Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Но какое отношение эта история имеет к эпигенетике? В 1999 году группа ученых, возглавляемая выдающимся нейрогенетиком Худой Зогби, из Медицинского института Говарда Хьюза в Мэриленде убедительно продемонстрировала, что большинство случаев синдром Ретта вызываются мутациями в МеСР2, гене, кодирующем «дешифровщика» метилированной ДНК. У детей, страдающих этим нарушением, присутствует некая мутация в гене МеСР2, а это значит, что у них не вырабатывается функциональный белок МеСР2. Несмотря на то, что их клетки сохраняют полную способность к нормальному метилированию ДНК, они не в состоянии правильно расшифровать эту часть эпигенетического кода.

Тяжелые клинические симптомы детей с мутацией МеСР2 являются более чем веским доказательством важности правильного прочтения эпигенетического кода. Сообщают они нам также и о другом. Не все ткани девочек с синдромом Ретта поражены в равной степени, так что, возможно, именно этот эпигенетический путь играет важную роль только в одних, а не во всех тканях. На том основании, что у больных девочек развивается тяжелая умственная отсталость, мы можем предположить, что для головного мозга очень важно иметь определенные количества нормального белка МеСР2. Учитывая, что другие органы этих детей, такие как печень или почки, оказались совершенно не затронуты, мы можем сделать вывод, что для них активность МеСР2 не играет, по-видимому, важной роли. Возможно, что и само метилирование ДНК не столь принципиально для этих органов, или может быть их ткани содержат другие белки, кроме МеСР2, способные читать эту часть генетического кода.

Пройдет некоторое время, и ученые, медики, родные и близкие детей, страдающих синдромом Ретта, с благодарностью воспользуются этими открытиями, позволяющими понять природу этого заболевания и найти эффективные способы его лечения. Для нас это более чем серьезный вызов, поскольку нам предстоит иметь дело с факторами, воздействующими на головной мозг в результате генетических мутаций, происходящих в процессе развития ребенка.

Одним из наиболее угнетающих аспектов синдрома Ретта является прогрессирующее слабоумие, присутствующее практически у всех больных. Никто не мог сказать наверняка, возможно ли решить такую связанную с неврологическим развитием проблему как слабоумие, если установлены причины ее возникновения, однако общее мнение не отличалось оптимизмом. И опять в нашей истории на первый план выходит Эдриан Бёрд. В 2007 году в журнале Science он в соавторстве с коллегами опубликовал выдающуюся статью, в которой показал, что синдром Ретта может быть обращен вспять, и доказательства этого уже получены в ходе экспериментов с мышами.

Эдриан Бёрд и исследователи его лаборатории создали клонированную линию мышей с инактивированным геном Меср2. Для этого они воспользовались методикой, первопроходцем в которой был Рудольф Джениш. У мышей развились тяжелые неврологические симптомы, а их активность в зрелом возрасте далеко не соответствовала норме. Если вы посадите здоровую мышь в центр большой белой коробки, она практически мгновенно начнет исследовать свой новый ареал обитания. Она станет много двигаться, бегать вдоль стенок коробки, совсем как обычная домашняя мышь, которая мчится вдоль плинтуса, спасаясь от преследующей ее кошки, и часто вставать на задние лапки, стараясь расширить поле зрения. Мышь с мутацией Меср2 не демонстрирует почти ничего из этих действий — посадите ее в середину большой белой коробки, и она там и останется.

Когда Эдриан Бёрд создавал свою линию мышей с мутацией Меср2, он одновременно с этим позаботился и о том, чтобы у мышей сохранилась и нормальная копия Меср2. Однако эта копия оставалась «спящей» — она не была активирована в мышиных клетках. Настоящая изюминка этого эксперимента заключалась в том, что если мыши получали определенный безвредный химический препарат, у них активировался нормальный ген Меср2. Таким образом, экспериментаторы могли дать мышам развиться и вырасти без Меср2 в клетках, а затем, когда ученые решат, что подходящий момент наступил, они могли активировать ген Меср2.

Результаты такой активации гена Меср2 оказались просто невероятными. Мыши, пассивно сидевшие в середине белой коробки, мгновенно превращались в любопытных исследователей, каковыми им и надлежит быть[24]. Ход этого эксперимента запечатлен на видео, и вы сами можете найти его на Ю-Тьюбе вместе с интервью Эдриана Бёрда, в которых он скромно признается, что и сам не ожидал увидеть настолько разительные перемены в поведении мышей[25].

Результаты этих экспериментов настолько важны по той причине, что они дают нам обоснованную надежду на то, что мы сможем найти новые способы лечения больных, страдающих тяжелыми формами неврологических недугов. До появления этой статьи в журнале Science в научных кругах господствовало мнение, что если уж серьезное неврологическое состояние имеет место, то с этим ничего не поделать, поскольку его невозможно обратить вспять. Особенно распространенной эта точка зрения была применительно к состояниям, возникающим в период развития, то есть в утробе матери или в раннем младенчестве. Это крайне важный период, когда головной мозг создает огромное количество связей и структур, которыми будет пользоваться на протяжении всей жизни. Результаты экспериментов с мышами с мутированным Меср2, позволяют предположить, что, возможно, и при синдроме Ретта все компоненты аппарата клеток, необходимые для нормального неврологического функционирования, уже присутствуют в головном мозге — и их нужно лишь должным образом активировать. Если это окажется справедливым и в отношении человека (а на уровне головного мозга мы не так уж сильно отличаемся от мышей), то мы получим реальную надежду на то, что сможем начать разрабатывать такие способы лечения, которым по силам будет обратить вспять даже столь тяжелые заболевания как врожденное слабоумие. Нам не удастся проделать это таким же образом, как с мышами, поскольку такая генетическая методика может быть использована только на подопытных животных, но не на людях, однако не приходится сомневаться в том, что имеет смысл заниматься разработкой лекарственных препаратов, способных привести к аналогичным результатам.

Совершенно ясно, почему такое огромное значение имеет метилирование ДНК. Ошибки в прочтении метилирования ДНК могут привести к тяжелым и разрушительным неврологическим расстройствам, делающим детей, пораженных симптомом Ретта, инвалидами на всю жизнь. Метилирование ДНК также чрезвычайно важно для сохранения правильной модели экспрессии генов в клетках различных типов — ив существующих на протяжении нескольких десятилетий долгожителях-нейронах, и во всем потомстве стволовых клеток таких постоянно меняющихся тканей как, например, кожа.

Но мы пока так и не решили концептуальную проблему Нейроны кардинально отличаются от клеток кожи. Если оба типа клеток прибегают к метилированию ДНК для подавления определенных генов и для сохранения их в таком состоянии, значит, этому процессу подвергаются разные наборы генов. В противном случае, экспрессировались бы всегда одни и те же гены в одинаковой степени, и тогда они неизбежно порождали бы одни и те же типы клеток, а не нейроны и клетки кожи.

Ключ к ответу на вопрос, как два типа клеток могут использовать один и тот же механизм для получения настолько разных результатов, лежит в понимании того, каким образом метилирование ДНК затрагивает различные области генома в клетках разных типов. А это отсылает нас ко второй глобальной области молекулярной эпигенетики. К белкам.

ДНК часто описывается как некая обособленная молекула, то есть это ДНК и ничего больше. Если мы попытаемся представить ее себе, то двойная спираль ДНК в нашем воображении, скорее всего, будет выглядеть как очень длинное и закрученное вокруг своей оси железнодорожное полотно. Собственно, так мы ее и описывали в предыдущей главе. Однако действительность разительно отличается от таких представлений, и многие гениальные прорывы в эпигенетике случались именно тогда, когда ученые начинали в полной мере осознавать эти различия.

ДНК тесно связана с белками, особенно с теми из них, которые называются гистонами. Сегодня главное внимание в эпигенетике и регуляции генов сосредоточено на четырех конкретных гистоновых белках, а именно Н2А, Н2В, H3 и Н4. Эти гистоны имеют так называемую глобулярную структуру, поскольку они упаковываются в компактную шарообразную форму. Но у каждого такого шарика есть также подвижная свободная цепочка аминокислот, которая называется гистоновым отростком. Два экземпляра каждого из этих четырех гистоновых белков группируются вместе и образуют плотную структуру, называемую гистоновым октамером (этим наименованием он обязан именно тому, что состоит из восьми отдельных гистонов).

Пожалуй, проще будет представить себе этот октамер как восемь шариков для настольного тенниса, расположенных двумя слоями по четыре шарика один на другом. ДНК туго обвивает это белковое образование, подобно длинному побегу лакричника, заключившему в свои объятия алтей^{1}, и образует структуру, которая называется нуклеосомой. Вокруг каждой нуклеосомы обернуты 147 пар оснований ДНК. На рисунке 4.3 показана очень упрощенная схема строения нуклеосомы, на которой белая лента изображает ДНК, а серые завитки представляют гистоновые отростки.

^{Рис. 4.3. Гистоновый октамер (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В,H3 и Н4), туго упакованный и обернутый ДНК, образует основную единицу хроматина под названием нуклеосома.}

Если бы мы попытались найти какую-нибудь информацию о гистонах всего лишь лет пятнадцать назад, то узнали бы, что это некие «упаковывающие белки» и не более того. Нет сомнений в том, что ДНК должна каким-то образом упаковываться. Диаметр ядра клетки составляет обычно около 10 микронов (это 1/100 миллиметра), а если бы ДНК в клетке оставалась в свободном состоянии, она могла бы вытянуться в длину до 2 метров. ДНК туго обернута вокруг нуклеосом, а те плотными слоями уложены друг на друга.

Определенные участки наших хромосом почти постоянно имеют ярко выраженные формы подобных структур. Преимущественно, это те участки, которые не несут в себе информацию о генах. В большинстве случаев, они представляют собой структурные участки, расположенные, например, на самых кончиках хромосом, или области, важные для разделения хромосом после копирования ДНК при делении клеток.

Участки ДНК, подвергаемые действительно активному метилированию, также имеют такие сверхплотные структуры, и метилирование играет очень важную роль в формировании этих образований. Это один из тех механизмов, которые обусловливают репрессию определенных генов на протяжении десятилетий в таких долго живущих типах клеток как нейроны.

А как насчет тех участков, которые не скручены туго, в которых находятся активированные гены или же способные к последующей активации? Здесь-то на первые роли и выдвигаются гистоны. Функции их неизмеримо расширяются, теперь они не являются только лишь молекулярными катушками, на которые могла бы наматываться ДНК. Если метилирование ДНК представить как достаточно долговечные дополнительные пометки на нашем сценарии «Ромео и Джульетты», то модификации гистонов будут служить в этой аналогии примечаниями, обреченными на скорое исчезновение. Их можно сравнить со сделанными карандашом записями, которые отобразятся при последовательном копировании несколько раз, а потом станут невидимыми. А может быть, судьба их окажется еще более мимолетной, как у самоклеющихся листочков бумаги для записей, годных лишь на один раз.

Впечатляющее число научных прорывов в этой области было сделано в лаборатории профессора Дэвида Эллиса из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке. Ее руководитель, всегда с иголочки одетый, аккуратный, чисто выбритый американец, выглядящий значительно моложе своих 60 лет, пользуется чрезвычайной популярностью среди коллег. Как и многие эпигенетики, он начинал карьеру в области биологии развития. Подобно Эдриану Бёрду и, еще раньше, Джону Гердону, Дэвид Эллис едва ли не равнодушно относится к своей репутации мирового светила в эпигенетике. В целом цикле выдающихся статей, опубликованных в 1996 году, он вместе с коллегами показал, что гистоновые белки претерпевают в клетках химическую модификацию, и эта модификация повышает экспрессию генов, если они находятся возле специфически измененных нуклеосом[26].

Гистоновая модификация, обнаруженная Дэвидом Эллисом, была названа ацетилированием. Ацетилирование представляет собой присоединение химической ацетил-группы, в данном случае, специфической аминокислоте, которая называется лизин, на свободном отростке одного из гистонов. На рисунке 4.4 показано строение лизина и ацетил-лизина, и мы опять видим, что изменения относительно незначительны. Как и метилирование ДНК, ацетилирование лизина представляет собой эпигенетический механизм для изменения экспрессии генов, не влияющий на исходную последовательность генов.

^{Рис. 4.4. Химическое строение аминокислоты лизин и ее эпигенетически модифицированной формы ацетил-лизин. С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения некоторые атомы углерода намеренно не отмечены, однако они присутствуют там, где изображены две соединительные линии}

Тогда, в 1996 году, все казалось ясным и понятным. Метилирование ДНК репрессирует гены, а ацетилирование гистонов активирует их. Но экспрессия генов — это куда более тонкий процесс, не ограничивающийся лишь их включением или выключением. Экспрессию генов нельзя сравнивать с неким рубильником, имеющим два положения, «вкл» и «выкл»; она скорее подобна круглой рукоятке настройки громкости радиоприемника. Поэтому никто особенно не удивился, когда выяснилось, что в этом процессе задействована не только гистоновая модификация. Нужно сказать, что более 50 различных эпигенетических модификаций гистоновых белков были обнаружены с момента опубликования тех самых статей Дэвида Эллиса; и открытия эти были сделаны как самим Эллисом, так и многими другими лабораториями[27]. Все эти модификации меняют экспрессию генов, но не всегда одинаково. Одни модификации гистонов усиливают этот процесс, тогда как другие ослабляют его. Шаблон, по которому происходят модификации, стали называть гистоновым кодом[28]. Но проблема, с которой столкнулись эпигенетики, оказалась в том, что прочесть этот код невероятно сложно.

Представьте себе хромосому в виде ствола огромной новогодней елки. Ее ветви, раскинувшиеся во все стороны по всей высоте дерева, это гистоновые отростки, которые могут быть украшены эпигенетическими модификациями. Мы берем фиолетовые шары и вешаем один, два или три фиолетовых шара на некоторые ветви. У нас также есть зеленые сосульки, и мы можем повесить одну или две из них на разные ветви, на некоторых из которых уже висят фиолетовые шары. Затем мы берем красные звезды, но знающие люди сказали нам, что ими нельзя украшать ветви, по соседству с которыми висит хоть один фиолетовый шар. Золотые снежинки и зеленые сосульки запрещается вешать на одни и те же ветви. И чем дальше, тем сложнее и запутаннее становятся правила, которым мы должны следовать, наряжая нашу елку. В конце концов, мы развесили все наши украшения и обернули елку электрической гирляндой. Лампочки на ней — это отдельные гены. Эта гирлянда оснащена удивительным программным обеспечением, меняющим яркость свечения каждой лампочки в строгой зависимости от того, какие елочные игрушки находятся рядом. И мы будем практически не в состоянии предугадать, с какой яркостью станут гореть все лампочки на нашей гирлянде, потому что схема расположения украшений на елке чрезвычайно сложна.

Именно в таком положении и находятся на настоящий момент ученые, пытающиеся предсказать, как все разнообразные комбинации гистоновых модификаций влияют в своей совокупности на экспрессию генов. Во многих случаях бывает вполне понятно, чего ожидать от какой-либо одной модификации, но делать сколько-нибудь точные предположения об их комбинированном влиянии не представляется возможным.

Огромные усилия прикладываются учеными для того, чтобы научиться понимать этот код; многочисленные лаборатории по всему миру и сотрудничают, и соперничают друг с другом в попытках привлечь самые быстрые и сложные технологии к решению этой проблемы. Причина этого в том, что, пусть мы и не можем пока прочесть этот код правильно, но мы знаем о нем достаточно, чтобы понимать, насколько он важен.

Много очень важной информации мы получаем из области биологии развития — науки, из которой пришли в эпигенетику многие выдающиеся исследователи. Как мы уже говорили выше, после деления одноклеточной зиготы ее дочерние клетки очень быстро начинают приобретать индивидуальные функции. Первое примечательное событие, происходящее при делении клеток, заключается в том, что клетки эмбриона на самых ранних стадиях своего развития начинают разделяться на внутриклеточную массу (ВКМ) и трофоэктодерму. Клетки ВКМ, в частности, начинают дифференцироваться и образовывать постоянно увеличивающееся количество клеток разнообразных типов. Этот спуск клеток по склонам эпигенетического ландшафта к его ложбинам является в большой степени процессом постоянным и самовозобновляющимся.

Главная идея, которую нам нужно уловить на этом этапе, состоит в представлении о том, каким образом волны экспрессии генов и эпигенетических модификаций следуют друг за другом и вытекают друг из друга. Подходящей аналогией для проникновения в суть этого процесса для нас может стать игра «Мышеловка», впервые появившаяся в начале 1960-х годов, но продолжающая пользоваться популярностью и в наши дни. В ходе игры ее участники должны построить безумно сложную мышеловку. Чтобы активировать мышеловку, в нее нужно запустить шарик. Этот шарик прокатывается через самые разнообразные и хитроумные приспособления, которыми могут быть и горка, и катапульта, и ряд ступенек, и человечек, прыгающий в воду с трамплина. Если все до единой детали головоломки размещены относительно друг друга правильно, то эта головокружительная конструкция работает как часы, и игрушечная мышка оказывается захваченной в сети. Но если лишь один ее элемент стоит чуть-чуть не на своем месте, то он выбивается из общего ряда, вся последовательность нарушается, и ловушка не срабатывает.

[24] Guy et al. (2007), Science 315: 1143–7.

[25] http://www.youtube.com/watch?v=RyAvKGmAElQ&feature=related

[26] The most important papers from the Allis lab in 1996 were: Brownell et al. (1996), Cell 84: 843–51; Vettese-Dadey et al. (1996), EMBO J. 15: 2508–18; Kuo et al. (1996), Nature 383: 269–72.

[27] A useful review by one of the leading researchers in the field is Kouzarides, T. (2007) Cell 128: 693–705.

[28] Jenuwein and Allis (2001), Science 293: 1074–80.