Молекулярные основы разнообразия всего живого

 

Если механизмы наследственности изучены неплохо, можно говорить даже об общей теории наследственности, то механизмы изменчивости живых организмов изучены гораздо хуже. В конце предыдущего раздела мы уже упомянули модификационную изменчивость, которая обеспечивает возникновение врождённых особенностей, но таких, которые не передаются по наследству потомкам. Возникновение новых признаков, которые закрепляются в наследственном материале связано с мутациями.

Мутация — это любое изменение последовательности ДНК — от замены одного нуклеотида в последовательности до полного удаления всей последовательности гена. Мутации передаются по наследству потомству. Обычно на бытовом уровне считается, что мутация — это плохо. На самом деле подавляющее большинство мутаций оказываются фенотипически нейтральными — ни плохо, ни хорошо, никак существенно не влияют на фенотип, но все равно способствуют разнообразию. Мутация — это просто изменение чего-то, что уже было как основа. И то, что на сегодняшний день считается мутацией (отклонением от нормы), вполне могло быть исходным вариантом (т.е. нормой) в других условиях.

Имеющийся набор генов задаёт возможный спектр изменчивости. Не существует мутаций, которые бы случайным образом приводили к появлению любого признака у любого организма. Коровы не летают потому, что у них просто нет «генов крыльев». Гены также определяют, как, когда и в какой степени окружающая среда окажет влияние на организм, а также то, как организм будет реагировать на воздействия окружающей среды.

Хотя любой поведенческий признак зависит от согласованной работы большого количества генов, определенные мутации в одном гене могут менять поведение определенным образом. Например, мыши с мутацией в гене Otop1 не способны сохранять равновесие. Otop1 — это ген протонного канала, который работает, в том числе во внутреннем ухе и обеспечивает нормальное формирование органа равновесия. Кстати, еще этот ген работает во вкусовых рецепторах и обеспечивает возможность чувствовать кислый вкус. Так что это — «ген равновесия» или «ген кислого вкуса»? У дрозофилы этот ген работает также в глазах и репродуктивной системе.

Однако очевидно, что только мутациями в генах невозможно объяснить все тонкости и разнообразие признаков, особенно если рассматривать поведенческие характеристики.

У многоклеточных организмов ни одна клетка не использует весь имеющийся набор генов. В зависимости от типа клетки, органа или ткани происходит синтез определенного набора белков. Ген инсулина есть во всех клетках, но инсулин синтезируется в поджелудочной железе, а не в мозге или сердце. Такая избирательность синтеза определенных белков в определенных клетках обеспечивается механизмами регуляции экспрессии генов. Регуляция происходит на всех этапах от ДНК до признака (будь то окраска глаз или уровень агрессивности при межсамцовых взаимодействиях). Регуляция экспрессии генов происходит в ответ на воздействие внешних факторов.

И здесь мы встречаемся с тем, что генетическая программа вовсе не означает, что все жестко генетически детерминировано (как на бытовом уровне наивно и полагает большинство). Гены редко бывают только в двух состояниях: включено или выключено. В разных условиях можно наблюдать весь спектр активности экспрессии гена, «всего» пятьдесят оттенков — это не про гены. На уровень активности генов влияют как внутренние, так и внешние (по отношению к клетке или целому организму) стимулы. На молекулярном уровне регуляция активности генов осуществляется разнообразными способами. Это транскрипционные факторы (белки), разнообразные некодирующие РНК, механизмы химической модификации молекул ДНК (которые вообще-то тоже зависят от генов). Все эти агенты сами могут нести мутации.

В 2005 году был проведен первый полногеномный поиск ассоциаций (Genome-Wide Association Studies, GWAS). Обычно в рамках GWAS проводится поиск связи между однонуклеотидными полиморфизмами (ОНП, или снипами) и каким-либо заболеванием или признаком. Снипы — это точечные мутации замены одного нуклеотида. Обычные мутации — достаточно редкое явление, тогда как идентичные снипы встречаются у очень больших групп людей. С тех пор проведено более 700 GWAS-анализов для поиска ассоциаций с 300 различными заболеваниями. Результаты таких исследований часто дают на выходе сообщения в Интернете с названием «Одиночество заложено в генах» и «Гены определяют, в каком возрасте человек потеряет девственность».

GWAS-анализы показали, что найденные снипы находятся совсем не в тех участках генома, которые отвечают за данный признак (большая часть вообще расположена в некодирующей части генома), и никак не связаны с другими полиморфизмами, которые могли бы на этот признак повлиять. Некоторые авторы таких исследований предлагают перейти от концепции «мультигенных» признаков к «всегенной» концепции, т.е. «все влияет на все».

 

Как устроены гены

 

Большинство генов многоклеточных организмов содержат экзоны и интроны. Нуклеотидная последовательность экзонов служит прописью для синтеза белков. У человека экзоны составляют только около 2% генома (интроны — 20-25%), у дрозофилы экзоны занимают 20% ДНК. Вся остальная ДНК — это интроны, а также межгенные последовательности нуклеотидов, которые не кодируют последовательность аминокислот в молекулах белка. Функция некодирующих участков ДНК заключается, по-видимому, в регуляции работы генов.

Обратите внимание на рост в эволюции пропорции некодирующих участков в молекулах ДНК. У бактерии Escherichia coli в единственной хромосоме 4288 генов, у насекомого дрозофилы в 16-и хромосомах 18000 генов, у человека в 46 хромосомах 25000 генов. В огромном эволюционном промежутке от бактерии до человека количество генов увеличивается всего лишь на один порядок, а количество некодирующих участков ДНК увеличивается в миллион раз, на шесть порядков! Сложность человека сравнительно с бактерией, как и у любой системы, определяется не столько количеством составляющих элементов, сколько системами регуляции работы и взаимодействия этих элементов.   

Последовательность нуклеотидов ДНК (экзоны + интроны) полностью переводится в последовательность РНК, этот процесс называется транскрипция. Из этой РНК в результате сплайсинга удаляются участки, соответствующие интронам. Зрелая матричная РНК (мРНК), на основе которой синтезируются белки (этот процесс называется трансляция), содержит только информацию экзонов. В результате сплайсинга могут соединяться соседние последовательности экзонов, но может происходить альтернативный сплайсинг — выпадение части экзонов. У человека 94% генов подвергаются альтернативному сплайсингу, у дрозофилы — не менее 50%. У человека в среднем ген содержит 9 экзонов.

Для демонстрации возможностей альтернативного сплайсинга часто приводят в пример ген дрозофилы Dscam1. Этот ген кодирует рецепторный белок клеточной поверхности, который участвует в развитии нервной системы (рост аксонов нервных клеток и установление контактов между нейронами) и иммунитете. Ген содержит 115 экзонов, 20 «постоянных» и 95 «вариабельных». Вариабельные экзоны организованы в 4 кластера (содержат кассеты из 2, 12, 33 и 48 экзонов), в мРНК попадает только один экзон из каждого кластера (т.е. мРНК содержит 24 экзонных последовательности). Теоретически возможно синтезировать 38016 уникальных вариантов мРНК для этого гена. Таким образом, на основе только одного гена можно синтезировать в 3 раза больше белков, чем содержится генов в геноме дрозофилы. Но в реальности у дрозофилы обнаружено «всего» 75 вариантов этого белка[3].

Альтернативный сплайсинг позволяет получать разные белки с одного гена без изменения генома. Разные изоформы белка могут выполнять одну и ту же или разные функции. Четыре изоформы миелина являются компонентами миелиновой оболочки нейронов. Во всех клетках есть кальцитониновый ген, но в клетках щитовидной железы он экспрессируется в виде гормона кальцитонина, а в клетках гипофиза — нейропептида CGRP.

А сколько всего белков в организме человека? Подсчитать сколько белков насчитывается в организме человека на самом деле совсем нетривиальная задача. В разных типах клеток синтезируется разный состав белков. Кроме того, состав белков (как общее количество, так и разнообразие) сильно зависит от внешних по отношению к клетке факторов — время суток, физиологическое состояние, физическая активность и даже эмоциональное состояние человека. Точное число клеток в организме человека тоже пока неизвестно. Полагают, что у мужчины массой 100 кг имеется примерно 37 триллионов клеток. 84% этого количества — эритроциты (4% от общей массы). Жировые клетки — 0,2% по количеству (19% от общей массы). Всего в теле взрослого человека насчитывается около 230 различных типов клеток. Интересно, что в организме человека содержится огромное количество бактерий — около 38 триллионов.

Однако с одноклеточными организмами ученые сумели справиться. Дрожжи — это одноклеточные грибы, геном пекарских дрожжей составляет примерно 6300 генов. Протеом, т.е. совокупность белков организма, у дрожжей насчитывает 5858 белков. Две трети белков присутствует в клетке в количестве от 1000 до 10000 молекул. Некоторые белки насчитывают не более 10 молекул, некоторые — до полумиллиона. Общее количество белковых молекул в дрожжевой клетке оценивается в 42 миллиона.

В 2010 году как продолжение проекта «Геном человека» стартовал проект «Протеом человека». Это проект по созданию карты всех белков, кодируемых геномом человека. В настоящее время общее количество уникальных белков у человека оценивается в два миллиона.

 

Как работают гены

 

На практике генетики имеют дело с каким-то одним геном (в крайнем случае, с несколькими). А фенотип рассматривается на разных уровнях, если мы говорим о поведении, то фенотипом, конечно, будет служить поведение отдельной особи.

Фенотипическое проявление любого гена, например, гена транспортера серотонина (5’HTTLPR) можно проследить на уровне целого организма и его поведения или на уровне отдельных нервных клеток. Транспортер серотонина осуществляет обратный захват серотонина (перенос нейромедиатора, не связавшегося с рецепторами в синаптической щели, обратно в испустивший этот серотонин нейрон, чтобы зря не пропадал). Таким образом, этот белок участвует в регуляции передачи нервного импульса. Ген экспрессируется преимущественно в мозге и тонком кишечнике (там у него другие функции).

Выделено два типа регуляторного участка этого гена — «короткий» и «длинный». «Короткий» работает менее активно, белка синтезируется меньше, следовательно, будет наблюдаться хроническая нехватка серотонина в нейронах (если другие гены не компенсируют такую нехватку усилением биосинтеза самого серотонина) и увеличение содержания серотонина в синаптической щели. У гомозигот по «короткому» варианту увеличена вероятность развития эмоциональных нарушений (депрессий) в неблагоприятной среде. С другой стороны, «короткий» вариант гена оказался связан с повышенной смешливостью. Значит один и тот же ген может влиять и на положительные и на отрицательные эмоции! Так что этот пример великолепно демонстрирует взаимодействие генотипа и окружающей среды при контроле эмоций и поведения. Носители «короткого» гена оказываются более эмоциональны и в хорошем, и в плохом окружении. Если носители короткого гена в детстве сталкивались с жестоким обращением, в зрелом возрасте у них чаще возникает депрессия. Этот вариант усиливает эмоциональный ответ на обстоятельства. Если все плохо, человек впадает в депрессию, если все хорошо, «короткий» ген помогает радоваться. Носители «длинной» версии гена оказываются менее эмоциональными, их переживания без такого генетического «усилителя» будут умеренными.

Однако точно предсказать характер человека по результатам генотипирования нельзя. «Короткий» ген отвечает всего за 4% депрессий и негативных эмоций. Впрочем, влияние серотонина и его транспортера достаточно широко. Это нарушения сна, состояние поиска острых ощущений, влияние на сердечно-сосудистую деятельность, участие в развитии аутизма и шизофрении. Так что, во всяком случае на современном уровне знаний, судить о влиянии этих генов на поведение можно только в самых общих чертах.

Еще один белок-транспортер White обеспечивает окраску глаз у дрозофилы. Мутация в гене этого белка была первой мутацией, обнаруженной у дрозофилы Томасом Морганом в 1910 году. Это всем известные белоглазые мухи, а ген называется white. В норме у дрозофилы окраска глаз является кирпично-красной и определяется соотношением количества красных и коричневых пигментов.

Глазные пигменты у дрозофилы накапливаются в специфических образованиях внутри клетки глаза — пигментных гранулах. Продукт гена white — это белок на поверхности пигментных гранул. Этот белок осуществляет перенос предшественников пигментов из цитоплазмы в пигментные гранулы. В случае мутации гена white такого транспорта не происходит (отсутствие пигментов — белые глаза, так проявляется подавляющее большинство аллелей) или белок-транспортер работает плохо и в пигментных гранулах оказывается недостаточное количество пигментов, что проявляется в целой палитре окраски глаз. На сегодняшний день описано более тысячи аллелей гена white (что дает представление о генетическом полиморфизме — возможном количестве «рабочих» вариантов гена). Белок-транспортер White действует не в одиночку. Для переноса в пигментные гранулы коричневых пигментов он должен образовать комплекс с белком-транспортером, который кодируется геном scarlet (51 аллель). Для переноса красного пигмента — с продуктом гена brown (159 аллелей). Если по причине мутаций в этих генах комплексы образованы не будут, в результате окраска глаз получится ярко-красной или коричневой соответственно. Таким образом, если у мухи две мутантные аллели гена white, транспорт в пигментные гранулы происходить не будет, и мухи будут белоглазые. А если с геном white все в порядке, но есть мутации одновременно в генах scarlet и brown? Глаза тоже окажутся белыми — белок-транспортер White без своих коллег не сможет ничего сделать, и пигментные гранулы останутся без пигментов[4].

Вообще формирование окраски глаз у дрозофилы оказалось сложным многоступенчатым процессом. За окраску глаз отвечает не менее десятка генов. Кстати, для формирования собственно глаза необходима слаженная работа более 2000 генов.

Практически у каждого гена помимо «основного» (описанного ранее остальных или наиболее заметного) фенотипического эффекта при ближайшем рассмотрении обнаруживается влияние на разнообразные признаки. Изучение гена white показало, что он влияет не только на окраску глаз, но и на окраску тела, на поведение ухаживания самцов, геотаксис, память, половые органы мух, чувствительность к химическим агентам, чувствительность к тепловому и холодовому шоку, двигательную активность. Такое многообразие воздействий на разные признаки называют плейотропным эффектом гена.

Некоторые мутации в гене scarlet помимо влияния на окраску глаз могут приводить к стерильности и повышению чувствительности к тепловому шоку. Плейотропные эффекты гена brown затрагивают помимо окраски глаз фертильность мух, чувствительность к химическим агентам, могут приводить к нарушениям слуха.

Раз уж зашла речь о глазах, невозможно удержаться от описания экспериментов Вальтера Геринга. У дрозофилы есть такой ген eyeless, который кодирует транскрипционный фактор, т.е. является одним из генов, контролирующих развитие глаз. Группа Геринга добилась того, что этот ген можно было заставить работать едва ли не в любой части развивающегося организма мухи: в зачатках усиков, ног, крыльев. У мух, у которых ген eyeless был включен в зачатках усиков, на месте усиков развивались глаза. У тех, у кого он был включен на ногах, глаза развивались там. В какой бы части тела ни работал этот ген, везде он вызывал развитие дополнительных глаз. Некоторые из этих лишних глаз оказались даже способны слабо реагировать на свет! Геринг установил, что этот ген действительно служит пусковым механизмом и запускает процесс формирования глаз даже там, где в норме глаза не должны развиваться.

Исследования — занятие азартное, и на этом они не остановился. В новой серии экспериментов гомологичный ген мыши Рахб, который соответствует гену eyeless дрозофилы, внедряли в клетки мухи и включали его там. Оказалось, что мышиный ген тоже вызывает формирование дополнительных глаз в организме мухи, причем напоминающих глаза мухи, а вовсе не мыши. В лаборатории Геринга установили, что мышиный ген можно заставить запустить механизм образования дополнительных мушиных глаз в любой части тела мухи — на спине, на крыльях, около рта. Оказалось, что гены, служащие у мышей и у мух пусковым механизмом для образования глаз, не только очень похожи друг на друга, но и взаимозаменяемы.

Теперь уже установлено, что ген типа eyeless (или Рахб) управляет развитием глаз у всех живых существ, наделенных глазами. Глаза у них могут быть устроены по-разному, например, с хрусталиком или без него, быть простыми или сложными, но генетический переключатель, запускающий их развитие, у всех, по сути, один и тот же.

Регуляция работы генов

 

То, как работает некая сложная система — это только часть проблемы. Куда важнее вопрос «как она регулируется?».

Вы когда-нибудь слышали о том, что любое событие нашей жизни влияет на наши гены? Вы встали с дивана, съели булочку, пробежали марафон, вышли в соцсети или так и остались лежать на диване, любое это событие повлияло на Ваши гены. Интересно, что Вы успели вообразить?

Жизнь клеток (и многоклеточных организмов) на планете Земля построена на взаимодействии молекул. И основная часть этих молекул — белки. А информация о строении белков закодирована в генах. Вы пообедали, теперь Вашему пищеварительному тракту необходимо переработать эту еду. Сначала выделяется большое количество слюны, которая содержит фермент амилазу (необходима активация гена амилазы в клетках ротовой полости). Желудочный сок содержит пепсин (необходима активация гена пепсина в клетках желудка). Далее в игру вступают поджелудочная железа и тонкий кишечник с целой обоймой пищеварительных ферментов (активируются соответствующие гены в клетках поджелудочной железы и тонкого кишечника). Кроме того, у нас в пищеварительном тракте проживают триллионы бактерий, которые тоже переваривают съеденную нами пищу, и у них тоже активируются соответствующие гены. Так что наш обед повлиял на работу не только наших генов! Кроме того, в мозг поступают сигналы о количестве и качестве того, что Вы съели. И вырабатываются гормоны удовольствия (или неудовольствия, если еды было мало), а значит, необходима активация соответствующих генов.

На бытовом уровне фраза «влияет на наши гены» обычно воспринимается как что-то плохое, возможно, связанное с мутациями и последующими болезнями, которые унаследуют наши дети. Но на самом деле все это не совсем так. Фраза «влияет на наши гены» означает влияние не на сами гены (последовательность нуклеотидов), а на интенсивность их работы. Что же касается мутаций, то в клетках есть механизмы защиты (система репарации ДНК), мутации могут оказаться полезными и, наконец, существует механизм апоптоза — запрограммированной гибели клеток. Передать детям мы можем только мутации, которые возникают в генах половых клеток, а добраться туда плохим жирам из гамбургера или нашему многочасовому сидению в Интернете практически невозможно.

В любой клетке человека содержится примерно по 20000 одинаковых генов. Но в каждой конкретной клетке экспрессируется только какой-то определенный набор генов, остальные либо выключены, либо находятся в режиме ожидания, т.е. их работа начнется только при поступлении определенных сигналов извне. И клетки крови отличаются от клеток мозга или почек именно потому, что в каждой ткани работают разные наборы генов.

Вообще-то неизвестно максимальное количество генов, которое может одновременно работать в клетке человека. И для дрожжей, кстати, тоже не считали. Но вот с минимальным набором генов у дрожжей ситуация немного яснее. Когда создали синтетический геном дрожжей, оказалось, что дрожжевая клетка способна жить, хотя и не очень хорошо, всего с 1000 генов (в нормальном геноме их почти 6000). Примечательно, что функция примерно третьей части этого минимального дрожжевого генома до сих пор неизвестна. Кстати, идея минимального генома была придумана еще в 1996 году нашими соотечественниками Евгением Куниным и Аркадием Мушегяном (можем гордиться, хотя работали они на тот момент в США).

Какие гены будут работать в той или иной клетке или ткани в данный момент времени определяет система регуляции экспрессии генов. Экспрессия генов — это процесс перевода информации от гена (последовательность ДНК) в белок. Этот процесс состоит из нескольких этапов — транскрипция (перевод информации с ДНК в мРНК), сплайсинг и модификация мРНК, трансляция (собственно синтез белка на рибосомах), модификация белка, образование функциональных комплексов с другими белками и транспорт готового продукта к месту его работы. Регуляция происходит на всех этапах, но основной уровень регуляции экспрессии генов у эукариот — это регуляция на стадии транскрипции (синтеза мРНК на основе матрицы ДНК).

 

Транскрипционные факторы

 

Каждый ген помимо прописи будущего белка (экзоны) содержит один или несколько интронов, некодирующие последовательности ДНК в начале и конце гена и ключевой элемент для начала транскрипции — промотор в начале гена. Промотор — это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую узнает РНК-полимераза (фермент, который и синтезирует мРНК). Промоторы бывают конститутивными (синтез идет всегда независимо от условий) и индуцибельными, которые реагируют на изменение условий среды, например, тепловой шок или обучение. РНК-полимеразе для успешного связывания с промотором и начала транскрипции необходимы специальные белки — транскрипционные факторы. Зачастую на старте транскрипции образуется целый комплекс из десятка транскрипционных факторов, их сочетание и количество определяет не только запуск синтеза РНК, но и интенсивность этого синтеза. Для каждого гена существуют активаторы и репрессоры транскрипции, баланс между их активностью определяет уровень экспрессии гена в данных условиях. Около 10% генов у человека — это гены транскрипционных факторов.

В регуляции синтеза одной белковой молекулы может участвовать до сотни разнообразных белков — ферменты, транскрипционные факторы, гормоны, нейромедиаторы. Любое изменение условий окружающей среды улавливается рецепторными системами клетки. Сигналы от рецепторов приводят к активации генов транскрипционных факторов, которые в свою очередь активируют или подавляют экспрессию генов, продукты которых принимают непосредственное участие в адаптации к изменившимся условиям (температура, влажность, уровень кислорода, наличие питательных веществ).

В 2019 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Уильям Келин, Грегг Семенца и сэр Питер Рэтклиф за исследования того, как клетки реагируют на избыток кислорода и его отсутствие (гипоксию). В частности, оказалось, что от концентрации кислорода зависит уровень экспрессии около 300 генов. За изменения экспрессии генов в ответ на гипоксию отвечают транскрипционные факторы и это происходит в каждой клетке организма.

В 2017 году Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг описали молекулярные механизмы, контролирующие циркадные ритмы. Циркадные ритмы — это циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, эти колебания связаны со сменой дня и ночи и являются результатом работы биологических часов. Биологические часы — это не красивая метафора, а вполне реальная цепочка работы генов и белков, которая совершает суточные колебания. Принцип работы биологических часов был сначала описан у дрозофилы, но он оказался одинаковым у всех живых организмов — у растений, бактерий и животных. Биологические часы регулируются светом и являются важнейшей адаптацией биологических существ к жизни на планете Земля. Ключевыми шестеренками в биологических часах являются активаторы и репрессоры транскрипции. Одни вырабатываются и накапливаются только днем, другие — только ночью. Соответственно, одни гены активны только днем, а другие только ночью. Суточная регуляция активности обнаружена у 20% генов млекопитающих.

Транскрипционные факторы работают здесь и сейчас. Поступает сигнал, к примеру, о большом количестве этанола в крови, соответствующие транскрипционные факторы в клетках печени и желудка устремляются к промотору гена алкогольдегидрогеназы, происходит активация транскрипции этого гена, синтезируется большое количество молекул фермента, фермент расщепляет этанол. Это происходит до тех пор, пока весь этанол не будет инактивирован. Когда необходимость в алкогольдегидрогеназе отпадает, транскрипционные факторы отсоединяются от промотора гена и активная транскрипция прекращается. Ген алкогольдегидрогеназы есть в каждой клетке нашего организма, но активно работает только в клетках печени и внутренней поверхности желудка. Этот ген может быть активирован в клетках почек, иногда работает в клетках сердца и мышцах, но никогда не активируется, например, в нейронах или лейкоцитах, да и в большинстве клеток организма человека этот ген находится в стабильно выключенном состоянии.

Для долгосрочного (часто пожизненного) изменения активности генов ключевую роль играют эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов. Эпигенетическая (над генетическая) регуляция означает изменение в экспрессии гена без изменения структуры самого гена (без появления мутации). Необходимо понимать, что сама возможность эпигенетической регуляции активности генов закодирована в ДНК. Т.е. в геноме есть гены эпигенетических ферментов, мутации в этих генах могут приводить к некорректной работе эпигенетического аппарата клетки и часто приводят к тяжелым заболеваниям.

 

Метилирование ДНК

 

Наиболее изученными эпигенетическими механизмами регуляции экспрессии генов являются модификации гистонов и метилирование ДНК[5]. У человека есть три типа ферментов для метилирования ДНК (ДНК-метилтрасферазы), метилирование ДНК очень широко используется для регуляции активности генов. У дрозофилы был обнаружен только один тип ДНК-метилтрасферазы, который работает всего пару часов в начале развития эмбриона и метилирует очень небольшой процент генома (области, богатые мобильными генетическими элементами). Таким образом, система регуляции активности генов с помощью метилирования ДНК у дрозофилы не работает — для нее просто нет генетического базиса.

Метилирование ДНК было первой обнаруженной эпигенетической модификацией. При метилировании ДНК происходит присоединение маленькой химической группы (один атом углерода и три водорода) к цитозину (одному из оснований ДНК). Схема метилирования ДНК устанавливается в разных типах клеток на ранних этапах развития организма и не сильно изменяется в течение всей жизни. Именно метилирование ДНК отвечает за то, что нейроны никогда не вырабатывают пищеварительные ферменты или гемоглобин, а из предшественников клеток печени развиваются именно клетки печени, а не клетки кожи или крови. Сайты метилирования ДНК концентрируются в областях промоторов генов, результатом метилирования ДНК является подавление экспрессии данного гена.

Для подавления экспрессии генов после присоединения метильной группы к цитозину запускается цепочка молекулярных событий. Метилцитозин узнается специальным белком (МеСР2), который присоединяется к ДНК и привлекает другие дополнительные белки. В результате на промоторе гена образуется белковый «нарост», который мешает присоединению транскрипционных факторов и РНК-полимеразы. Кроме того, в местах обильного метилирования ДНК происходит уплотнение хромосом и образуется особое состояние хромосомы — гетерохроматин. В гетерохроматине не происходит транскрипция генов, т.к. плотная упаковка препятствует присоединению ферментов и транскрипционных факторов.

Деметилирование ДНК обнаружено только в зиготе, когда метильные маркеры материнского и отцовского геномов полностью стираются, и происходит их расстановка по новой схеме. В соматических клетках метильные маркеры остаются на своих местах до конца жизни клетки. Однако есть механизм, с помощью которого можно «обойти» метилирование ДНК, если вдруг понадобится активация эпигенетически репрессированного гена. К метильной группе может быть присоединен гидроксильный остаток (один атом кислорода и один водорода), в результате метилцитозин становится гидроксиметилцитозином. Считывающий метильные маркеры на ДНК белок МеСР2 такой вариант цитозина уже не узнает, к ДНК в этом месте не присоединяется и не происходит блокирования транскрипции на этом участке. Гидроксильный остаток затем может быть удалён, и схема репрессии гена будет восстановлена.

 

Модификации гистонов

 

Если растянуть ДНК клетки человека, получится нить длиной около 2 метров. Размер клеточного ядра, в котором находится ДНК, около 1/100 миллиметра, следовательно, молекулы ДНК должны быть компактно упакованы, но при этом гены должны быть доступны для транскрипционных факторов и РНК-полимеразы. Для упаковки молекул ДНК используются специальные белки — гистоны. Восемь гистонов формируют плотную шарообразную структуру, из которой свободно торчат отростки всех восьми гистоновых белков (гистоновые хвосты). Вокруг гистонового шара обматывается нить ДНК (длиной 145 п.н., примерно полтора оборота) и образуется структурная единица хромосом — нуклеосома. Расстояние между нуклеосомами может быть от 10 до 100 п.н. Если нуклеосомы располагаются очень близко друг к другу, происходит формирование гетерохроматина.

Гистоны играют роль не просто катушек для упаковки ДНК. Гистоновые хвосты представляют собой цепочки аминокислот, к которым могут быть присоединены небольшие химические группы. Это явление называется модификация гистонов. В настоящее время известно около 50 вариантов модификации гистонов, самые изученные — ацетилирование и метилирование. Например, при метилировании, происходит присоединение метильной группы в определенном месте на гистоновом хвосте данной нуклеосомы. Такая модификация служит своеобразным сигнальным флажком, который привлекает к нуклеосоме разнообразные ферменты и дополнительные регуляторные белки, в результате чего изменяются физико-химические свойства всей нуклеосомы.

При метилировании конкретного участка гистона может произойти уплотнение хроматина (образование гетерохроматина), что приведет к подавлению транскрипции генов на данном участке. Однако при метилировании другого участка гистона может наоборот произойти деконденсация хроматина, и это приведет к активации экспрессии генов данного участка. Наконец метилирование одного и того участка было «замечено» как в молчащем гетерохроматине, так и при индукции некоторых генов.

Ацетилирование гистонов способствует деконденсации хроматина и активации экспрессии генов. Взаимодействия между молекулами в хроматине происходят по принципу образования ковалентных химических связей между молекулами и взаимодействия зарядов самих молекул. Гистоновый шар имеет сильный положительный заряд, а молекула ДНК всегда заряжена отрицательно. «Плюс» и «минус» притягиваются, гистоны за счет ионных взаимодействий «прилипают» к молекуле ДНК. Но гистоны не висят на ДНК как прищепки на веревке — из-за конформационных особенностей самой молекулы, ДНК обматывается вокруг каждого гистонового шара. Ацетилирование гистона меняет его положительный заряд на нейтральный, гистон больше не притягивается к отрицательно заряженной ДНК и происходит отсоединение гистонов от ДНК. Это обеспечивает условия для более эффективной посадки на промоторы транскрипционных факторов и РНК-полимеразы. Интенсивность экспрессии генов зависит от плотности расположения нуклеосом. Плотность расположения нуклеосом в активно транскрибируемых участках изменяется в результате процесса под названием ремоделирование хроматина. Ремоделирование хроматина — это не только изменение количества нуклеосом, но и химические преобразования самих гистонов в гистоновых шарах.

У каждой нуклеосомы есть восемь гистоновых хвостов, на которые могут быть присоединены разные модифицирующие агенты с разным влиянием на экспрессию генов. Набор таких модификаций получил название гистонового кода. Схемы гистоновых модификаций привязаны к определенным генам в разных типах клеток, что приводит к отлаженному и четко регулируемому профилю экспрессии генов.

Важнейшим свойством гистонового кода является его динамичность — способность к перестройкам и перенастройкам в зависимости от потребностей организма и условий окружающей среды. Например, у людей, употребляющих алкоголь часто и в больших количествах, происходит преобразование гистонового кода в районе гена алкогольдегидрогеназы таким образом, чтобы этот ген был всегда легкодоступен для считывания факторами транскрипции.

Любая модификация гистонового хвоста может быть установлена, затем удалена, а затем вновь восстановлена в этом же месте в ответ на разнообразные сигналы, поступающие в клетку. В кишечнике гистоновый код может меняться в зависимости от рациона, в нейронах — на прием наркотиков. Изменения гистонового кода являются способом взаимодействия окружающей среды и наших генов. Таким образом, метилирование ДНК определяет, будет ли тот или иной ген работать в конкретной клетке, а гистоновый код обеспечивает тонкую настройку активности генов, которые не были предварительно «отключены» метилированием ДНК.

 

Длинные некодирующие РНК

 

После расшифровки более 100 геномов разных видов животных и растений, оказалось, что очень небольшой процент генома содержит гены, кодирующие белки. У бактерий только 10% генома не участвует в кодировании белков. У дрозофилы это уже 82%, а у человека — 98%. ДНК, в которой не содержится информация о белках, традиционно называют некодирующей ДНК. Однако оказалось, что хотя некодирующая ДНК и не кодирует белки, но это не значит, что она вообще ничего не кодирует.

Около 45% генома млекопитающих содержит информацию о важнейших элементах эпигенетической регуляции экспрессии генов – некодирующих РНК (нкРНК, у дрозофилы — 20% генома содержат нкРНК). нкРНК не несут информацию о структуре белков (хотя иногда с них можно синтезировать полипептиды), эти РНК сами по себе играют роль регуляторных агентов при синтезе белков с других генов. Метилирование ДНК и модификации гистонов определяют профиль экспрессии генов, необходимых для определенного типа клеток. Но ферменты и белки, участвующие в этих эпигенетических надстройках сами по себе, не умеют «читать» ДНК, им необходимы некие маяки, которые будут сигнализировать необходимость эпигенетических модификаций. Функцию таких маяков и выполняют длинные нкРНК.