Епігенетичні перетворення. Генетика та епігенетика: основні поняття

Головна

Відеоспостереження

Організму з середовищем для формування фенотипу. Вона вивчає механізми, за допомогою яких, на основі генетичної інформації, укладеної в одній клітині (зіготі), за рахунок різної експресії генів у різних типах клітин, може здійснюватися розвиток багатоклітинного організму, що складається з диференційованих клітин. Потрібно відзначити, що багато дослідників досі ставляться до епігенетики скептично, оскільки в її рамках допускається ймовірність негеномного успадкування як адаптивна відповідь на зміни зовнішнього середовища, що суперечить домінуючій в даний час геноцетричної парадигми.

Приклади

Одним із прикладів епігенетичних змін у еукаріотів є процес клітинного диференціювання. Під час морфогенезу тотипотентні стволові клітини формують різні плюрипотентні клітинні лінії ембріона, які в свою чергу дають початок повністю диференційованим клітинам. Іншими словами, одна запліднена яйцеклітина - зигота - диференціюється в різні типиклітин, включаючи: нейрони, м'язові клітини, епітелій, ендотелій судин та ін, шляхом множинних поділів. Це досягається активацією одних генів, і в той же час інгібуванням інших за допомогою епігенетичних механізмів.

Другий приклад може бути продемонстрований на мишах-полівках. Восени, перед похолоданням, вони народжуються з довшою і густішою шерстю, ніж навесні, хоча внутрішньоутробний розвиток «весняних» та «осінніх» мишей відбувається на тлі практично однакових умов (температури, довжини світлового дня, вологості тощо). Дослідження показали, що сигналом, що запускає епігенетичні зміни, що призводять до збільшення довжини вовни, є зміна градієнта концентрації мелатоніну в крові (навесні він знижується, а восени – підвищується). Таким чином, епігенетичні адаптивні зміни (збільшення довжини вовни) індукуються ще до холодів, адаптація до яких вигідна для організму.

Етимологія та визначення

Термін «епігенетика» (як і «епігенетичний ландшафт») було запропоновано Конрадом Уоддінгтоном у 1942 році, як похідне від слів генетика та епігенез. Коли Уоддінгтон ввів цей термін, фізична природагенів не була до кінця відома, тому він використовував його як концептуальну модель того, як гени можуть взаємодіяти зі своїм оточенням при формуванні фенотипу.

Робін Холлідей визначив епігенетику як «вивчення механізмів тимчасового та просторового контролю активності генів у процесі розвитку організмів». Таким чином, термін «епігенетика» може бути використаний, щоб описати будь-які внутрішні фактори, що впливають на розвиток організму, за винятком самої послідовності ДНК.

Сучасне використання цього слова у науковому дискурсі є вужчим. Грецький префікс epi- у слові, має на увазі фактори, які впливають «поверх» або «на додаток до» генетичних, а значить епігенетичні фактори впливають на додачу або крім традиційних молекулярних факторів спадковості.

Подібність до слова «генетика» породило багато аналогій у використанні терміна. «Епігеном» є аналогом терміна «геном» і визначає загальний епігенетичний стан клітини. Метафора «генетичний код» була адаптована, а термін «епігенетичний код» використовується, щоб описати набір епігенетичних особливостей, які створюють різноманітні фенотипи в різних клітинах. Широко використовується термін «епімутація», яким позначають спричинене спорадичними факторами зміна нормального епігенома, що передається у ряді клітинних поколінь.

Молекулярні основи епігенетики

Молекулярна основа епігенетики досить складна при тому, що вона не торкається структури ДНК, а змінює активність певних генів. Це пояснює, чому в диференційованих клітинах багатоклітинного організму експресуються тільки гени, необхідні для їхньої специфічної діяльності. Особливістю епігенетичних змін є те, що вони зберігаються при клітинному поділі. Відомо, що більшість епігенетичних змін проявляється лише в межах життя одного організму. У той же час, якщо зміна в ДНК відбулася в сперматозоїді або яйцеклітині, деякі епігенетичні прояви можуть передаватися від одного покоління до іншого. У зв'язку з цим постає питання, чи дійсно епігенетичні зміни в організмі можуть змінити базову структуру його ДНК? (Див. Еволюція).

В рамках епігенетики широко досліджуються такі процеси як: парамутація, генетичний букмаркінг, геномний імпринтинг, інактивація Х-хромосоми, ефект стану, материнські ефекти, а також інші механізми регуляції експресії генів.

В епігенетичних дослідженнях використовується широкий спектр методів молекулярної біології, у тому числі - імунопреципітація хроматину (різні модифікації ChIP-on-chip і ChIP-Seq), гібридизація in situ, чутливі до метилювання рестриктази, ідентифікації ДНК-аденін-метилтрансферази (DamID) та секвенування. З іншого боку, дедалі більшу роль грає використання методів біоінформатики (комп'ютерна эпигенетика).

Механізми

Метилювання ДНК та ремоделювання хроматину

Епігенетичні фактори впливають на активність експресії певних генів на кількох рівнях, що призводить до зміни фенотипу клітини чи організму. Одним із механізмів такого впливу є ремодуляція хроматину. Хроматин - це комплекс ДНК з білками гістонами: ДНК накручується на білки гістони, які представлені сферичними структурами (нуклеосомами) внаслідок чого забезпечується її компактизація в ядрі. Від густоти розташування гістонів в ділянках геному, що активно експресуються, залежить інтенсивність експресії генів. Ремоделювання хроматину - це процес активної зміни «густоти» нуклеосом та спорідненості гістонів із ДНК. Воно досягається двома нижчеописаними шляхами.

Метилювання ДНК

Найбільш добре вивченим на сьогодні епігенетичним механізмом є метилювання цитозинових основ ДНК. Початок інтенсивним дослідженням ролі метилювання в регуляції генетичної експресії, у тому числі при старінні, було покладено ще в 70-ті роки минулого століття піонерськими роботами Ванюшина Б. Ф. та Бердишева Г. Д. із співавт. Процес метилювання ДНК полягає у приєднанні метильної групи до цитозину у складі CpG-динуклеотиду у позиції С5 цитозинового кільця. Метилювання ДНК, в основному, властиве еукаріотів. У людини метильовано близько 1% геномної ДНК. За процес метилювання ДНК відповідають три ферменти, які називають ДНК-метилтрансферазами 1, 3a і 3b (DNMT1, DNMT3a і DNMT3b). Передбачається, що DNMT3a і DNMT3b - це de novo метилтрансферази, які здійснюють формування патерну метилювання ДНК на ранніх стадіях розвитку, а DNMT1 здійснює метилювання ДНК на пізніших етапах життя організму. Функція метилювання полягає в активації/інактивації гена. У більшості випадків метилювання призводить до пригнічення активності гена, особливо при метилюванні його промоторних областей, а деметилювання - до його активації. Показано, що навіть незначні зміни у ступені метилювання ДНК можуть суттєво змінювати рівень генетичної експресії.

Модифікації гістонів

Хоча модифікації амінокислот у гістонах відбуваються по всій молекулі білка, модифікації N-хвостів відбувається значно частіше. Ці модифікації включають: фосфорилювання, убіквітилювання, ацетилювання, метилювання, сумоїлювання. Ацетилювання є найбільш вивченою модифікацією гістонів. Так, ацетилювання ацетилтрансферазою K14 та K9 лізинів хвоста гістону H3 корелює з транскрипційною активністю в даному районі хромосоми. Це відбувається через те, що ацетилювання лізину змінює його позитивний заряд на нейтральний, що унеможливлює його зв'язок з негативно зарядженими фосфатними групами в ДНК. В результаті відбувається від'єднання гістонів від ДНК, що призводить до посадки на «голу» ДНК комплексу SWI/SNF та інших транскрипційних факторів, які запускають транскрипцію. Це – «цис»-модель епігенетичного регулювання.

Гістони здатні підтримувати свій модифікований стан та виступати матрицею для модифікації нових гістонів, які зв'язуються з ДНК після реплікації.

Механізм відтворення епігенетичних міток більш вивчений для метилювання ДНК, ніж для гістонових модифікацій. Так, фермент DNMT1 має високу спорідненість із 5-метилцитозином. Коли DNMT1 знаходить «напівметильований сайт» (сайт, в якому метильований цитозин тільки в одному ланцюгу ДНК), він метилює цитозин на другій нитці в тому ж сайті.

Пріони

МікроРНК

Останнім часом велику увагу привернуто до вивчення ролі процесів регуляції генетичної активності малих інтерферуючих РНК (si-RNA) . Інтерферуючі РНК можуть змінювати стабільність та трансляцію мРНК шляхом моделювання функцій полісом та структури хроматину.

Значення

Епігенетичне успадкування у соматичних клітинах відіграє найважливішу роль розвитку багатоклітинного організму. Геном усіх клітин майже однаковий, водночас багатоклітинний організм містить по-різному диференційовані клітини, які по-різному сприймають сигнали. довкіллята виконують різні функції. Саме епігенетичні фактори забезпечують клітинну пам'ять.

Медицина

Як генетичні, так і епігенетичні явища значно впливають на здоров'я людини. Відомо кілька захворювань, які виникають через порушення метилювання генів, а також через гемізиготність за геном, схильним до геномного імпринтингу. Для багатьох організмів доведено зв'язок активності ацетилювання/деацетилювання гістонів із тривалістю життя. Можливо, ці процеси впливають і на тривалість життя людей.

Еволюція

Хоча епігенетику переважно розглядають у контексті клітинної пам'яті, існує також ряд трансгенеративних епігенетичних ефектів, при яких генетичні зміни передаються нащадкам. На відміну від мутацій, епігенетичні зміни є оборотними і, можливо, можуть бути спрямовані (адаптивні). Оскільки більшість з них зникає через кілька поколінь, вони можуть мати характер лише тимчасових адаптацій. Також активно обговорюється питання щодо можливості впливу епігенетики на частоту мутацій у певному гені. Було показано, що сімейство білків цитозин-дезаміназ APOBEC/AID бере участь як у генетичній, так і епігенетичній спадковості, використовуючи схожі молекулярні механізми. У багатьох організмів було виявлено понад 100 випадків трансгенеративних епігенетичних явищ.

Епігенетичні ефекти у людини

Геномний імпринтинг, та пов'язані з ним захворювання

Деякі людські захворювання пов'язані з геномним імпринтингом, феноменом при якому одні й ті ж гени мають різний патерн метилювання залежно від того, від якої статі вони отримані. Найвідомішими випадками захворювань, пов'язаних з імпринтингом, є синдром Ангельмана та синдром Прадера-Віллі. Причиною розвитку обох є часткова делеція у регіоні 15q. Це з наявністю геномного імпринтингу у цьому локусі.

Трансгенеративні епігенетичні ефекти

Маркус Пембрі (Marcus Pembrey) зі співавторами встановили, що онуки (але не онуки) чоловіків, які були голодні у Швеції в 19 столітті, менш схильні до серцево-судинним захворюванням, але сильніше схильні до діабету, що, як вважає автор, є прикладом епігенетичної спадковості.

Рак та порушення розвитку

Багато речовин мають властивості епігенетичних канцерогенів: вони призводять до збільшення частоти виникнення пухлин, не проявляючи при цьому мутагенного ефекту (наприклад: діетилстилбестролу арсеніт, гексахлорбензол та сполуки нікелю). Багато тератогенів, зокрема діетилстилбестрол, надають специфічний вплив на плід на епігенетичному рівні.

Зміни в ацетилюванні гістонів та метилюванні ДНК призводить до розвитку раку простати шляхом зміни активності різних генів. На активність генів при раку простати може впливати харчування та спосіб життя.

2008 року Національний Інститут Здоров'я США оголосив, що 190 мільйонів доларів буде витрачено на вивчення епігенетики протягом наступних 5 років. На думку деяких дослідників, які стали ініціаторами виділення коштів, епігенетика може відігравати більшу роль у лікуванні захворювань людини, ніж генетика.

Епігеном та старіння

У Останніми рокаминакопичено велику кількість доказів того, що епігенетичні процеси відіграють важливу роль на пізніх етапах життя. Зокрема, при старінні відбуваються широкомасштабні зміни патернів метилювання. Передбачається, що ці процеси перебувають під генетичним контролем. Зазвичай найбільша кількістьметильованих цитозинових основ спостерігається в ДНК, виділеній з ембріонів або новонароджених тварин, і ця кількість поступово зменшується з віком. Подібне зниження рівня метилювання ДНК виявлено в лімфоцитах, що культивуються, мишей, хом'яків і людей. Воно має систематичний характер, але може бути тканинно-і геноспецифічним. Наприклад, Tra із співавт. (Tra et al., 2002) при зіставленні більш ніж 2000 локусів у Т-лімфоцитах, ізольованих з периферичної крові новонароджених, а також людей середнього та старшого віку, виявили, що 23 з цих локусів з віком піддаються гіперметилюванню та 6 - гіпометилюванню, причому подібні зміни характеру метилювання виявлені і в інших тканинах: підшлунковій залозі, легені та стравоході. Виражені епігенетичні спотворення виявлені у хворих на прогірію Хатчинсона-Гілфорда.

Передбачається, що деметилювання з віком призводить до хромосомних перебудов за рахунок активації мобільних генетичних елементів (МГЕ), які зазвичай пригнічуються метилюванням ДНК (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематичне вікове зниження рівня метилювання може, принаймні частково, спричинити виникнення багатьох комплексних захворювань, які не можна пояснити за допомогою класичних генетичних поглядів. Ще одним процесом, що відбувається в онтогенезі паралельно з деметилювання і впливає на процеси епігенетичного регулювання, є конденсація хроматину (гетерохроматинізація), що призводить з віком до зниження генетичної активності. У ряді робіт вік-залежні епігенетичні зміни були продемонстровані також у статевих клітинах; напрям цих змін, мабуть, є геноспецифічним.

Література

Несса Кері. Епігенетика: як сучасна біологія переписує наші уявлення про генетику, захворювання та спадковість. - Ростов-на-Дону: Фенікс, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Примітки

New research links common RNA modification to obesity
http://woman.health-ua.com/article/475.html Епігенетична епідеміологія асоційованих з віком захворювань
Holliday, R., 1990. Механізми для управління геном діяльності при розвитку. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431-471
"Epigenetics". Bio-Medicine.org. Retrieved 2011-05-21.
V.L. Chandler (2007). "Paramutation: From Maize to Mice". Cell 128 (4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501 .
Jan Sapp, Beyond the Gene. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, «Concepts of organization: the leverage of ciliate protozoa» . In S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology Oxford University Press, 2003.
Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press ISBN 0-26-265063-0.
Verdel et al, 2004
Matzke, Birchler, 2005
O.J. Rando and KJ. Verstrepen (2007). "Timescales of Genetic and Epigenetic Inheritance". Cell 128(4): 655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504 .
Jablonka, Eva; Gal Raz (June 2009). «Transgenerational Epigenetic Inheritance: Prevalence, Mechanisms, і Implications for Study of Heredity and Evolution». The Quarterly Review of Biology 84 (2): 131-176. doi:10.1086/598822. PMID 19606595 .
J.H.M. Knoll, R.D. Nicholls, R.E. Magenis, J.M. Graham Jr, M. Lalande, S.A. Latt (1989). "Angelman and Prader-Willi syndromes share a common chromosome deletion but different in parental origin of the deletion". American Journal of Medical Genetics 32 (2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235. PMID 2564739 .
Pembrey ME, Bygren LO, Kaati G, et al. Sex-specific, male-line transgenerational responses in humans. Eur J Hum Genet 2006; 14: 159-66. PMID 16391557 . Robert Winston refers to this study in a lecture; see also discussion at Leeds University, here

4910 0

Останніми роками медична наука дедалі більше переключає свою увагу вивчення генетичного коду на таємничі механізми, з допомогою яких ДНК реалізовує свій потенціал: упаковується і взаємодіє з протеїнами наших клітин.

Так звані епігенетичні фактори успадковуються, оборотні та відіграють колосальну роль у збереженні здоров'я цілих поколінь.

Епігенетичні зміни в клітині можуть запускати рак, неврологічні та психічні захворювання, аутоімунні порушення – не дивно, що епігенетика приковує увагу лікарів та дослідників із різних областей.

Недостатньо, щоб у ваших генах було закодовано правильну послідовність нуклеотидів. Експресія кожного гена – це неймовірно складний процес, який потребує ідеальної координації дій одразу кількох молекул-учасників.

Епігенетика створює для медицини та науки додаткові проблеми, в яких ми тільки починаємо розумітися.

Кожна клітина нашого тіла (за небагатьма винятками) містить одну й ту саму ДНК, подаровану батьками. Проте не всі частини ДНК можуть одночасно бути активними. У клітинах печінки працюють одні гени, у клітинах шкіри інші, у нервових клітинах треті – саме тому наші клітини разюче відрізняються одна від одної та мають власну спеціалізацію.

Епігенетичні механізми гарантують, що у клітці певного типу працюватиме код, властивий лише цьому типу.

Протягом людського життя ті чи інші гени можуть спати або раптово активуватися. На ці малозрозумілі зміни впливають мільярди життєвих подій – переїзд у нову місцевість, розлучення із дружиною, відвідування спортзалу, похмілля чи зіпсований бутерброд. Практично всі події у житті, великі та маленькі, здатні позначитися на активності тих чи інших генів усередині нас.

Визначення епігенетики

Протягом багатьох років слова «епігенезис» та «епігенетика» використовувалося в різних областях біології, і лише порівняно недавно вчені прийшли до консенсусу, встановивши їх остаточне значення. Тільки в 2008 році на зустрічі в Колд-Спрінг-Харбор з плутаниною було покінчено раз і назавжди – було запропоновано офіційне визначення епігенетики та епігенетичних змін.

Епігенетичні зміни - це успадковані зміни в експресії генів та фенотипі клітини, які не торкаються послідовності самої ДНК. Під фенотипом розуміють всю сукупність характеристик клітини (організму) – у разі це структура кісткової тканини, і біохімічні процеси, інтелект і поведінка, відтінок шкіри колір очей тощо.

Звичайно, фенотип організму залежить від його генетичного коду. Але що далі вчені заглиблювалися у питання епігенетики, то очевидніше ставало, деякі характеристики організму успадковуються через покоління без змін генетичного коду (мутацій).

Для багатьох це стало одкровенням: організм може змінюватися без зміни генів і передавати ці нові риси нащадкам.

Епігенетичні дослідження останніх років довели, що фактори довкілля – проживання серед курців, постійні стреси, неправильне харчування – можуть призвести до серйозних збоїв у функціонуванні генів (але не в їх структурі), і що ці збої легко передаються майбутнім поколінням. Хороша новина в тому, що вони є оборотними, і в якомусь N-му поколінні можуть розчинитися без сліду.

Щоб краще зрозуміти силу епігенетики, уявимо наше життя у вигляді довгого кіно.

Наші клітини – актори та актриси, а наша ДНК – це заздалегідь підготовлений сценарій, у якому кожне слово (ген) дає акторському складу потрібні команди. У цій картині епігенетика – режисер. Сценарій може бути тим самим, але режисер наділений владою видаляти певні сцени та фрагменти діалогів. Так і в житті епігенетика вирішує, що і як скаже кожна клітина нашого великого тіла.

Епігенетика та здоров'я

Метилювання, зміни в білках-гістонах або нуклеосомах («пакувальниках ДНК») можуть успадковуватися та призводити до хвороб.

Найбільш вивченим аспектом епігенетики є метилювання. Це процес приєднання метильних (СН3-) груп до ДНК.

Зазвичай метилювання впливає транскрипцію генів – копіювання ДНК на РНК, чи перший крок у реплікації ДНК.

Дослідження 1969 року вперше показало, що метилювання ДНК здатне змінити довготривалу пам'ять індивіда. З того моменту роль метилювання у розвитку численних захворювань стала зрозумілішою.

Захворювання імунної системи

Зібрані за останні роки факти свідчать про те, що втрата епігенетичного контролю над складними імунними процесами може призвести до аутоімунних захворювань. Так, аномальне метилювання в Т-лімфоцитах спостерігають у людей, які страждають на вовчак – запальне захворювання, при якому імунна системавражає органи та тканини господаря.

Інші вчені впевнені, що метилювання ДНК – справжня причина розвитку ревматоїдного артриту.

Нейропсихіатричні захворювання

Деякі психічні хвороби, розлади аутистичного спектру та нейродегенеративні захворювання пов'язані з епігенетичним компонентом. Зокрема, із ДНК-метилтрансферазами (DNMT) – групою ферментів, що передають метильну групу на нуклеотидні залишки ДНК.

Вже практично доведено роль метилювання ДНК у розвитку хвороби Альцгеймера. Велике дослідження виявило, що навіть за відсутності клінічних симптомів гени нервових клітин у хворих, схильних до хвороби Альцгеймера, метильовані інакше, ніж у нормальному мозку.

Теорія про роль метилювання у розвитку аутизму було запропоновано давно. Численні розтини з вивченням мозку хворих людей підтверджують, що в їх клітинах недостатньо протеїну MECP2 (метил-CpG-білок, що зв'язує 2). Це виключно важлива субстанція, що зв'язує та активує метильовані гени. За відсутності MECP2 порушується робота головного мозку.

Онкологічне захворювання

Достовірно відомо, що рак залежить від генів. Якщо до 80-х років вважали, що справа тільки в генетичних мутаціях, то тепер вчені знають про роль епігенетичних факторів у виникненні, прогресуванні раку і навіть у його стійкості до лікування.

1983 року рак став першою хворобою людини, яку пов'язали з епігенетикою. Тоді вчені виявили, що клітини колоректального раку значно менше метильовані, ніж нормальні клітини кишківника. Нестача метильних груп призводить до нестабільності в хромосомах і запускається онкогенез. З іншого боку, надлишок мітильних груп у ДНК «присипляє» деякі гени, відповідальні за придушення раку.

Оскільки епігенетичні зміни оборотні, подальші дослідження відкрили дорогу до інноваційної терапії раку.

В оксфордському журналі Carcinogenesis від 2009 року вчені писали: "Той факт, що епігенетичні зміни, на відміну від генетичних мутацій, потенційно оборотні і можуть бути відновлені до нормального стану, робить епігенетичну терапію перспективною опцією".

Епігенетика все ще є молодою наукою, але завдяки багатогранному впливу епігенетичних змін на клітини її успіхи вже сьогодні вражають уяву. Жаль, що не раніше ніж через 30-40 років наші нащадки зможуть повністю усвідомити, як багато вона означає здоров'я людства.

: магістр фармації та професійний медичний перекладач

Мабуть, найємніше і водночас точне визначення епігенетики належить видатному англійському біологу, нобелівському лауреату Пітеру Медавару: «Генетика передбачає, а епігенетика має в своєму розпорядженні».

Олексій Ржешевський Олександр Вайсерман

Чи знаєте ви, що наші клітини мають пам'ять? Вони пам'ятають не тільки те, що ви зазвичай їсте на сніданок, а й чим харчувалися під час вагітності ваша мама та бабуся. Ваші клітини добре пам'ятають, чи займаєтеся спортом і як часто вживаєте алкоголь. Пам'ять клітин зберігає у собі ваші зустрічі з вірусами і те, наскільки сильно вас любили у дитинстві. Клітинна пам'ять вирішує, чи будете ви схильні до ожиріння та депресій. Багато в чому завдяки клітинній пам'яті ми не схожі на шимпанзе, хоча маємо з ним приблизно однаковий склад геному. І цю дивовижну особливість наших клітин допомогла зрозуміти наука епігенетика.

Епігенетика - досить молодий напрямок сучасної науки, і поки вона не так широко відома, як її рідна сестрагенетика. У перекладі з грецької прийменник "епі-" означає "над", "вище", "поверх". Якщо генетика вивчає процеси, які ведуть до змін у наших генах, в ДНК, то епігенетика досліджує зміни активності генів, при яких структура ДНК залишається Колишньої. Можна уявити, ніби якийсь «командир» у відповідь на зовнішні стимули, такі як харчування, емоційні стреси, фізичні навантаження, надає нашим генам посилити або, навпаки, послабити їхню активність.

Епігенетичні процеси реалізуються кількох рівнях. Метилювання діє лише на рівні окремих нуклеотидів. Наступний рівень – це модифікація гістонів, білків, що беруть участь в упаковці ниток ДНК. Від цієї упаковки також залежать процеси транскрипції та реплікації ДНК. Окрема наукова галузь – РНК-епігенетика – вивчає епігенетичні процеси, пов'язані з РНК, у тому числі метилювання інформаційної РНК.

Управління мутацією

Розвиток епігенетики як окремого напряму молекулярної біології розпочався у 1940-х. Тоді англійський генетик Конрад Уоддінгтон сформулював концепцію "епігенетичного ландшафту", що пояснює процес формування організму. Довгий час вважалося, що епігенетичні перетворення характерні лише для початкового етапу розвитку організму та не спостерігаються у дорослому віці. Проте в останні роки була отримана ціла серія експериментальних доказів, які справили в біології та генетиці ефект бомби, що розірвалася.

Переворот у генетичному світогляді стався наприкінці минулого століття. Відразу в кількох лабораторіях було отримано ряд експериментальних даних, що змусили генетиків сильно задуматися. Так, 1998 року швейцарські дослідники під керівництвом Ренато Паро з Університету Базеля проводили експерименти з мухами дрозофілами, у яких внаслідок мутацій був жовтий колір очей. Виявилося, що під впливом підвищення температури у мутантних дрозофіл народжувалося потомство не з жовтими, а з червоними (як у нормі) очима. У них активувався один хромосомний елемент, який змінював колір очей.

На подив дослідників, червоний колір очей зберігався у нащадків цих мух протягом чотирьох поколінь, хоча вони вже не піддавалися тепловому впливу. Тобто відбулося успадкування набутих ознак. Вчені були змушені зробити сенсаційний висновок: спричинені стресом епігенетичні зміни, які не зачепили сам геном, можуть закріплюватися і передаватися наступним поколінням.

Але, може, таке буває тільки у дрозофілу? Не тільки. Пізніше з'ясувалося, що у людей вплив епігенетичних механізмів також грає дуже велику роль. Наприклад, було виявлено закономірність, що схильність дорослих до діабету 2-го типу може багато в чому залежати від місяця їх народження. І це при тому, що між впливом певних факторів, пов'язаних з пори року, та виникненням самого захворювання проходить 50-60 років. Це приклад так званого епігенетичного програмування.

Що ж може пов'язувати схильність до діабету та дати народження? Новозеландським ученим Пітеру Глюкману та Марку Хансону вдалося сформулювати логічне пояснення цього феномена. Вони запропонували «гіпотезу невідповідності» (mismatch hypothesis), згідно з якою в організмі, що розвивається, може відбуватися «прогностична» адаптація до умов проживання, що очікуються після народження. Якщо прогноз підтверджується, це збільшує шанси організму на виживання у світі, де він має жити. Якщо ні – адаптація стає дезадаптацією, тобто хворобою.

Наприклад, якщо під час внутрішньоутробного розвитку плід отримує недостатню кількість їжі, у ньому відбуваються метаболічні перебудови, спрямовані на запасання харчових ресурсів на користь, «на чорний день». Якщо після народження їжі справді мало, це допомагає організму вижити. Якщо ж світ, у який потрапляє людина після народження, виявляється благополучнішим, ніж прогнозувалося, такий «запасливий» характер метаболізму може призвести до ожиріння та діабету 2-го типу на пізніх етапах життя.

Досліди, проведені 2003 року американськими вченими з Дюкського університету Ренді Джіртлом та Робертом Уотерлендом, вже стали хрестоматійними. Декількома роками раніше Джіртлу вдалося вбудувати штучний ген звичайним мишам, через що ті народжувалися жовтими, товстими і болючими. Створивши таких мишей, Джіртл із колегами вирішили перевірити: чи не можна, не видаляючи дефектний ген, зробити їх нормальними? Виявилося, що можна: вони додали в корм вагітним мишам агуті (так стали називати жовтих мишачих «монстрів») фолієву кислоту, вітамін В12, холін та метіонін, і внаслідок цього з'явилося нормальне потомство. Харчові фактори виявились здатними нейтралізувати мутації в генах. Причому вплив дієти зберігався і в кількох наступних поколіннях: дитинчата мишей агуті, що народилися нормальними завдяки харчовим добавкам, самі народжували нормальних мишей, хоча харчування вони були вже звичайне.

Метильні групи приєднуються до цитозинових основ, не руйнуючи та не змінюючи ДНК, але впливаючи на активність відповідних генів. Існує і зворотний процес - деметилювання, при якому мітильні групи видаляються та початкова активність генів відновлюється.

Можна впевнено сказати, що період вагітності та перших місяців життя найбільш важливий у житті всіх ссавців, у тому числі й людини. Як влучно висловився німецький нейробіолог Петер Шпорк, «у похилому віці на наше здоров'я часом набагато сильніше впливає раціон нашої матері в період вагітності, ніж їжа в даний момент життя».

Доля у спадок

Найбільш вивчений механізм епігенетичного регулювання активності генів - процес метилювання, який полягає в додаванні метильної групи (одного атома вуглецю і трьох атомів водню) до цитозинових основ ДНК. Метилювання може проводити активність генів декількома способами. Зокрема, метильні групи можуть фізично перешкоджати контакту фактора транскрипції (білка, який контролює процес синтезу інформаційної РНК на матриці ДНК) зі специфічними ділянками ДНК. З іншого боку, вони працюють у зв'язці з метилцитозин-зв'язуючими білками, беручи участь у процесі ремоделювання хроматину - речовини, з якої складаються хромосоми, сховища спадкової інформації.

У відповіді за випадковість

Багато жінок знають, що під час вагітності дуже важливо споживати фолієву кислоту. Фолієва кислота разом з вітаміном В12 та амінокислотою метіоніном служить донором, постачальником метильних груп, необхідних для нормального перебігу процесу метилювання. Вітамін В12 і метіонін майже неможливо отримати з вегетаріанського раціону, оскільки вони містяться переважно у тваринних продуктах, тому розвантажувальні дієти майбутньої мами можуть мати для дитини найнеприємніші наслідки. Нещодавно було виявлено, що дефіцит у раціоні цих двох речовин, а також фолієвої кислоти може стати причиною порушення розбіжності хромосом у плода. А це сильно підвищує ризик народження дитини із синдромом Дауна, що зазвичай вважається просто трагічною випадковістю.
Також відомо, що недоїдання та стрес у період вагітності змінює в гірший бік концентрацію цілого ряду гормонів в організмі матері та плоду — глюкокортикоїдів, катехоламінів, інсуліну, гомону росту та ін. Через це у зародка починають відбуватися негативні епігенетичні зміни в клітинах гіпоталамуса гіпофіза. Це може призвести до того, що малюк з'явиться на світ зі спотвореною функцією гіпоталамо-гіпофізарної регуляторної системи. Через це він буде гірше справлятися зі стресом найрізноманітнішої природи: з інфекціями, фізичними та психічними навантаженнями і т. д. Цілком очевидно, що, погано харчуючись і переживаючи під час виношування, мама робить зі своєї майбутньої дитини вразливу з усіх боків невдаху .

Метилювання бере участь у багатьох процесах, пов'язаних з розвитком та формуванням усіх органів та систем у людини. Один із них — інактивація X-хромосом у ембріона. Як відомо, самки ссавців мають дві копії статевих хромосом, що позначаються як X-хромосома, а самці задовольняються однією X і однією Y-хромосомою, яка значно менша за розміром і кількістю генетичної інформації. Щоб зрівняти самців і самок у кількості вироблених генних продуктів (РНК і білків), більшість генів на одній з X-хромосом у самок вимикається.

Кульмінація цього процесу відбувається на стадії бластоцисти, коли зародок складається з 50-100 клітин. У кожній клітині хромосома для інактивації (батьківська чи материнська) вибирається випадковим чином і залишається неактивною у всіх наступних генераціях цієї клітини. З цим процесом «перемішування» батьківських і материнських хромосом пов'язаний той факт, що жінки набагато рідше страждають на захворювання, пов'язані з X-хромосомою.

Метилювання відіграє важливу роль у клітинному диференціюванні – процесі, завдяки якому «універсальні» ембріональні клітини розвиваються у спеціалізовані клітини тканин та органів. М'язові волокна, кісткова тканина, нервові клітини- всі вони з'являються завдяки активності певної частини геному. Також відомо, що метилювання відіграє провідну роль придушенні більшості різновидів онкогенів, а також деяких вірусів.

Метилювання ДНК має найбільше прикладне значення з усіх епігенетичних механізмів, оскільки воно безпосередньо пов'язане з харчовим раціоном, емоційним статусом, мозковою діяльністю та іншими зовнішніми факторами.

Дані, які добре підтверджують цей висновок, були отримані на початку цього століття американськими та європейськими дослідниками. Вчені обстежили літніх голландців, що народилися відразу після війни. Період вагітності їхніх матерів збігся з дуже важким часом, як у Голландії взимку 1944-1945 років був справжній голод. Вченим вдалося встановити: сильний емоційний стресі напівголодний раціон матерів негативно вплинув на здоров'я майбутніх дітей. Народившись з малою вагою, вони в дорослому житті в кілька разів частіше схильні до хвороб серця, ожиріння і діабету, ніж їхні співвітчизники, що народилися на рік або два пізніше (або раніше).

Аналіз їх геному показав відсутність метилювання ДНК саме у тих ділянках, де воно забезпечує збереження хорошого здоров'я. Так, у літніх голландців, чиї матері пережили голод, було помітно знижено метилювання гена інсуліноподібного фактора росту (ІФР), через що кількість ІФР у крові підвищувалася. А цей фактор, як добре відомо вченим, має зворотний зв'язок із тривалістю життя: чим вищий в організмі рівень ІФР, тим життя коротше.

Пізніше американський вчений Ламбер Люме виявив, що і в наступному поколінні діти, що народилися в сім'ях цих голландців, також з'являлися на світ з ненормально малою вагою і частіше за інших хворіли на всі вікові хвороби, хоча їхні батьки жили цілком благополучно і добре харчувалися. Гени запам'ятали інформацію про голодний період вагітності бабусь та передали її навіть через покоління, онукам.

Гени не вирок

Поряд зі стресом та недоїданням на здоров'я плода можуть впливати численні речовини, що спотворюють нормальні процеси гормональної регуляції. Вони отримали назву "ендокринні дизраптори" (руйнівники). Ці речовини зазвичай мають штучну природу: людство отримує їх промисловим способом для своїх потреб.

Найяскравіший і негативний приклад — це, мабуть, бісфенол-А, що вже багато років застосовується як затверджувач при виготовленні пластмасових виробів. Він міститься у деяких видах пластикової тари- Пляшок для води та напоїв, харчових контейнерів.

Негативний вплив бісфенолу-А на організм полягає у здатності «знищувати» вільні метильні групи, необхідні для метилювання, і пригнічувати ферменти, що прикріплюють ці групи до ДНК. Біологи з Гарвардської медичної школи виявили здатність бісфенолу-А гальмувати дозрівання яйцеклітини і цим призводити до безпліддя. Їхні колеги з Колумбійського університету виявили здатність бісфенолу-А прати відмінності між статями та стимулювати народження потомства з гомосексуальними нахилами. Під впливом бісфенолу порушувалося нормальне метилювання генів, що кодують рецептори до естрогенів, жіночих статевих гормонів. Через це миші-самці народжувалися з «жіночим» характером, поступливими та спокійними.

На щастя, існують продукти, що позитивно впливають на епігеном. Наприклад, регулярне вживання зеленого чаю може знижувати ризик онкозахворювань, оскільки в ньому міститься певна речовина (епігаллокатехін-3-галлат), яка може активізувати гени-супресори (придушники) пухлинного росту, деметилюючи їх ДНК. Останніми роками популярний модулятор епігенетичних процесів геністеїн, що міститься у продуктах із сої. Багато дослідників пов'язують вміст сої в раціоні жителів азіатських країн з їхньою меншою схильністю до деяких вікових хвороб.

Вивчення епігенетичних механізмів допомогло зрозуміти важливу істину: дуже багато в житті залежить від нас самих. На відміну від відносно стабільної генетичної інформації епігенетичні «мітки» за певних умов можуть бути оборотними. Цей факт дозволяє розраховувати на принципово нові методи боротьби з поширеними хворобами, засновані на усуненні епігенетичних модифікацій, які виникли у людини під впливом несприятливих факторів. Застосування підходів, вкладених у коригування епігенома, відкриває маємо великі перспективи.

Епігенетика - порівняно недавній напрямок біологічної науки і поки не так широко відомий, як генетика. Під нею розуміють розділ генетики, який вивчає успадковані зміни активності генів під час розвитку організму чи поділу клітин.

Епігенетичні зміни не супроводжуються перестановкою послідовності нуклеотидів у дезоксирибонуклеїновій кислоті (ДНК).

В організмі існують різні регуляторні елементи в самому геномі, які контролюють роботу генів, у тому числі залежно від внутрішніх та зовнішніх факторів. Довгий час епігенетику не визнавали, тому що було мало інформації про природу епігенетичних сигналів та механізми їх реалізації.

Структура геному людини

У 2002 р. внаслідок багаторічних зусиль великої кількості вчених різних країн закінчено розшифровку будови спадкового апарату людини, яка міститься в головній молекулі ДНК. Це одне з найвидатніших досягнень біології початку ХХI століття.

ДНК, в якій знаходиться вся спадкова інформація про цей організм, називається геномом. Гени - це окремі ділянки, що займають дуже невелику частину геному, але при цьому становлять його основу. Кожен ген відповідає за передачу в організмі людини даних про будову рибонуклеїнової кислоти (РНК) та білка. Структури, які передають спадкову інформацію, називають послідовностями, що кодують. В результаті проекту «Геном» було отримано дані, згідно з якими геном людини оцінювався у понад 30 000 генів. В даний час, у зв'язку з появою нових результатів мас-спектрометрії, геном приблизно налічує близько 19 000 генів.

Генетична інформація кожної людини міститься в ядрі клітини та розташована в особливих структурах, які отримали назву хромосоми. Кожна соматична клітина містить два повні набори (диплоїдний) хромосом. У кожному одиничному наборі (гаплоїдному) є 23 хромосоми - 22 звичайні (аутосоми) і по одній статевій хромосомі - Х або Y.

Молекули ДНК, що містяться у всіх хромосомах кожної клітини людини, є двома полімерними ланцюгами, закрученими в правильну подвійну спіраль.

Обидва ланцюги утримують один одного чотирма підставами: аденін (А), цитозин (Ц), гуанін (Г) та тіамін (Т). Причому основа А на одному ланцюжку може з'єднатися тільки з основою Т на іншому ланцюжку і аналогічно основа Г може з'єднуватися з основою Ц. Це називається принципом спарювання основ. За інших варіантів спарювання порушує всю цілісність ДНК.

ДНК існує у вигляді тісного комплексу зі спеціалізованими білками, разом вони становлять хроматин.

Гістони – це нуклеопротеїни, основна складова хроматину. Їм властиво утворення нових речовин шляхом приєднання двох структурних елементівв комплекс (димер), що є особливістю для подальшої епігенетичної модифікації та регуляції.

ДНК, що зберігає генетичну інформацію, при кожному клітинному поділі самовідтворюється (подвоюється), тобто знімає з себе точні копії (реплікація). Під час клітинного поділу зв'язок між двома ланцюгами подвійний спіралі ДНК руйнуються і нитки спіралі поділяються. Потім на кожній із них будується дочірній ланцюг ДНК. Через війну молекула ДНК подвоюється, утворюються дочірні клітини.

ДНК служить матрицею, де відбувається синтез різних РНК (транскрипція). Цей процес (реплікація і транскрипція) здійснюється в ядрах клітин, а починається він з гена, званої промотором, на якому зв'язуються білкові комплекси, що копіюють ДНК для формування матричної РНК (мРНК).

У свою чергу, остання служить не тільки носієм ДНК-інформації, але й переносником цієї інформації для синтезу білкових молекул на рибосомах (процес трансляції).

В даний час відомо, що зони гена людини, що кодують білки (екзони), займають лише 1,5% геному. Більшість геному немає відношення до генів і інертна щодо передачі. Виявлені зони гена, які не кодують білки, називаються інтронами.

Перша копія мРНК, отримана з ДНК, містить у собі набір екзонів і інтронів. Після цього спеціалізовані білкові комплекси видаляють всі послідовності інтронів та з'єднують один з одним екзони. Цей процес редагування називається сплайсингом.

Епігенетика пояснює один із механізмів, за допомогою якого клітина здатна контролювати синтез виробленого нею білка, визначаючи в першу чергу, скільки копій мРНК можна отримати з ДНК.

Отже, геном - це не застигла частина ДНК, а динамічна структура, сховище інформації, яку не можна звести до одних генів.

Розвиток та функціонування окремих клітин та організму в цілому не запрограмовані автоматично в одному геномі, але залежать від безлічі різних внутрішніх та зовнішніх факторів. У міру накопичення знань з'ясовується, що в геномі існують множинні регуляторні елементи, які контролюють роботу генів. Зараз це знаходить підтвердження у багатьох експериментальних досліджень на тваринах.

При розподілі під час мітозу дочірні клітини можуть успадковувати від батьківських як пряму генетичну інформацію як нової копії всіх генів, а й певний рівень їх активності. Такий тип наслідування генетичної інформації отримав назву епігенетичного наслідування.

Епігенетичні механізми регуляції генів

Предметом епігенетики є вивчення успадкування активності генів, не пов'язаної зі зміною первинної структури ДНК, що входить до їх складу. Епігенетичні зміни спрямовані на адаптацію організму до умов його існування, що змінюються.

Вперше термін «епігенетика» запропонував англійський генетик Waddington у 1942 р. Різниця між генетичними та епігенетичними механізмами спадкування полягає у стабільності та відтворюваності ефектів.

Генетичні ознаки фіксуються необмежену кількість, доки у гені немає мутація. Епігенетичні модифікації зазвичай відображаються у клітинах у межах життя одного покоління організму. Коли дані зміни передаються наступним поколінням, вони можуть відтворюватися в 3-4 генераціях, та був, якщо стимулюючий чинник пропадає, ці перетворення зникають.

Молекулярна основа епігенетики характеризується модифікацією генетичного апарату, тобто активації та репресії генів, що не торкаються первинної послідовності нуклеотидів ДНК.

Епігенетична регуляція генів здійснюється на рівні траскрипції (час і характер транскрипції гена), при відборі зрілих мРНК для транспорту їх у цитоплазму, при селекції мРНК у цитоплазмі для трансляції на рибосомах, дестабілізації певних типів мРНК у цитоплазмі синтезу.

Сукупність епігенетичних маркерів є епігеном. Епігенетичні перетворення можуть проводити фенотип.

Епігенетика відіграє важливу роль у функціонуванні здорових клітин, забезпечуючи активацію та репресію генів, у контролі транспозонів, тобто ділянок ДНК, здатних переміщатися всередині геному, а також в обміні генетичного матеріалу в хромосомах.

Епігенетичні механізми беруть участь у геномному імпритингу (відбиток) - процесі, при якому експресія певних генів здійснюється залежно від того, від якого батька надійшли алелі. Імпритинг реалізується через процес метилювання ДНК у промоторах, у результаті транскрипція гена блокується.

Епігенетичні механізми забезпечують запуск процесів у хроматині через модифікацію гістонів та метилювання ДНК. За останні два десятиліття суттєво змінилися уявлення про механізми регулювання транскрипції еукаріотів. Класична модель передбачала, що рівень експресії визначається транскрипційними факторами, що зв'язуються з регуляторними областями гена, що ініціюють синтез матричної РНК. Гістонам та негістоновим білкам відводилася роль пасивної пакувальної структури для забезпечення компактного укладання ДНК у ядрі.

У подальших дослідженнях було показано роль гістонів у регуляції трансляції. Було виявлено так званий гістоновий код, тобто модифікація гістонів, неоднакова в різних районах геному. Видозмінені гістонові коди можуть призводити до активізації та репресії генів.

Модифікаціям піддаються різні частини структури геному. До кінцевих залишків можуть приєднуватися метильні, ацетильні, фосфатні групи та більші білкові молекули.

Усі модифікації є оборотними і кожної існують ферменти, які її встановлюють чи видаляють.

Метилювання ДНК

У ссавців метилювання ДНК (епігенетичний механізм) було вивчено раніше за інших. Показано, що він корелює із репресією генів. Експериментальні дані показують, що метилювання ДНК є захисним механізмом, який пригнічує значну частину геному чужорідної природи (віруси та ін.).

Метилювання ДНК у клітині контролює всі генетичні процеси: реплікацію, репарацію, рекомбінацію, транскрипцію, інактивацію Х-хромосоми. Метильні групи порушують ДНК-білкову взаємодію, перешкоджаючи зв'язуванню транскрипційних факторів. Метилювання ДНК впливає на структуру хроматину, блокує транскрипційні репресори.

Дійсно, підвищення рівня метилювання ДНК корелює з відносним збільшенням вмісту ДНК, що не кодує і повторюється, в геномах вищих еукаріотів. Експериментальні дані показують, що це відбувається тому, що метилювання ДНК є головним чином як захисний механізм, щоб пригнічувати значну частину геному чужорідного походження (репліковані елементи, що переміщаються, вірусні послідовності, інші повторювані послідовності).

Профіль метилювання - активування або пригнічення - змінюється залежно від факторів середовища. Вплив метилювання ДНК на структуру хроматину має велике значеннядля розвитку і функціонування здорового організму, щоб придушувати значну частину геному чужорідного походження, тобто репліковані елементи, що переміщаються, вірусні та інші повторювані послідовності.

Метилювання ДНК відбувається шляхом оборотної хімічної реакції азотистої основи - цитозину, внаслідок чого метильна група СН3 приєднується до вуглецю з утворенням метилцитозину. Цей процес каталізується ферментами ДНК-метилтрансфераз. Для метилювання цитозину необхідний гуанін, у результаті утворюється два нуклеотиди, розділені фосфатом (СрG).

Скупчення неактивних послідовностей СрG називається острівцями СрG. Останні представлені в геномі нерівномірно. Більшість із них виявляються у промоторах генів. Метилювання ДНК відбувається в промоторах генів, у транскрибованих ділянках, а також у міжгенних просторах.

Гіперметильовані острівці викликають інактивацію гена, що порушує взаємодію регуляторних білків з промоторами.

Метилювання ДНК дуже впливає на експресію генів і, зрештою, на функцію клітин, тканин і організму загалом. Встановлено пряму залежність між високим рівнем метилювання ДНК та кількістю репресованих генів.

Видалення метильних груп із ДНК внаслідок відсутності метилазної активності (пасивне деметилювання) реалізується після реплікації ДНК. При активному деметилюванні бере участь ферментативна система, що перетворює 5-метилцитозин на цитозин незалежно від реплікації. Профіль метилювання змінюється залежно від факторів середовища, в яких знаходиться клітина.

Втрата здатності підтримувати метилювання ДНК може призводити до імунодефіциту, злоякісним пухлинамта іншим захворюванням.

Довгий час механізм та ферменти, залучені до процесу активного деметилювання ДНК, залишалися невідомими.

Ацетилювання гістонів

Існує велика кількість посттрансляційних модифікацій гістонів, що формують хроматин. У 1960-і роки Вінсент Олфрі ідентифікував ацетилювання та фосфорилювання гістонів з багатьох еукаріотів.

Ферменти ацетилювання та деацетилювання (ацетилтрансферази) гістонів відіграють роль у ході транскрипції. Ці ферменти каталізують ацетилювання локальних гістонів. Деацетилази гістонів репресують транскрипцію.

Ефект ацетилювання це ослаблення зв'язку між ДНК та гістонами через зміну заряду, внаслідок чого хроматин стає доступним для факторів транскрипції.

Ацетилювання є приєднанням хімічної ацетил-групи (амінокислоти лізин) на вільну ділянку гістону. Як і метилювання ДНК, ацетилювання лізину є епігенетичним механізмом для зміни експресії генів, що не впливають на вихідну послідовність генів. Шаблон, яким відбуваються модифікації ядерних білків, почали називати гістоновим кодом.

Гістонові модифікації принципово відрізняються від метилювання ДНК. Метилювання ДНК є дуже стабільним епігенетичним втручанням, яке частіше закріплюється в більшості випадків.

Переважна більшість гістонових модифікацій варіативніша. Вони впливають на регулювання експресії генів, підтримку структури хроматину, диференціацію клітин, канцерогенез, розвиток генетичних захворювань, старіння, репарацію ДНК, реплікацію, трансляцію. Якщо гістонові модифікації йдуть на користь клітини, то вони можуть тривати досить довго.

Одним із механізмів взаємодії між цитоплазмою та ядром є фосфорилювання та/або дефосфорилювання транскрипційних факторів. Гістони були одними з перших білків, фосфорилювання яких було виявлено. Це здійснюється за допомогою протеїнкіназ.

Під контролем транскрипційних факторів, що фосфорилуються, знаходяться гени, у тому числі гени, що регулюють проліферацію клітин. При таких модифікаціях в молекулах хромосомних білків відбуваються структурні зміни, які призводять до функціональних змін хроматину.

Крім описаних вище посттрансляційних модифікацій гістонів є більші білки, такі як убіквітін, SUMO та ін, які можуть приєднуватися за допомогою ковалентного зв'язку до бічних аміногруп білка-мішені, впливаючи на їх активність.

Епігенетичні зміни можуть передаватися у спадок (трансгенеративна епігенетична спадковість). Однак на відміну від генетичної інформації епігенетичні зміни можуть відтворюватися в 3-4 поколіннях, а за відсутності фактора, що стимулює ці зміни, зникають. Передача епігенетичної інформації відбувається у процесі мейозу (розподілу ядра клітини зі зменшенням числа хромосом вдвічі) або мітозу (розподілу клітин).

Модифікації гістонів відіграють фундаментальну роль нормальних процесах і при захворюваннях.

Регуляторні РНК

Молекули РНК виконують у клітині безліч функцій. Однією з них є регулювання експресії генів. За цю функцію відповідають регуляторні РНК, до яких відносяться антисмислові РНК (aRNA), мікроРНК (miRNA) та малі РНК, що інтерферують (siRNA)

Механізм дії різних регуляторних РНК схожий і полягає у придушенні експресії генів, що реалізується шляхом комплементарного приєднання регуляторної РНК до мРНК, з утворенням дволанцюжкової молекули (дцРНК). Саме собою утворення дцРНК призводить до порушення зв'язування мРНК з рибосомою або іншими регуляторними факторами, пригнічуючи трансляцію. Також після утворення дуплексу можливий прояв феномену РНК-інтерференції — фермент Dicer, виявивши в клітині дволанцюжкову РНК, «розрізає» її на фрагменти. Один із ланцюгів такого фрагмента (siRNA) пов'язується комплексом білків RISC (RNA-induced silencing complex).

В результаті діяльності RISC одноланцюговий фрагмент РНК з'єднується з комплементарною послідовністю молекули мРНК та викликає розрізання мРНК білком сімейства Argonaute. Ці події призводять до придушення експресії відповідного гена.

Фізіологічні функції регуляторних РНК різноманітні — вони є основними небілковими регуляторами онтогенезу, доповнюють «класичну» схему регуляції генів.

Геномний імпритинг

Людина має дві копії кожного гена, один з яких успадкований від матері, інший від батька. Обидві копії кожного гена можуть бути активною в будь-якій клітині. Геномний імпритинг – це епігенетично виборча експресія лише одного з алельних генів, успадкованих від батьків. Геномний імпритинг зачіпає і чоловіче та жіноче потомство. Так, імпритингований ген, активний на материнській хромосомі, буде активним на материнській хромосомі і «мовчить» на батьківській у всіх дітей чоловічої та жіночої статі. Гени, схильні до геномного імпритингу, в основному кодують фактори, що регулюють ембріональне і неонатальне зростання.

Імпритинг представляє складну системуяка може ламатися. Імпритинг спостерігається у багатьох хворих із хромосомними делеціями (втрати частини хромосом). Відомі захворювання, що у людини виникають у зв'язку з порушенням функціонування механізму імпритингу.

Пріони

В останні десятиліття увага привернена до пріонів, білків, які можуть викликати успадковані фенотипічні зміни, не змінюючи нуклеотидної послідовностіДНК. У ссавців пріонний білок розташований на поверхні клітин. За певних умов нормальна форма пріонів може змінюватись, що модулює активність цього білка.

Вікнер висловив упевненість у тому, що цей клас білків є одним із багатьох, які становлять нову групу епігенетичних механізмів, що потребують подальшого вивчення. Він може бути в нормальному стані, а в зміненому стані пріонні білки можуть поширюватися, тобто стати інфекційними.

Спочатку пріони були відкриті як інфекційні агенти нового типу, але зараз вважають, що вони є феноменом загальнобіологічним і є носіями інформації нового типу, що зберігається в конформації білка. Феномен пріонів лежить в основі епігенетичної спадковості та регуляції експресії генів на посттрансляційному рівні.

Епігенетика у практичній медицині

Епігенетичні модифікації контролюють усі стадії розвитку та функціональну активність клітин. Порушення механізмів епігенетичної регуляції безпосередньо чи опосередковано пов'язані з безліччю захворювань.

До захворювань з епігенетичною етіологією відносять хвороби імпринтингу, які у свою чергу поділяються на генні та хромосомні, на сьогодні налічують 24 нозології.

При хворобах генного імпринтингу спостерігається моноалельна експресія у локусах хромосом одного з батьків. Причиною є точкові мутації в генах, що диференційовано експресуються залежно від материнського та батьківського походження та призводять до специфічного метилювання цитозинових основ у молекулі ДНК. До них відносять: синдром Прадера-Віллі (делеція в батьківській хромосомі 15) - проявляється черепно-лицьовим дисморфізмом, низьким зростанням, ожирінням, м'язовою гіпотонією, гіпогонадизмом, гіпопігментацією та затримкою розумового розвитку; синдром Ангельмана (делеція критичного району, що знаходиться в 15-й материнській хромосомі), основними ознаками якого є мікробрахіцефалія, збільшена Нижня щелепа, Виступаючий язик, макростомія, рідкісні зуби, гіпопігментація; синдром Беквітта-Відемана (порушення метилювання в короткому плечі 11-ї хромосоми), що проявляється класичною тріадою, що включає макросомію, омфалоцеле макроглосію та ін.

До найважливіших чинників, які впливають епігеном, ставляться харчування, фізична активність, токсини, віруси, іонізуюча радіація та інших. У період раннього ембріогенезу геном видаляє більшість епігенетичних модифікацій, отриманих від попередніх поколінь. Але процес репрограмування триває протягом усього життя.

До захворювань, де порушення генної регуляції є частиною патогенезу, можна віднести деякі види пухлин, цукровий діабет, ожиріння, бронхіальну астму, різні дегенеративні та інші хвороби.

Епігон при раку характеризується глобальними змінами в метилюванні ДНК, модифікації гістонів, а також зміною профілю експресії хроматин-модифікуючих ферментів.

Пухлинні процеси характеризуються інактивацією за допомогою гіперметилювання ключових генів-супресорів і за допомогою гіпометилювання активацією цілого ряду онкогенів, факторів росту (IGF2, TGF) і мобільних елементів, що повторюються, розташованих в районах гетерохроматину .

Так, у 19% випадків гіпернефроїдні пухлини нирки ДНК острівців СрG була гіперметильованою, а при раку грудей та недрібноклітинній карциномі легень виявлено взаємозв'язок між рівнями гістонового ацетилювання та експресією супресора новоутворень — чим нижчим є рівень ацетилювання, тим слабше експрес.

В даний час вже розроблені та впроваджені в практику протипухлинні лікарські засоби, засновані на придушенні активності ДНК-метилтрансфераз, що призводить до зниження метилювання ДНК, активації генів-супресорів пухлинного росту та уповільнення проліферації пухлинних клітин. Так, для лікування мієлодиспластичного синдрому в комплексній терапії застосовують препарати децитабін (Decitabine) та азацитидин (Azacitidine). З 2015 р. для лікування множинної мієломи у поєднанні з класичною хіміотерапією застосовують панобіностат (Panibinostat), що є інгібітором гістонової деацитилази. Дані препарати за даними клінічних дослідженьнадають виражений позитивний ефект на рівень виживання та якість життя пацієнтів.

Зміни експресії тих чи інших генів можуть відбуватися і внаслідок впливу на клітину факторів зовнішнього середовища. У розвитку цукрового діабету 2-го типу та ожиріння відіграє роль так звана «гіпотеза економного фенотипу», згідно з якою недолік поживних речовину процесі ембріонального розвитку призводить до розвитку патологічного фенотипу. На моделях тварин була виявлена ділянка ДНК (локус Pdx1), в якій під впливом недостатності харчування знижувався рівень ацетилювання гістонів, при цьому спостерігалися уповільнення поділу та порушення диференціювання B-клітин острівців Лангерганса та розвитку стану, схожого на цукровий діабет 2-го типу.

Активно розвиваються та діагностичні можливості епігенетики. З'являються нові технології, здатні аналізувати епігенетичні зміни (рівень метилювання ДНК, експресію мікроРНК, посттрансляційні модифікації гістонів та ін.), такі як імунопреципітація хроматину (CHIP), проточна цитометрія та лазерне сканування, що дає підстави вважати, що найближчим часом будуть виявлені біомарки для вивчення нейродегенеративних захворювань, рідкісних, багатофакторних хвороб та злоякісних новоутворень та впроваджені як методи лабораторної діагностики.

Отже, нині епігенетика бурхливо розвивається. З нею пов'язують прогрес у біології та медицині.

Література

Ezkurdia I., Juan D., Rodriguez J. M.та ін. Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes // Human Molecular Genetics. 2014, 23 (22): 5866-5878.
International Human Genome Sequencing Consortium. Інтимний послідовність і analysis of the human genome // Nature. 2001, Feb. 409 (6822): 860-921.
Xuan D., Han Q., Tu Q.та ін. Epigenetic Modulation в Periodontitis: Interaction of Adiponectin and JMJD3-IRF4 Axis in Macrophages // Journal of Cellular Physiology. 2016, May; 231 (5): 1090-1096.
Waddington C. H. The Epigenotpye // Endeavour. 1942; 18-20.
Бочков Н. П.Клінічна генетика. М: Геотар.Мед, 2001.
Jenuwein T., Allis C. D. Translating the Histone Code // Science. 2001, Aug 10; 293 (5532): 1074-1080.
Коваленко Т. Ф.Метилювання геному ссавців // Молекулярна медицина. 2010. № 6. С. 21-29.
Еліс Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д.Епігенетика. М: Техносфера, 2010.
Taylor P. D., Poston L.Розвиток programming of obesity in mammals // Experimental Physiology. 2006. № 92. P. 287-298.
Льюїн Б.Гени. М: БІНОМ, 2012.
Plasschaert R. N., Bartolomei M. S. Genomic imprinting в розвитку, зростанні, behavior and stem cells // Development. 2014, May; 141 (9): 1805–1813.
Wickner R. B., Edskes H. K., Ross E. D.та ін. Prion genetics: нові правила для нових дітей гена // Annu Rev Genet. 2004; 38: 681-707.
Мутовін Р. Р.Клінічна генетика. Геноміка та протеоміка спадкової патології: навч. допомога. 3-тє вид., перераб. та дод. 2010 року.
Романцова Т. І.Епідемія ожиріння: очевидні та ймовірні причини // Ожиріння та метаболізм. 2011, №1, с. 1-15.
Bégin P., Nadeau K. C.Епігенетична регуляція астма і алергічної хвороби // Allergy Asthma Clin Immunol. 2014, May 28; 10(1): 27.
Martínez J. A., Milagro F. I., Claycombe K. J., Schalinske K. L. Epigenetics в Adipose Tissue, Obesity, Weight Loss, і Diabetes // Advances in Nutrition. 2014, Jan 1; 5(1): 71-81.
Dawson M. A., Kouzarides T. Cancer epigenetics: від mechanismu to therapy // Cell. 2012, Jul 6; 150(1): 12-27.
Kaminskas E., Farrell A., Abraham S., Baird A.Застосували підсумки: азацитидин для лікування мієлодиспластіческого syndrome subtypes // Clin Cancer Res. 2005, May 15; 11(10): 3604-3608.
Laubach J. P., Moreau P., San-Miguel J..F, Richardson P. G. Panobinostat for Treatment of Multiple Myeloma // Clin Cancer Res. 2015, Nov 1; 21 (21): 4767-4773.
Bramswig N. C., Kaestner K. H. Epigenetics and diabetes treatment: an unrealized promise? // Trends Endocrinol Metab. 2012, Jun; 23 (6): 286-291.
Sandovici I., Hammerle C. M., Ozanne S. E., Constância M.Розвиток і природний епігенетичний розробка ендокринних панкреасу: послідовності для типу 2 diabetes // Cell Mol Life Sci. 2013, May; 70(9): 1575-1595.
Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X.та ін. Flow cytometric and laser scanning microscopic approaches in epigenetics research // Methods Mol Biol. 2009; 567: 99-111.

В. В. Смирнов 1 , доктор медичних наук, професор
Г. Є. Леонов

ФДБОУ У РНІМУ ім. М. І. Пирогова МОЗ РФ,Москва

Епігенетика – відносно нова галузь генетики, яку називають одним із найважливіших біологічних відкриттів з моменту виявлення ДНК. Раніше вважалося, що набір генів, з яким ми народжуємось, незворотно визначає наше життя. Однак тепер відомо, що гени можна «вмикати» і «вимикати», а також досягти їх більшої чи меншої експресії під впливом різних факторів способу життя.

сайт розповість, що таке епігенетика, як вона працює, і що ви можете зробити, щоб підвищити шанси на виграш у «лотерею здоров'я».

Епігенетика: зміни в способі життя – ключ до зміни генів

Епігенетика - наука, що вивчає процеси, що призводять до зміни активності генів без зміни ДНК. Простіше кажучи епігенетика вивчає вплив зовнішніх факторів на активність генів.

У ході проекту «Геном людини» було ідентифіковано 25 000 генів у людській ДНК. ДНК можна назвати кодом, який організм використовує для побудови та перебудови самого себе. Однак генам і самим потрібні «інструкції», якими вони визначають необхідні дії та час їх виконання.

Епігенетичні модифікації і є тими самими інструкціями.

Існує кілька видів таких модифікацій, проте двома основними з них є ті, які торкаються метильних груп (вуглець і водень) та гістон (білки).

Щоб зрозуміти, як працюють модифікації, уявімо, що ген – це лампочка. Метильні групи діють у ролі вимикача світла (тобто гена), а гістони - як регулятор сили світла (тобто вони регулюють рівень активності генів). Так ось, вважається, що людина має чотири мільйони таких вимикачів, які наводяться в дію під впливом способу життя та зовнішніх факторів.

Ключем до розуміння впливу зовнішніх чинників на активність генів стали спостереження життя однояйцевих близнюків. Спостереження показали, наскільки сильними можуть бути зміни у генах таких близнюків, які ведуть різний спосіб життя різних зовнішніх умовах.

За ідеєю, у однояйцевих близнюків хвороби мають бути «загальними», проте найчастіше це не так: алкоголізм, хвороба Альцгеймера, біполярний розлад, шизофренія, діабет, рак, хвороба Крона та ревматоїдний артрит можуть виявлятися тільки в одного близнюка залежно від різних факторів. Причиною цього є епігенетичний дрифт- Вікова зміна експресії генів.

Секрети епігенетики: як фактори способу життя впливають на гени

Дослідження в галузі епігенетики показали, що лише 5% генних мутацій, пов'язаних із хворобами, є повністю детермінованими; інші 95% можна вплинути у вигляді харчування, поведінки та інших чинників довкілля. Програма здорового життя дозволяє змінити активність від 4000 до 5000 різних генів.

Ми не просто сума генів, з якими були народжені. Саме людина є користувачем, саме вона керує своїми генами. При цьому не так важливо, які «генетичні карти» роздала Вам природа – важливо, що Ви з ними робитимете.

Епігенетика знаходиться на початковій стадії розвитку, багато що ще потрібно дізнатися, проте існують відомості про те, які основні фактори способу життя впливають на експресію генів.

Харчування, сон та вправи

Не дивно, що харчування здатне впливати на стан ДНК. Раціон, насичений переробленими вуглеводами, призводить до «атак» ДНК високими рівнямиглюкози у крові. З іншого боку, звернути пошкодження ДНК можуть:

сульфорафан (міститься в броколі);
куркумін (у складі куркуми);
епігалокатехін-3-галлат (є в зеленому чаї);
ресвератрол (міститься у винограді та вині).

Що стосується сну, всього тиждень недосипання негативно позначається на активності понад 700 генів. На експресії генів (117) позитивно позначаються заняття спортом.

Стрес, відносини і навіть думки

Епігенетики стверджують, що не лише такі «матеріальні» фактори, як дієта, сон та спорт, впливають на гени. Як виявляється, стрес, стосунки з людьми та Ваші думки теж є вагомими факторами, що впливають на експресію генів. Так:

медитація пригнічує експресію прозапальних генів, допомагаючи боротися із запаленнями, тобто. захиститися від хвороби Альцгеймера, раку, хвороб серця та діабету; при цьому ефект такої практики видно вже за 8 годин занять;
400 наукових дослідженьпоказали, що вияв подяки, доброта, оптимізм та різні техніки, які залучають розум і тіло, позитивно впливають на експресію генів;
відсутність активності, погане харчування, постійні негативні емоції, токсини та шкідливі звички, а також травми та стреси запускають негативні епігенетичні зміни.

Тривалість результатів епігенетичних змін та майбутнє епігенетики

Одним із найбільш приголомшливих та суперечливих відкриттів є те, що епігенетичні зміни передаються наступним поколінням без зміни послідовності генів. Доктор Мітчелл Гейнор, автор книги «План генної терапії: Візьміть генетичну долю під контроль за допомогою харчування та способу життя», вважає, що експресія генів також передається у спадок.

Епігенетика, вважає доктор Ренді Джіртл, доводить, що ми також відповідаємо за цілісність нашого геному. Раніше ми вважали, що від генів все залежить. Епігенетика дозволяє зрозуміти, що наша поведінка та звички можуть вплинути на експресію генів у майбутніх поколінь.

Епігенетика – складна наука, яка має величезний потенціал. Фахівцям доведеться зробити ще багато роботи, щоб визначити, які саме фактори навколишнього середовища впливають на наші гени, як ми можемо (і чи можемо) звернути захворювання назад або максимально ефективно їх запобігти.

Розділи