Действительно ли все эпигенетические феномены являются эпигенетическими

Наука и жизньНаука

Эпигенетика: стресс (не) по наследству

Кирилл Стасевич

Фото: Matthew Daniels/Wellcome Collection/CC BY 4.0

Под конец Второй мировой войны в Нидерландах случился массовый голод. Медицинские истории семей, переживших нидерландскую «голодную зиму» в 1944 году, позволили обнаружить странную вещь: дети тех, кто тогда голодал, страдали от диабета, ожирения и других заболеваний. Более того, дети этих детей — то есть внуки голодавших — рождались весом ниже среднего и также отличались неважным здоровьем. Складывалось впечатление, что последствия голода проявились через поколение. Так могут действовать факторы, меняющие последовательность ДНК, то есть факторы-мутагены, например радиоактивное излучение. Однако сложно представить, что нехватка питательных веществ сработала подобно радиации.

О голоде в Нидерландах всегда вспоминают, когда речь заходит об эпигенетике и эпигенетическом наследовании. Эпигенетика — это то, что происходит поверх генетики, то есть не затрагивая генетический текст, не затрагивая последовательность ДНК. Сейчас опубликовано множество исследований, которые говорят о том, что эпигенетические эффекты есть не только у голода, но и у разных диет, у курения и даже у психологического стресса. От эпигенетики зависят фундаментальные биологические процессы, вроде дифференцировки клеток; эпигенетические перестройки добавляют вероятности хроническим заболеваниям, вплоть до злокачественных опухолей. Вместе с тем, чем больше таких исследований появляется, тем чаще возникают вопросы, действительно ли все те эпигенетические феномены, о которых мы говорим, являются эпигенетическими.

Эпигенетическая регуляция

Любая клетка должна реагировать на изменения окружающей среды. Для этого у неё есть обширный набор рабочих молекул (белков, липидов и пр.), которыми в определённых условиях она вполне может обойтись. Но нередко бывает так, что имеющихся белков мало или среди них нет нужных. Значит, пора активировать ген, который хранит информацию о нужном белке. К гену отправляются белки, которые называются факторами транскрипции, а также ферменты, которые выполняют саму транскрипцию — то есть копируют информацию с ДНК в РНК. Чрезвычайно важную роль играют вспомогательные регуляторные последовательности в самой ДНК — они помогают организовать транскрипционный аппарат в правильном месте. Насинтезированная РНК служит шаблоном для сборки белка — так клетка получает белковые молекулы, которые ей вдруг понадобились. Когда нужда в конкретном белке исчезает, то транскрипция прекращается, и ген замолкает.

Доступность генетической информации в ДНК зависит от двух эпигенетических механизмов: метилирования ДНК и модификаций гистонов. Метильные группы, присоединяемые прямо к азотистым основаниям ДНК, делают ген неактивным, не давая переносить информацию с ДНК в РНК. Модификации гистонов по-разному влияют на открытость ДНК. На рисунке показано, как некая эпигенетическая модификация заставляет гистоны ослабить упаковку ДНК, делая ген доступным для чтения. Рисунок (с изменениями): National Institutes of Health/Wikimedia Commons/PD

Это очень упрощённая картина: на самом деле между геном, записанным в ДНК, и готовым белком есть помимо транскрипции целый ряд сложных молекулярных процессов, от которых тоже очень сильно зависит реакция клетки на события в окружающем мире и внутри самой себя. Но важно то, что клетка легко включает и выключает гены в ответ на появляющиеся и исчезающие стимулы. Стимулом может быть всё что угодно: например, питательные молекулы, которые нужно запасти или переварить, химический сигнал, которым одна иммунная клетка сообщает другой об инфекции, либо электрохимический импульс — в случае нервных, мышечных или некоторых железистых клеток. Но что если стимул возник — и не исчез? Если какой-то фактор среды всё действует и действует? Или, наоборот, стимул исчез и больше не появлялся? Тогда включаются эпигенетические механизмы — они подгоняют работу генов под долговременные условия среды.

Ген можно включить тогда, когда участок ДНК, в котором он записан, открыт для взаимодействия с аппаратом транскрипции. От эпигенетической регуляции зависит не столько сама активность гена, сколько возможность этой активности. Если ген в принципе открыт для работы, то его можно включать и выключать, прислушиваясь к переменчивым сигналам извне. Но ген может быть наглухо закрыт от молекулярных машин, которые считывают генетическую информацию, — тогда его никак не активируешь.

Что значит «открыт» и «закрыт»? Возможность активности — это возможность белков, обслуживающих транскрипцию, взаимодействовать с ДНК. У соответствующих белков определённые аминокислоты и группы аминокислот взаимодействуют с определёнными последовательностями генетических букв, и в результате белок прочно связывается на ДНК. Теперь представим, что на ДНК появились химические модификации. Такие модификации не меняют смысл генетических букв, на которых они сидят, то есть при чтении генетического кода буква сохраняет своё значение. Но вот прочесть её уже не выйдет: модификации не дают читать те участки ДНК, где они появились. Так выглядит один из механизмов эпигенетической регуляции генов — метилирование ДНК. Как можно догадаться, модифицирующими метками тут служат метильные группы CH3–, которые присоединяются и отсоединяются от ДНК специальными ферментами. У млекопитающих метилируется главным образом буква С — азотистое основание цитозин, причём С должна стоять в определённом окружении из других букв. Метилированная ДНК — выключенная ДНК: пока метильные группы не будут сняты, синтез РНК на такой ДНК не пойдёт.

Другой вариант эпигенетической регуляции — это плотная упаковка ДНК. Клеточная ДНК всегда пребывает в комплексе с разными белками, образуя так называемый хроматин. Главные белки хроматина — гистоны: они физически поддерживают нити хромосомной ДНК, не давая им перепутаться и защищая от повреждений. Гистоны отвечают за упаковку ДНК, благодаря им длиннейшие хромосомы помещаются в крохотном ядре (общая длина ДНК всех человеческих хромосом около 2 метров, диаметр клеточного ядра — около 10 микрометров). При этом упаковка может быть более плотной и менее плотной. Когда клетка делится, её хромосомы упакованы полностью и упакованы очень плотно, чтобы их легко было распределить между дочерними клетками. Но и между делениями часть ДНК остаётся в плотной упаковке — и это значит, что с такой ДНК никакую информацию скопировать нельзя. Поведение гистонов опять же зависит от химических модификаций: к аминокислотам в гистоне присоединяются метильные группы, или ацетильные, или остатки фосфорной кислоты, или какие-нибудь ещё. В зависимости от того, какие именно аминокислоты и как именно были модифицированы, гистоны на определённом участке ДНК либо упакуют его плотно, либо освободят его для других белков, которые смогут с ним работать.

Инструментами эпигенетической регуляции могут служить некоторые некодирующие РНК. Эти РНК специфично связываются с матричными РНК (мРНК), которые были скопированы с того или иного гена. Связавшись с мРНК, регуляторная РНК может или ускорить её разрушение, или надолго запретить синтезировать на ней белок. Также разные регуляторные РНК могут взаимодействовать между собой, не давая друг другу работать с мРНК. Кроме того, некоторые регуляторные РНК способны взаимодействовать с белками, задействованными в других механизмах эпигенетической регуляции — например, с теми, которые влияют на модификации гистонов. Регуляторная РНК может помочь белку — эпигенетическому активатору сделать упаковку ДНК более рыхлой и, следовательно, открыть ДНК для транскрипции. Или же регуляторная РНК вместе с белком — эпигенетическим репрессором может настроить гистоны на более плотную упаковку, и ДНК окажется недоступной для чтения. Рисунок (с изменениями) из статьи: Kumar S., Gonzalez E. A., Rameshwar P., Etchegaray J.-P. Non-Coding RNAs as Mediators of Epigenetic Changes in Malignancies. Cancers. 2020, 12(12), 3657 (CC BY).

Ещё один механизм эпигенетической регуляции связан с различными РНК. Когда мы говорили, что генетическая информация копируется с ДНК на РНК, а потом на РНК синтезируется белок, то имели в виду матричные, или информационные, РНК. Но кроме них в клетке есть много других видов РНК, которые никакой информации ни о каких белках не несут, а работают сами по себе. Они, например, могут связываться с матричными РНК, из-за чего те начинают быстро разрушаться. Или же регуляторная РНК может соединиться с матричной и тем самым запретить считывание информации с неё — тогда молекулярные машины, которые занимаются синтезом белка, не смогут с ней работать.

Кроме того, регуляторные РНК могут взаимодействовать друг с другом, что опять же будет сказываться на состоянии подведомственных им матричных РНК. Наконец, эпигенетические эффекты от регуляторных РНК могут быть связаны с тем, что они начинают сотрудничать с другими эпигенетическими игроками — например, с белками, участвующими в модифицировании гистонов.

Эти три механизма эпигенетической регуляции — метилирование ДНК, модификации гистонов, регуляторные РНК — изучены в разной степени у разных организмов. Но в целом метилирование изучено лучше, поэтому, когда говорят об эпигенетических метках, эпигенетическом коде или эпигенетическом рисунке, часто имеют в виду только метилирование ДНК.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Борьба за ярлык Борьба за ярлык

Как Калита начал собирать русские земли вокруг Москвы?

Дилетант
Спагетти-монстр Спагетти-монстр

SWM G01F: китайский кроссовер для Cпиди-гонщика

Автопилот
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Ученые рассказали, как на старение внуков влияет образование дедушек и бабушек Ученые рассказали, как на старение внуков влияет образование дедушек и бабушек

Как образование предков влияет на наше здоровье?

ТехИнсайдер
Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Как поменять жизнь, познав себя: 12 архетипов, которые тебе помогут Как поменять жизнь, познав себя: 12 архетипов, которые тебе помогут

Как архетипы помогают познать свою природу и научиться взаимодействовать с миром

VOICE
Как грабили Зимний Как грабили Зимний

Что стало с культурными ценностями после штурма Зимнего дворца в 1917?

Дилетант
«Как живем, так и шутим»: вспоминая Александра Васильевича Маслякова «Как живем, так и шутим»: вспоминая Александра Васильевича Маслякова

Светлана Мудрик вспоминает мэтра, под чьим руководством начинала свой путь

Правила жизни
Как повысить уровень жизни: техника маленьких шагов Как повысить уровень жизни: техника маленьких шагов

Что такое «денежный потолок» и как его расширить, улучшив качество жизни

Psychologies
Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше

Специфическое заболевание амавроз Лебера научились лечить генной терапией

ТехИнсайдер
«Билборды» и «Обстоятельства»: из чего состоит наш современный рок? «Билборды» и «Обстоятельства»: из чего состоит наш современный рок?

Молодые музыканты российской рок-сцены узких жанров

Правила жизни
Озарение, приди: как выйти из творческого кризиса Озарение, приди: как выйти из творческого кризиса

Что делать, когда нужно решить какую-то необычную задачу, а идей нет?

ТехИнсайдер
Скажите «Нихао!» Скажите «Нихао!»

Правила этикета сделают переговоры с китайскими партнёрами более эффективными

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Гробницы первых Гробницы первых

В чем уникальность формации Джоггинса?

Наука и техника
Кристина Бродская: «Мастер говорил, что характер для артистки — это плохо» Кристина Бродская: «Мастер говорил, что характер для артистки — это плохо»

«Я выбрала правильный путь: у меня дети, семья, любящий муж»

Караван историй
Астрономы отыскали самые длинные джеты у активной галактики Астрономы отыскали самые длинные джеты у активной галактики

Астрономы отыскали рекордно длинную систему джетов у активной галактики

N+1
Человек, изменивший все: как Дон Гарбер превратил МЛС в турнир с доходом в $2 млрд Человек, изменивший все: как Дон Гарбер превратил МЛС в турнир с доходом в $2 млрд

Дон Гарбер и его уникальный дар видеть возможности там, где другие отчаились

Forbes
По кругу По кругу

На краю деревни, среди леса стоит дом, в который хочется привести каждого

Seasons of life
10 видов предательства в семейной жизни 10 видов предательства в семейной жизни

Какие виды предательства бывают в семье, кроме физической измены?

Psychologies
Как выбрать фото для сайта знакомств, чтобы удачно выйти замуж: 13 рекомендаций Как выбрать фото для сайта знакомств, чтобы удачно выйти замуж: 13 рекомендаций

Какие фото привлекут достойных кандидатов в дейтинговых приложениях?

Psychologies
«Реалити-шоу срывает все маски» «Реалити-шоу срывает все маски»

Женя Кривцова о Колумбии, жизни под прицелом телекамеры и дворовом детстве

OK!
Такой простой и трудный ЗОЖ Такой простой и трудный ЗОЖ

Точного определения того, что означает ЗОЖ, практически не существует

Здоровье
Хватит краснеть Хватит краснеть

Почему мы стали пить белое вино, да еще и большими глотками?

СНОБ
Секреты Софи Секреты Софи

Правила ухода со собой легендарной актрисы Софи Лорен

Лиза
Песни с сюрпризом: неожиданные смыслы известных треков Песни с сюрпризом: неожиданные смыслы известных треков

Музыка, которую вы точно слышали, но не задумывались, о чем она

СНОБ
10 фактов про современную Монголию, которые мало кто знает 10 фактов про современную Монголию, которые мало кто знает

Монголия: самая холодная столица, самое большое производство кашемира

Maxim
«Безопасность — миф»! Эксперт из США рассказал, нужны ли школьникам смартфоны «Безопасность — миф»! Эксперт из США рассказал, нужны ли школьникам смартфоны

Зачем школьникам смартфоны?

ТехИнсайдер
Время Кита. Осеннее небо Время Кита. Осеннее небо

Этой осенью мы завершаем разговор о созвездиях семейства Персея

Наука и жизнь
Дым, милый дым Дым, милый дым

Как создать идеальный автомобиль для дрифта

Men Today
Сто дорог Тольятти Сто дорог Тольятти

Путешествие по современному городу с итальянским названием — Тольятти

Отдых в России
Открыть в приложении