Импринтинг генов и материнский эффект

 

Длинные нкРНК играют важную роль в геномном импринтинге. Иногда у потомства активно работает только отцовская или только материнская аллель какого-то гена, это явление и получило название геномного импринтинга (запечатления). В случае активности отцовской копии гена, материнская аллель инактивируется с помощью метилирования ДНК, это происходит сразу после слияния яйцеклетки и сперматозоида. И во всех клетках развивающегося организма будет сохраняться профиль метилирования именно материнской копии гена. У человека описано около 80 импринтинговых генов, в основном это гены, отвечающие за развитие плаценты и ранние этапы формирования эмбриона. Такие гены часто расположены недалеко друг от друга и образуют области импринтинга. А узнают эти области импринтинга и направляют туда ДНК-метилтрасферазу длинные нкРНК. Интересно, что недавно у мышей обнаружили несколько сотен длинных нкРНК, которые работают в мозге по отцовскому типу. То есть особенности функционирования нейронов (и, скорее всего, особенности поведения) у млекопитающих, получается, в большой степени зависят от отцов. Импринтингу подвергаются как отцовские, так и материнские гены.

При наследовании многих особенностей обучения, врожденного поведения и нейрофизиологических признаков часто наблюдается материнский эффект, т.е., фенотип потомства зависит не от собственного генотипа, а от генотипа матери. Причиной материнского эффекта ядерных генов является то, что на ранних стадиях эмбриогенеза продолжается экспрессия материнского генома из-за наличия в яйцеклетке и затем в зиготе материнских мРНК и белков. Эмбриональный геном транскрипционно неактивен в течение первых 2-3 делений зиготы (у млекопитающих, 13-и делений у дрозофилы) и только после этого начинается постепенная активация генов развивающегося эмбриона. Эмбриональное развитие дрозофилы (от оплодотворения яйца до вылупления личинки) составляет примерно 24 часа, и примерно половину этого времени материнские мРНК работают наравне с собственными генами эмбриона. У дрозофилы около 30% генов проявляют материнский эффект.

 

Короткие некодирующие РНК

 

В 2006 году Эндрю Фар и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие явления РНК-интерференции. РНК-интерференция — механизм регуляции синтеза на постранскрипционном уровне, в котором участвуют короткие нкРНК. Изначально РНК-интерференция возникла для борьбы с вирусами, у которых генетический материал представлен в виде РНК, а не ДНК. А затем и в геноме появились участки, кодирующие функциональные короткие нкРНК (микроРНК длиной 18-30 оснований). У человека уже обнаружено около 2000 различных микроРНК. Мишенью для микроРНК является молекула мРНК. микроРНК комплементарно связывается с концевым хвостом мРНК, тем самым инактивируя ее, предотвращая трансляцию в белок и привлекая ферменты для деградации РНК. Во многих случаях мРНК транскрипционных факторов выступает непосредственной мишенью некоторых микроРНК. С матрицы одного гена может быть синтезировано несколько белковых молекул за счет альтернативного сплайсинга. Единичная микроРНК действует на все эти сплайсированные варианты. Кроме того, эта микроРНК может влиять на синтез неродственных белков. Некоторые микроРНК участвуют в регуляции на уровне транскрипции, как и длинные нкРНК распознают промоторные участки генов.

С регуляцией экспрессии генов с помощью микроРНК связано такое важнейшее свойство нервной системы, как синаптическая пластичность. Первичная функция нейронов — получать, обрабатывать и передавать информацию другим нейронам мозга. В ответ на внешние воздействия нейроны могут менять и адаптировать синапсы — контакты с другими нейронами. Это явление называется синаптической пластичностью. В механизмах долговременной синаптической пластичности большую роль играет локализованный синтез белка в постсинаптических окончаниях. В коротких отростках нейронов — дендритах — регуляция экспрессии генов в основном осуществляется микроРНК на стадии трансляции мРНК в белок. Нарушения регуляции локальной трансляции в нейронах приводят к чрезмерному синтезу (и накоплению) белков и приводят к серьезным нейрологическим проблемам (коррелируют с затруднением обучения и предрасположенностью к эпилептическим припадкам).

Все нкРНК закодированы в геноме, их активность регулируется теми же эпигенетическими механизмами, что и активность генов, кодирующих белки. ДНК для нкРНК может быть метилирована, в результате не будет идти транскрипция этой нкРНК и она не сможет выполнять свои функции. Район с нкРНК может находиться в области гетерохроматина, где нет транскрипции. Наконец, активность нкРНК может регулироваться другими нкРНК или белковыми агентами. Уровень синтеза многих нкРНК изменяется в различных стрессовых условиях (УФ- и гамма-излучение, вирусные инфекции, при воздействии этанола и антибиотиков), при онкологических и неврологических заболеваниях. Огромную роль нкРНК играют в дифференцировке клеток.

 

Эпигенетический код

 

Совокупность профилей метилирования ДНК, гистонового кода и профиля активности нкРНК составляет эпигенетический код или эпигеном клетки. Разные типы клеток одного организма содержат одинаковый геном, но всегда отличаются эпигеномами, эпигенетический код нейронов не совпадает с кодом для клеток кожи или клеток печени. Более того, эпигеномы клеток одной ткани, например, двух соседних нейронов, могут не совпадать. Это связано с тем, что эпигеном реагирует на потребности организма и изменяется в ответ на изменения в окружающей среде, в отличие от консервативного генома, который может измениться только после очень сильных воздействий (например, возникнут мутации после большой дозы гамма-излучения). Система эпигенома устроена по принципам положительной-отрицательной обратной связи и хорошо продублирована. Адекватный эпигенетический контроль в клетке формируется на основе баланса множества факторов. Пока все попытки искусственно редактировать эпигеномы (для разработки терапевтических средств или в экспериментальных целях) провалились. Как и в гормональной системе даже небольшое вмешательство может приводить к долгоиграющим и непредсказуемым последствиям.

Динамичность эпигенетического кода хорошо иллюстрируют генетически идентичные однояйцевые близнецы. При рождении у них практически совпадает (но уже не идентично) распределение метильных маркеров на ДНК. По мере взросления близнецов различия в метилировании ДНК накапливаются. Если близнецы живут в разных семьях, различия их профилей метилирования ДНК становятся очень существенными.

В эпигеномах «записываются» важнейшие события, которые происходят в жизни человека или животного. Известно, что материнская забота или ее отсутствие на ранних этапах развития может оказывать долгосрочное влияние на поведение и уровни гормонов у мышей (или психическое здоровье у человека). Ключевая роль в таком долговременном воздействии принадлежит метилированию ДНК.

На мышах был проведен такой эксперимент. Мышат в течение первых десяти дней жизни ежедневно отлучали от матерей. А затем сравнили профили метилирования ДНК и изменения, вызванные стрессом на ранних этапах жизни. Особенное внимание при этом уделяли гену вазопрессина (Avp), который влияет на настроение и познавательное поведение и стимулирует активацию цепочек молекулярных реакций на стресс. С шестинедельного возраста до достижения среднего возраста (одного года) у мышей, испытавших стресс в начале жизни и имеющих отклонения в поведении и гормональном фоне, сохранялись довольно низкие уровни метилирования ДНК в регуляторном регионе гена Avp в головном мозге (и, соответственно, более активная экспрессия гена). В клетках таких животных обнаружены высокие уровни мРНК вазопрессина, что подтверждает увеличение синтеза этого гормона в результате сниженного метилирования ДНК.

Таким образом, эпигеном как бы запоминает стресс, перенесенный организмом в начале жизни. Эти «воспоминания» записываются в виде сохраняющихся на всю жизнь изменений метилирования определенных генов в определенных клетках головного мозга.

У человека такой эксперимент не провести по этическим соображениям, однако у нас всегда есть в арсенале метод простого наблюдения. Медики из Великобритании, Канады и США попросили родителей 94 младенцев в возрасте 6 недель вести дневник, в котором указывалось время сна, кормления и продолжительность физических контактов между родителями и детьми во время игр и ухода за ребенком. На основании таких дневников детей разделили на две группы — дети, проводившие много времени в контакте с родителями и те, у кого такого общения было мало. В четыре с половиной года был проанализирован профиль метилирования ДНК (в пробах слюны). Оказалось, что у детей из второй группы (мало общения) метилирование было менее интенсивно на участках ДНК, которые регулируют метаболизм и работу иммунной системы.

Таким образом, получается, что наличие заботливых родителей на ранних этапах развития (или отсутствие стрессовых ситуаций) обеспечивает раннюю стабилизацию переключателей регуляции активности генов с помощью метилирования ДНК, которая, в свою очередь, может оказать долгосрочное влияние на поведение и психическое развитие. Нервная система «созревает» у разных малышей с разной скоростью — одни дети в два года говорят целыми предложениями, другие обходятся несколькими словами. За эти различия вероятнее всего отвечают различия в работе эпигенетических переключателей активности генов. А различия в работе переключателей возникают из-за разных условий окружающей среды.

Такие изменения происходят на самых ранних этапах развития, когда в силу пластичности нервной системы и мозга схемы регуляции экспрессии генов и клеточная активность могут быть модифицированы относительно легко и просто. По мере взросления эти схемы изменить становится сложнее. Для того чтобы какое-то событие привело к перестройке эпигенетического кода необходимо неоднократное повторение этого события. Для изменения эпигенома может потребоваться несколько недель. Однократная дань Бахусу на корпоративной вечеринке не повлияет на эпигеном клеток Вашей печени. А вот длительное ежедневное употребление горячительных напитков в конечном итоге приведет к перестройке эпигенетического кода на промоторе гена алкогольдегидрогеназы.

Важно понимать, что, подобно мутации, процесс метилирования ДНК сам по себе не является ни плохим, ни хорошим — все зависит от того, какие гены выключаются, а какие — нет, и по какой именно причине это происходит.

Еще одна особенность состоит в том, что метилирование ДНК — это в какой-то степени вероятностный процесс. Метилирование ДНК может происходить только в строго определенных местах генома, но будет ли происходить и с какой интенсивностью не всегда можно предсказать. У млекопитающих около 60% генов имеют сайты для метилирования ДНК, экспрессия остальных генов не может регулироваться с помощью этой системы.

Когда упоминается метилирование ДНК, всегда приводится пример желтых мышей агути[6]. У мышей агути-окрас состоит из трех зон окраски — желтая середина и черные кончик и основание волоса. За чередующийся окрас волоса отвечает ген, названный агути (А). Это ген кодирует сигнальный пептид, который заставляет меланоциты синтезировать желтый пигмент вместо черного. У мышей с генотипом аа (рецессивная аллель) пептид не синтезируется и шерстинки равномерно черные. У мышей с генотипом A^vy/A^vy (agouti viable yellow) ген постоянно активирован и волос равномерно желтый, т.к. пептид синтезируется везде.

Исследователи вывели популяцию генетически идентичных мышей с генотипом A^vy/а (более двадцати поколений скрещиваний братьев с сестрами из одного помета вымывает практически все генетические различия). Так как A^vy доминантен по отношению к а, ожидалось, что все мыши будут одинаково желтыми. Однако это оказалось не так. У генетически идентичных мышей окрас варьировал от совершенно желтого, желтого с черными вкраплениями, черного с желтыми вкраплениями до совершенно черного. Причем все это разнообразие наблюдается в одном помете, у братьев и сестер от одной матери, и разные условия среды на них точно не влияли. Когда посмотрели уровень метилирования ДНК в промоторе гена агути, оказалось, что у совершенно желтых мышей метилирования ДНК аллели A^vy не было, а у мышей с черным окрасом промоторы гена были сильно метилированы, в результате чего доминантная аллель оказалась выключена. Так как ни разные аллели, ни внешние факторы по условиям этого эксперимента не могли повлиять на уровень метилирования ДНК, остается предположить, что различия в интенсивности метилирования были вызваны случайными причинами.

Важный вопрос — могут ли передаваться эпигеномы от родителей к потомству? При слиянии яйцеклетки и сперматозоида происходит «стирание» всех метильных маркеров и последующая расстановка новых профилей метилирования. Однако есть исследования, которые показывают, что иногда у потомства сохраняется вариант метилирования генов, который был приобретен родителем. Например, у мышей вырабатывали реакцию страха на определенный запах в сочетании с ударом электрическим током. У таких мышей было обнаружено изменение профиля метилирования регуляторного участка гена обонятельного рецептора для этого запаха, в результате активность гена и чувствительность к запаху повышалась. У детей и внуков «ученых» мышей также оказался изменен уровень метилирования именно для этого гена. Следовательно, они унаследовали эпигенетическую способность чутко реагировать на запах, который был опасен для их отца или деда. Механизм такого наследования приобретенного метилирования неясен, а правнуки и праправнуки постепенно утрачивают эти метильные маркеры.

 

Несколько слов о кошках

 

Проявление любого признака — окраска шерсти, рост, особенности реакции на стресс или способность к запоминанию длинных столбцов цифр — зависит от скоординированной совместной работы генетических и эпигенетических систем регуляции экспрессии генов. Иногда можно встретить высказывание — «неважно, какие Вам достались гены, важно какой у Вас эпигеном». Это не так. И геном, и эпигеном нужны и важны каждый на своем месте в определенное время и в определенных условиях. При частом употреблении горячительных напитков происходит перенастройка эпигенетического кода гена алкогольдегидрогеназы, ген начинает работать более эффективно. Однако никакие перестройки эпигенома не смогут заставить работать слабый фермент более эффективно если достался вариант гена дефектной алкогольдегидрогеназы. А эпигенетически полностью отключить этот ген, скорее всего, и вовсе невозможно — наверняка промотор гена не настроен на регуляцию с помощью метилирования ДНК, этот фермент слишком важен для выведения вредного алкоголя из организма. А какая была бы перспектива для лечения алкоголизма!

А теперь, собственно, поговорим о кошках. В дикой природе окрас шерсти у кошачьих важен для маскировки, при охоте из засады. Окраска шерсти домашних питомцев вызывает эстетическое наслаждение у хозяев.

Давно известно, что трехцветными (черепаховыми) бывают только кошки-девочки, но не коты. И это связано с эпигенетическими механизмами, в частности, с инактивацией Х-хромосомы. У всех животных с XY-системой[7] определения пола одна из Х-хромосом у самок инактивируется с помощью длинной нкРНК (Xist и Tsix РНК) на стадии, когда зародыш состоит из примерно 100 клеток. В Х-хромосоме кошек есть ген orange, доминантная аллель гена блокирует синтез эумеланина, в шерсти образуется феомеланин и получается рыжий окрас. Рецессивная аллель дает черный окрас шерсти в результате нормального синтеза эумеланина. Так как в каждую клетку у кошек с генотипом О/о случайным образом попадает только одна либо рецессивная, либо доминантная аллель гена (в зависимости от того, хромосома с какой аллелью была инактивирована в этой клетке), шерстинки будут окрашены либо в черный, либо в рыжий цвет. Если бы ген находился в аутосоме, гетерозиготы были бы рыжими из-за наличия мутантной доминантной аллели. В результате окрас черепаховой кошки представляет собой лоскутное одеяло, на котором число и расположение рыжих пятен зависит от того, где распространились пигментные клетки с хромосомой «О», а черных пятен — клетки с хромосомой «о». Все это иногда бывает на белой «подложке», черный и рыжий цвет могут превратиться в голубой и палевый, но этот момент контролируется уже другими генами.

На ранней стадии развития эмбриона (котенка) происходит формирование специальных клеток меланобластов, которые будут производить пигмент и доставлять его к волосяным фолликулам и сетчатке глаза. За этот транспорт отвечает доминантная аллель С гена Color, в норме доставка пигмента к волосяным фолликулам происходит в объеме, достаточном для окрашивания всего тела. Рецессивная аллель сs отвечает за сиамскую вариацию окраса. Под действием сs транспорт пигмента происходит только в волоски, которые находятся в холодных зонах тела кошки — мордочка, уши, хвост, лапы получаются интенсивно окрашены и возникает характерный сиамский окрас. Разница в температуре частей тела в 2-3^оС оказалась существенной для работы мутантного белка. Рождаются сиамские котята без темных мордочек и хвостиков, потому что в утробе матери они развиваются при постоянно высокой температуре. Окрашивание волосков на мордочке, лапках и хвостике происходит позже, когда при понижении температуры тела в этих зонах происходит постепенная активизация проникновения пигмента в волоски. Если сиамского котенка держать в прохладном помещении, общий тон тела станет темнее, а если держать его в холодильнике, то получится полностью черный сиамский кот. Этот пример показывает, как можно искусственно скорректировать работу по крайней мере некоторых генов простым изменением условий среды. Снижение температуры окружающей среды снижает температуру поверхности тела и облегчает работу мутантного транспортного белка.

Таким образом, даже такой «простой» признак, как окраска шерсти контролируется и генами, и эпигенетическими механизмами, и факторами окружающей среды. Нервная система — основной способ взаимодействия животных с окружающим миром. Сложность строения и функционирования нервной системы определяется не только количественным и качественным составом генов, необходимых для ее формирования. Огромное значение имеют способы объединения генов в генные сети, механизмы взаимодействия между генами в генных сетях и возможности регуляции дифференциальной экспрессии каждого гена и всей генной сети в целом.