Статьи Генетика
|
|
|
|
Эпигенетика и эпигенетическое наследование
… изменения в последовательности ДНК не происходят, но вместо этого другие генетические факторы заставляют гены вести себя по-другому.Введение. Как бы то ни было, ДНК - очень значимая биологическая субстанция. Благодаря расшифровке ее структуры раскрыта природа генетического кода и мутаций, поняты причины многих наследственных болезней, сформированы обстоятельные представления о собственно организации генов и геномов, полностью расшифрована нуклеотидная последовательность геномов многих бактерий и пока еще немногочисленных грибов, растений, животных и человека. Более того, мы научились конструировать принципиально новые гены и геномы и, главное, создавать трансгенные организмы. Многие из них (например, микробы) уже плодотворно трудятся на наше благо.
Однако достижения молекулярной биологии приносят все больше вопросов. В частности, мы очень мало знаем о том, как работают гены, почему они молчат в одной клетке организма и активны в другой. Каковы молекулярные механизмы так называемой клеточной дифференцировки? Как заставить работать полезные гены или принудить их замолчать, если они вредны? Во многих случаях именно потому, что мы не знаем ответов на эти вопросы, новые гены, всаживаемые в клетку, неэффективны либо сильно искажают ее природу.
Нельзя забывать, что у организмов существуют мощные регуляторные элементы (в геноме и на уровне клетки), которые контролируют работу генов. Эти сигналы накладываются на генетику и часто по-своему решают, «быть или не быть». Даже самая отличная генетика может вовсе и не реализоваться, если эпигенетика будет неблагополучной по образному выражению П. и Д. Медаваров, «генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Долгое время эпигенетику не признавали, стыдливо или даже намеренно умалчивали о ней - как правило, потому, что природа эпигенетических сигналов и пути их реализации в организме казались очень расплывчатыми. Считалось, что генетика - это святое, а эпигенетика - от лукавого. В течение многих лет гены считались единственными носителями наследственной информации, передающийся у всех живых организмов из поколения в поколение. Сегодня эта концепция радикальным образом пересмотрена. Биологи находят все больше признаков, которые приобретаются организмами в течение жизни, никак не влияют на генотип, но при этом передаются потомству. Этот феномен известен как эпигенетическая наследственность, а эпигенетикой называют раздел молекулярной биологии, изучающий наследование функций гена, не связанных с первичной структурой ДНК.
Эпигенетика. Наука эпигенетика начала активно развиваться в конце XX века, когда ученые пришли к пониманию того, что наследственная информация заложена не только в самой последовательности ДНК, но и в определенных модификациях отдельных кодирующих «букв алфавита» – нуклеотидов. Так, например, простое добавление метильной группы (CH3) часто приводит к инактивации модифицированного участка ДНК. Проблема до сих пор была в отсутствии у исследователей хоть сколько-нибудь потокового метода работы с эпигеномом – модифицированные нуклеотиды искали практически «с лупой».
В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК.
Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые другими механизмами, чем изменение последовательности ДНК (приставка эпи- означает «в дополнение»). Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ. Следует отметить, что изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую).
В случае эпигенетического наследования не происходит изменения последовательности ДНК, но другие генетические факторы регулируют активность генов. Лучшим примером эпигенетических изменений для эукариот является процесс дифференцировки клеток. (1) В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки (способные путем деления дать начало любому клеточному типу организма) становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона превращаются в полностью дифференцированные клетки. (2) Формы и функции клеток нервной ткани и клеток кожи различны, несмотря на то, что в своих ядрах эти клетки несут одну и ту же ДНК. И, если это разнообразие закодировано не в ДНК, то должны существовать не генетические механизмы, благодаря которым клетка кожи при делении дает именно клетки кожи. (3) Единственная клетка – зигота (оплодотворенная яйцеклетка) дифференцируется в различные типы клеток: нейроны, мышечные клетки, эпителиальные клетки, клетки кровеносных сосудов и многие другие. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие.
Исследования регуляции активности генов различных видов микроорганизмов, растений, насекомых, животных и человека и секвенирование геномов, выполненные в последние десятилетия XX века, ознаменовались открытием ряда эпигенетических феноменов, к которым можно отнести:
• эффект положения - изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
• парамутация - взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, приводящее к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
• трансвекция - взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
• косупрессия или РНК-интерференця - посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (относится к внеядерной эпигенетической наследственности);
• явление прионизации – накопления конформационно измененного аномального прионового белка в мозге при мутациях гена PRNP (20р12); прионизация лежит в основе тяжелых нейродегенеративных заболеваний с поздним проявлением (болезнь Creutzfeldt-Jakob, болезнь Gerstmann-Straussler, куру, семейная фатальная бессонница и трансмиссивная губчатая энцефалопатия - болезнь бешеных коров), возникающими в результате воздействия приона - инфекционного агента белковой природы, лишенного нуклеиновой кислоты; (прионизация также относится к внеядерной эпигенетической наследственности);
• супрессия транспозонов - у многих организмов эпигенетическое выключение генов связано с повторяющимися последовательностями ДНК, локализованными преимущественно в гетерохроматиновых областях генома, которые включают как простые повторы, так и неактивные мобильные генетические элементы - транспозоны (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
• геномный импринтинг - эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские гомологичные хромосомы, приводящий к разному фенотипическому проявлению мутаций у потомства, унаследованных от матери или отца (относится к ядерной эпигенетической наследственности);
• инактивация Х-хромосомы - механизмы, уравнивающие дозу Х-сцепленных генов между мужским (XY) и женским (XX) полом; предполагается наличие 4-х стадий инактивации Х-хромосомы у млекопитающих: (1) подсчет числа Х-хромосом в клетке; (2) инициация инактивации с центра, контролирующего этот процесс; (3) распространение гетерохроматинизации вдоль всей длины Х-хромосомы; (4) поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ходе последующих митотических делений. В ходе инактивации нетранслируемая РНК, продуцируемая геном Xist, покрывает Х-хромосому, в результате чего она конденсируется и инактивируется (относится к ядерной эпигенетической наследственности).
Эпигенетическая модификация генома - метилирование ДНК и компактизация хроматина. Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.
Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) - Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования, и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В - для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза.
В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни». Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков - МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина.