Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В последние десять лет мы наконец начали потихоньку разбираться, в чем тут дело, и в очередной раз это явление оказалось связано с регулированием экспрессии генов эпигенетическими механизмами. Настало время перейти к рассмотрению молекулярной биологии эпигенетики.

Глава 4. Жизнь, какой мы знаем ее теперь

До сих пор наше повествование было сосредоточено, главным образом, на результатах, на явлениях, которые мы можем наблюдать и на основании этого делать выводы, что они происходят по эпигенетическим причинам. Но любой биологический феномен имеет под собой физическую базу, и именно ее мы обсудим в этой главе. Все эпигенетические явления, о которых мы говорили выше, являются результатами вариативности в экспрессии генов. Клетки сетчатки, например, экспрессируют совсем иной набор генов, чем, скажем, клетки мочевого пузыря. Но каким же образом различные типы клеток активируют или репрессируют разные группы генов?

Специализированные типы клеток в сетчатке и мочевом пузыре располагаются на самом дне двух разных впадин на эпигенетическом ландшафте Уоддингтона. Работы Джона Гердона и Шиньи Яманаки убедительно показали нам, что, какие бы механизмы ни использовали клетки для того, чтобы всегда оставаться в этих ложбинах, они не имеют никакого отношения к изменению исходного чертежа ДНК клетки. Он всегда остается постоянным и не подвергается корректировкам. Следовательно, активация и репрессия определенных наборов генов должно осуществляться с помощью какого-то другого механизма, причем такого, который мог бы оставаться в рабочем состоянии очень долгое время. Этот тезис не подвергается сомнению, поскольку нам известно, что некоторые клетки, такие, например, как нейроны головного мозга, относятся к настоящим долгожителям. Возраст нейронов мозга 85-летнего человека, к примеру, составляет около 85 лет. Они формируются в самом раннем детстве и остаются неизменными на протяжении всей жизни человека.

Но другие клетки ведут себя совсем иначе. Клетки верхнего слоя кожи, эпидермы, полностью заменяются приблизительно каждые пять недель в результате постоянного деления стволовых клеток в более глубоких слоях этой ткани. Из этих стволовых клеток всегда получаются только новые клетки кожи, а не, например, клетки мышц. Таким образом, система, поддерживающая определенные наборы генов в активированном или репрессированном состоянии, должна, кроме того, обладать механизмом, который может передаваться от родительской к дочерней клетке при каждом делении.

Возникает парадокс. С момента опубликования в середине 1940-х годов работы Освальда Эйвери и его коллег исследователям известно, что ДНК является клеточным веществом, переносящим нашу генетическую информацию. Если ДНК всегда одинакова в разных типах клеток человека, то, как могут невероятно точные комбинации экспрессии генов передаваться друг другу многими поколениями клеток при их делении?

И снова на помощь нам приходит уже ставшая привычной аналогия с актерами, читающими сценарий. Баз Дурман вручает Леонардо Ди Каприо шекспировский текст «Ромео и Джульетты», на котором режиссер написал от руки или напечатал собственные примечания — как расположить актеров, куда поставить камеру и много другой дополнительной рабочей информации. Лео делает себе фотокопию сценария, и все добавленные Базом Лурманом пометки копируются вместе с ним. Клэр Дейнз также получает свой экземпляр сценария «Ромео и Джульетты». Комментарии режиссера на нем иные, чем на сценарии ее партнера, и этот вариант текста пьесы также копируется. Вот таким образом и осуществляется эпигенетическая регуляция экспрессии генов — разные клетки имеют одинаковый чертеж ДНК (оригинальную авторскую пьесу), но несут в себе различные молекулярные модификации (режиссерский сценарий), которые при каждом делении клетки могут передаваться от материнской клетки к дочерней.

Эти модификации ДНК ничуть не меняют изначальную природу А, Ц, Г и Т в нашем генетическом сценарии, в нашем чертеже. Когда какой-либо ген активируется и копируется для образования мРНК, эта мРНК обладает точно такой же последовательностью, контролируемой правилами спаривания оснований, независимо от того, несет или нет этот ген в себе некие эпигенетические дополнения, Точно так же, когда ДНК копируется, чтобы образовать новые хромосомы для деления клетки, именно те же последовательности А, Ц, Г и Т копируются вместе с ней.

Но если эпигенетические модификации не меняют информацию, которую несут в себе гены, то для чего же они служат? Главным образом, они способны очень резко повлиять на то, насколько ярко будет экспрессироваться ген, и будет ли он экспрессироваться вообще. Эпигенетические модификации также могут передаваться следующим поколениям клеток при их делении, и благодаря этому механизм регуляции экспрессии генов в дочерней клетке остается тем же, каким он был в материнской клетке. Именно по этой причине стволовые клетки кожи могут развиться только в новые клетки кожи, но не в клетки какого-либо другого типа.

Первой обнаруженной эпигенетической модификацией было метилирование ДНК. Метилирование означает добавление метиловой группы к какому-либо другому химическому соединению, в данном случае к ДНК. Метиловая группа чрезвычайно крошечная. Она состоит всего лишь из одного атома углерода, присоединенного к трем атомам водорода. Ученые — химики описывают атомы и молекулы исходя из их молекулярной массы, причем атом каждого элемента имеет собственную, отличную от других атомов массу. В среднем, молекулярная масса пары оснований составляет около 600 Да (Да — это сокращение от «Дальтон», единицы измерения молекулярной массы). Метиловая группа имеет молекулярную массу всего лишь 15 Да. При присоединении метиловой группы масса пары оснований увеличивается на 2,5 процента. Это можно сравнить с приклеиванием виноградинки к теннисному мячу.

На рисунке 4.1 можно увидеть, как выглядит метилирование ДНК с точки зрения химии.

^{Рис. 4.1. Химическая структура одного из оснований ДНК, цитозина, и его эпигенетически модифицированной разновидности, 5-метилцитозина. С — углерод; Н — водород; О — кислород. Для упрощения схемы на ней намеренно не показаны некоторые атомы углерода, но они присутствуют там, где изображены две соединительные линии DNMT — это сокращенное обозначение ДНК-метилтрансферазы (от английского DNA (ДНК) methyltransferase). Различные DNMT представляют собой примеры эпигенетических «шифровальщиков», ферментов, создающих эпигенетический код. В большинстве случаев эти ферменты добавляют метиловую группу только к основанию Ц, за которым следует Г. Последовательность Ц и Г принято записывать как CpG.}

Здесь показано основание Ц, цитозин. Это единственное из четырех оснований ДНК, подвергаемое метилированию для получения 5-метилцитозина. «5» указывает место на кольце, к которому присоединяется метил, а не количество метиловых групп — она всегда одна. Такая реакция метилирования осуществляется в наших клетках, как и в клетках большинства других организмов, с помощью одного из трех ферментов — DNMT1, DNMT3A или DNMT3B.

Такое CpG-метилирование является эпигенетической модификацией, которая также может называться эпигенетической меткой. Химическая группа «наклеивается» на ДНК, но при этом не меняет присущую ей генетическую последовательность. Основание Ц подвергается скорее декоративной отделке, нежели капитальному ремонту. Учитывая, что модификация настолько мала, нам, пожалуй, следовало бы удивляться тому, что мы будем вновь и вновь встречаться с упоминанием этого явления на протяжении всей книги, равно как и тому, что без него не обходится ни одна дискуссия на темы эпигенетики. Объясняется это тем, что метилирование ДНК оказывает поистине огромное влияние на экспрессию генов и, в конечном итоге, на функции клеток, тканей и организмов в целом.

В начале 1980-х годов было доказано, что если вы ввели ДНК в клетки млекопитающего, то именно от уровня метилирования этой введенной ДНК будет зависеть, насколько активно она будет транскрибирована в РНК. Чем более метилированной оказывалась введенная ДНК, тем менее продуктивной была ее транскрипция[19]. Иными словами, была установлена прямая взаимосвязь между высокими уровнями метилирования ДНК и количеством репрессированных генов. Однако оставалось неясным, насколько это явление будет влиять собственные гены ядер клеток, а не на те, которые были введены в них.

Фундаментальная работа по определению роли метилирования в клетках млекопитающих была выполнена в лаборатории Эдриана Бёрда, который большую часть своей научной карьеры провел в Эдинбурге, любимом городе Конрада Уоддингтона. Профессор Бёрд является членом Королевского научного общества и научным сопредседателем фонда Wellcome Trust, чрезвычайно влиятельной благотворительной организации, финансирующей научные исследования в Великобритании. Он являет собой истинный образец классического британского ученого — удивительно скромного, даже незаметного обладателя изысканных манер, тихого голоса и тонкого чувства юмора. Совершенно не свойственное ему стремление к известности резко контрастирует с его ошеломительной международной репутацией, ведь во всем мире он признан крестным отцом механизма метилирования ДНК и его роли в регуляции экспрессии генов.

В 1985 году Эдриан Бёрд опубликовал в журнале Cell основополагающую статью, в которой показал, что большинство мотивов CpG не распределяются по всей ДНК случайным образом. Вместо этого, подавляющая часть пар CpG концентрируется непосредственно против хода транскрипции определенных генов, в области промотора[20]. Промоторами называются участки генома, в которых связываются транскрипционные комплексы ДНК и начинается копирование ДНК для образования РНК. Области с высокой концентрацией мотивов CpG называются островками CpG.

У приблизительно 60 процентов генов, кодирующих белки, промоторы располагаются внутри островков CpG. Когда эти гены активны, уровни метилирования в островках CpG низкие. Островки CpG оказываются высокометилированными только в тех случаях, когда эти гены репрессированы. Разные типы клеток экспрессируют различные гены, поэтому нет ничего удивительного в том, что модели метилирования островков CpG также различаются в клетках разных типов.

В течение некоторого времени не стихали оживленные дискуссии о том, что же должна означать такая взаимозависимость. Это были старые добрые споры о том, что является причиной, а что — следствием. По одной из версий, метилирование ДНК представляет собой, по сути, историческую модификацию — сначала гены были подавлены неким неизвестным механизмом, а затем ДНК стала метилированной. Согласно этой модели, метилирование ДНК было следствием репрессии генов. Представители другой точки зрения доказывали гипотезу о том, что сначала островок CpG стал метилированным, а уже потом это метилирование вызвало репрессию гена. В таком случае именно эпигенетическая модификация является причиной изменений в экспрессии генов. Хотя и сегодня время от времени вспыхивают яростные споры по этому вопросу между конкурирующими лабораториями, подавляющее большинство занимающихся этой темой ученых сходятся во мнении, что данные, накопленные за четверть столетия, прошедшую после опубликования статьи Эдриана Бёрда, свидетельствуют в пользу второй, каузальной версии. В большинстве случаев метилирование островка CpG в начале гена подавляет его.

Эдриан Бёрд продолжил исследования этого процесса. Он показал, что когда происходит метилирование ДНК, она связывает белок, называемый МеСР2 (от английского Methyl CpG binding protein 2 — метил CpG связывающий белок 2)[21]. Однако этот белок не связывает неметилированные мотивы CpG, что должно показаться нам довольно удивительным, если мы вернемся к рисунку 4.1 и задумаемся, насколько похожи метилированные и неметилированные формы цитозина. Ферменты, добавляющие метиловую группу к ДНК, выше уже были названы «шифровальщиками», составителями эпигенетического кода. МеСР2 не привносит какие-либо модификации в ДНК. Роль его состоит в том, чтобы позволить клетке интерпретировать имеющиеся модификации на каком-либо участке ДНК. МеСР2 являет собой пример «дешифровщика», читателя эпигенетического кода.

Когда МеСР2 связывается с 5-метилцитозином в промоторе гена, он одновременно выполняет и другие функции. Он притягивает к себе другие белки, также способствующие подавлению определенного гена[22]. Кроме того, он может остановить связывание транскрипционного механизма ДНК с промотором гена, а это, в свою очередь, останавливает продукцию информационной молекулы мРНК[23]. На участках, где гены и их промоторы очень сильно метилированы, связывание МеСР2 выглядит как часть процесса, при котором этот участок хромосомы почти навсегда перестает функционировать.

ДНК становится невероятно туго закрученной, и механизм транскрипции генов не может получить доступа к парам оснований для создания копий мРНК.

Это одна из причин, по которой метилирование ДНК настолько важно. Помните, мы говорили о том, что возраст нейронов головного мозга 85-летнего человека практически равен возрасту их хозяина? На протяжении восьми с лишним десятилетий благодаря метилированию ДНК некоторые участки генома остаются в чрезвычайно туго сжатом состоянии, что позволяет нейронам полностью подавлять определенные гены. Именно поэтому клетки нашего головного мозга никогда не продуцируют, например, гемоглобин или пищеварительные ферменты.

А как насчет другой ситуации—тех же самых стволовых клеток кожи, которые делятся чрезвычайно часто, но производят при этом всегда только новые клетки кожи, а не клетки каких-либо других типов, например костные? В данном случае, схема метилирования ДНК передается от материнской клетки дочерним клеткам. Когда половинки двойной спирали ДНК разделяются, каждая из них копируется по принципу спаривания оснований, в чем мы убедились в главе 3. На рисунке 4.2 показано,-что происходит, когда такая репликация выполняется на участке, где метилированию подвергается основание Ц в паре CpG.

^{Рис. 4.2. На этой схеме показано, каким образом может быть сохранена модель метилирования ДНК при ее репликации. Метиловая группа представлена черным кружком. После разделения двойной спирали родительской ДНК на этапе 1 и репликации обеих цепочек ДНК на этапе 2 новые цепочки «проверяются» ферментом ДНК-метилтрансфераза 1 (DNMT1). DNMT1 может определить, что метиловая группа на каком-либо цитозиновом мотиве одной цепочки молекулы ДНК не соответствует только что синтезированной цепочке. Тогда DNMT1 переносит метиловую группу на новую цепочку (этап 3). Это происходит только в тех случаях, когда основания Ц и Г стоят друг за другом в мотиве CpG. Благодаря этому процессу обеспечивается сохранение модели метилирования ДНК при ее репликации и делении клетки.}

DNMT1 способен определить, метилирован ли мотив CpG только на одной цепочке. Когда DNMT1 обнаруживает этот дисбаланс, он восстанавливает «пропущенное» метилирование на только что скопированной цепочке. Таким образом, дочерние клетки в итоге получат те же модели метилирования ДНК, какие были у родительской клетки. Как следствие, они будут подавлять те же гены, что и родительская клетка, и клетки кожи всегда будут оставаться клетками кожи.

Эпигенетика имеет обыкновение проявлять свое влияние там, где ученые никогда и не ожидали. Один из наиболее интересных примеров этого за последние годы непосредственно связан с МеСР2, белком, считывающим метки метилирования ДНК. Несколько лет назад широкой популярностью пользовалась ныне дискредитировавшая себя теория о том, что вакцина против кори вызывает аутизм, и самые разные СМИ уделяли ей просто невиданное внимание. Одна весьма уважаемая британская газета в мельчайших подробностях описывала на своих страницах вызывающую дрожь историю некой маленькой девочки. В младенческом возрасте ей были сделаны все обычные в таких случаях прививки. Вскоре после прививки от кори, которую она получила незадолго до своего первого дня рождения, она начала быстро деградировать, утрачивая большую часть навыков, которые успела приобрести к тому времени. На момент написания статьи девочка приближалась уже к четырехлетнему возрасту, и автор газетной публикации уверял, что ей присущи такие тяжелые симптомы аутизма, которых ему прежде не доводилось и видеть. У нее не развивалась речь, обнаруживалась устойчивая неспособность к обучению, а те немногие действия, которые ей давались, отличались итеративностью (например, она уже не тянула ручку за едой). Прогрессирование этого невероятно тяжелого заболевания, несомненно, было настоящей трагедией и для нее, и для ее семьи.

Но читатель, хоть сколько-нибудь сведущий в нейрогенетике, при изучении этой статьи непременно обратил бы внимание на два момента. Первая странность заключалась в том, что для девочек очень нехарактерно — не то что бы невозможно, но крайне маловероятно — демонстрировать такую тяжелую форму аутизма. В значительно большей степени это свойственно мальчикам. Второй факт, который должен был озадачить их, состоял в том, что описанные симптомы в мельчайших деталях соответствовали признакам редкого генетического заболевания, именуемого синдромом Ретта, вплоть до нормального развития в первые месяцы жизни и временем проявления характерных для этого недуга явлений. Лишь случайным совпадением является то, что симптомы синдрома Ретта, как, впрочем, и большинства типов аутизма, впервые обнаруживаются примерно в том самом возрасте, когда младенцам обычно делают прививку против кори.

[19] Kruczek and Doerfler (1982), EMBO J. 1:409–14.

[20] Bird et al. (1985), Cell 40: 91–99.

[21] Lewis et al. (1992), Cell 69: 905–14.

[22] Nan et al. (1998), Nature 393: 386–9.

[23] For a recent review of the actions of MeCP2, see Adkins and Georgel (2011), Biochem Cell Biol. 89: 1–11.