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
Отставка Отставка

От заседания Президиума ЦК 13 и 14 октября 1964 г. осталась протокольная запись

Дилетант
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Как нельзя использовать эфирные масла: 8 запретов, которые следует соблюдать Как нельзя использовать эфирные масла: 8 запретов, которые следует соблюдать

Можно ли навредить себе эфирными маслами?

VOICE
Заново начать Заново начать

Стас Пьеха откровенно об обидах, зависимостях, понимании себя и прощении

Psychologies
«Последние короли Шанхая»: как еврейские династии помогали строить современный Китай «Последние короли Шанхая»: как еврейские династии помогали строить современный Китай

Глава из книги «Последние короли Шанхая»: о последствиях Первой опиумной войны

Forbes
«Кровавый зуб» «Кровавый зуб»

...Из-под ног вспорхнули рябчики. Кто-то удивлённо спросил: «Это что, кровь?»

Наука и жизнь
Пригласите эксперта: зачем российские суды обращаются к специалистам Пригласите эксперта: зачем российские суды обращаются к специалистам

В российских судах заключение эксперта является крайне значимым доказательством

Forbes
Культ удовольствия Культ удовольствия

Гедонизм — это хорошо или плохо?

Добрые советы
Микроэлектронику растят льготами Микроэлектронику растят льготами

Радиоэлектронная промышленность получит дополнительные преференции

Монокль
Как мужчине удовлетворить женщину? Как мужчине удовлетворить женщину?

Как узнать, что женщина хочет в постели?

Maxim
Западные равнинные гориллы поели трюфелей Западные равнинные гориллы поели трюфелей

Западные равнинные гориллы выкапывали трюфели из-под лесной подстилки

N+1
«Часы мозга» показывают, насколько быстро он стареет «Часы мозга» показывают, насколько быстро он стареет

Стареет ли мозг человека отдельно от его тела?

ТехИнсайдер
Разговаривать с собой: нормально ли это? Разговаривать с собой: нормально ли это?

Может ли внутренний диалог принести пользу? Или наоборот — причинить вред?

Psychologies
Чем опасен секонд-хенд? Чем опасен секонд-хенд?

Любителям секонд-хенда не стоит расслабляться: вот несколько его опасностей

Здоровье
«Мама, ты ломаешь меня»: с чего начинается травма детства «Мама, ты ломаешь меня»: с чего начинается травма детства

Как формируется детская травма и за что несут ответственность родители?

Psychologies
Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций

Знакомо ли вам такое понятие, как «лоскутная» семья?

Psychologies
Большие перемены Большие перемены

20 фактов, которые должны знать папа и мама первоклассника (и не только)

Men Today
Как наконец отпустить старые отношения: рекомендации и упражнение от семейного психолога Как наконец отпустить старые отношения: рекомендации и упражнение от семейного психолога

Вы расстались с партнером, но мучительно скучаете по нему?

Psychologies
«Подай знак»: режиссерский дебют актрисы Зои Кравиц о злоупотреблении властью «Подай знак»: режиссерский дебют актрисы Зои Кравиц о злоупотреблении властью

Как фильм «Подай знак» привлекает к проблеме гендерного неравенства?

Forbes
В чем поэзия, брат? В чем поэзия, брат?

Борис Рыжий как поэт и как персонаж

Weekend
Как после Второй мировой войны возрождались автомобильные гонки Как после Второй мировой войны возрождались автомобильные гонки

Глава из работы Жана-Луи Монсе «Большая книга Формулы-1»

СНОБ
5 увлекательных книг о мошенниках 5 увлекательных книг о мошенниках

Книги, которые объединяет то, что их главные герои — мошенники и аферисты

Maxim
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
Почему важно заниматься растяжкой: 5 причин Почему важно заниматься растяжкой: 5 причин

Гибкость — один из важнейших аспектов поддержания хорошего самочувствия тела

ТехИнсайдер
Молочные и мясные антигены сдерживают появление рака кишечника Молочные и мясные антигены сдерживают появление рака кишечника

Как пищевые антигены запускают иммунную систему кишечника

ТехИнсайдер
Мы с вами в одной лодке Мы с вами в одной лодке

«Удовольствие, растянутое на 248 метров» — знакомство с лайнером Explora I

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Зеленое будущее: как восемь стартапов профессора MIT создают более экологичный мир Зеленое будущее: как восемь стартапов профессора MIT создают более экологичный мир

Исследования Йет Мин Чана в области материаловедения граничат с фантастикой

Forbes
Надо радоваться Надо радоваться

Оксана Лаврентьева уверяет: любые кризисы – вовсе не повод предаваться унынию

VOICE
Загадки русского языка: почему есть лето бабье, но нет мужичьего? Загадки русского языка: почему есть лето бабье, но нет мужичьего?

Почему лето называется именно бабьим?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении