши одного пола из данной популяции становятся генетически идентичными. Более того, ученые могут внести всего лишь одно изменение в ДНК этих генетически идентичных мышей. Они могут воспользоваться этим приемом генной инженерии для создания мышей, которые будут во всем идентичны друг другу, кроме одного участка ДНК, наиболее интересующего исследователей.

Наиболее подходящим экспериментальным образцом для исследования вопроса, как эпигенетические изменения могут привести к фенотипическим различиям между генетически идентичными особями, стала мышка под названием агути. В обычных условиях шерсть этих мышей имеет своеобразную окраску — каждый волосок у них черный у кончика, желтый в середине и снова черный у основания. Ключевую роль для образования желтого центрального участка играет ген, названный агути, который в активированном состоянии обеспечивает такой чередующийся окрас.

Существует мутировавшая версия гена агути (она называется а), которая никогда не активируется. У мышей, имеющих только а, мутировавшую версию гена агути, шерсть полностью черная. Есть также и особая популяция мышей-мутантов, называемая Avy, что означает agouti viable yellow (то есть агути жизнеспособная желтая). У мышей Avy ген агути постоянно активирован, и потому их шерстинки по всей своей длине желтые. Мыши несут две копии гена агути, унаследованных ими по одной от каждого из родителей. Версия гена Avy доминантна по отношению к версии а, а это означает, что если одной копией является ген Мышка другого цвета, а другой — ген а, то Мышка другого цвета «одержит победу» над а, и волоски у такой мыши окажутся желтыми по всей длине. Вся эта информация проиллюстрирована на рисунке 5.2.

^{Рис. 5.2. На окрас шерсти мышей влияет экспрессия гена агути. В обычных условиях у мышей белок агути экспрессируется периодически, что приводит к характерной черно-желто-черной окраске шерсти. Нарушения такой цикличной схемы экспрессии могут стать причиной роста полностью желтой или черной шерсти по всей длине}

Ученые вывели популяцию мышей с одной копией Avy и одной копией а в каждой клетке. Такая пара обозначается как Avy/а. Поскольку Avy доминантен по отношению к а, то можно было бы ожидать, что у всех мышей шерсть будет полностью желтой. Так как все мыши в популяции генетически идентичны, следовало предполагать, что и выглядеть они должны одинаково. Однако это не так. У одних оказалась совершенно желтая шерсть, окрас других был классическим для агути, в котором черные волоски имели желтые «вставки», а третьи отличались всевозможными вариациями промежуточных расцветок, как это видно на рисунке 5.3.

^{Рис. 5.3. Генетически идентичные мыши демонстрируют широкую вариативность в окрасе шерсти, который определяется экспрессией белка агути. Фотография любезно предоставлена профессором Эммой Уайтло}

И это действительно странно — ведь все мыши генетически абсолютно одинаковы. У каждой из них один и тот же код ДНК. Мы могли бы выдвинуть предположение, что различия в цвете шерсти обусловлены окружающей средой, но лабораторные условия настолько стандартизированы, что это представляется маловероятным. Среда не может иметь к этому отношения еще и по той причине, что мыши из одного помета демонстрируют ярко выраженные отличия в окрасе. Надо думать, что мыши из единственного помета содержались более чем в одинаковых условиях.

Разумеется, вся прелесть работы с мышами, особенно с популяциями, выведенными от прямых родственников, заключается в относительной простоте выполнения разнообразных генетических и эпигенетических исследований, тем более, когда мы имеем довольно четкое представление о том, что и где искать. В нашем случае главным объектом изучения был ген агути.

Работающие с мышами генетики знают, каким образом создается желтый фенотип у желтых мышей Avy. Участок ДНК вводится в хромосому мыши непосредственно перед геном агути. Этот участок ДНК, который называется ретротранспозон, представляет собой одну из тех последовательностей ДНК, которые не несут информацию о белке. Вместо этого, в нем содержится информация об аномальном участке РНК. Экспрессия этой РНК нарушает обычное регулирование расположенного за ней гена агути и постоянно сохраняет этот ген во активированном состоянии. Вот почему шерсть у мышей Avy желтая, а не полосатая.

Но это не дает нам ответа на вопрос, почему генетически идентичные мыши Avy/а демонстрировали столь значительную разницу в окрасе шерсти. И этот ответ следует искать в эпигенетике. У некоторых мышей Avy/a последовательность CpG в ретротранспозоне ДНК оказывалась очень сильно метилированной. Как мы узнали из предыдущей главы, метилирование ДНК такого рода подавляет экспрессию генов. Ретротранспозон переставал экспрессировать аномальную РНК, нарушавшую транскрипцию гена агути. И такие мыши рождались с вполне характерным для них полосатым окрасом шерсти. У других генетически идентичных им мышей Аvу/а ретротранспозон был неметилированным. Он производил свою дефектную РНК, препятствовавшую транскрипции гена агути таким образом, что тот постоянно оставался активированным, и мыши рождались желтыми. Мыши с промежуточными уровнями метилирования ретротранспозона имели промежуточные уровни желтого цвета в шерсти. Этот механизм продемонстрирован на рисунке 5.4.

[31] Fraga et al. (2005), Proc Natl Acad Sci. USA 102: 10604–9.

[32] Ollikainen et al. (2010), Human Molecular Genetics 19: 4176–88.

[33] http://www.pbs.org/wgbh/evolution/library/04/4/l_044_02.html

[34] http://www.evolutionpages.com/Mouse%20genome%20home.htm