Эпигенетика – над ДНК

Эпигенетика – над ДНК

Еще в прошлом веке к эпигенетике относились с настороженностью, ведь наследование, не связанное с последовательностью нуклеотидов в ДНК, – а именно им и занимаются эпигенетики – шло вразрез с устоями эволюционной теории. Как из такого положения эпигенетика стала передовой наукой, как именно клетки передают наследственную информацию, не закодированную в ДНК, а также о том, как работают эпигенетические часы – читайте в этой статье.

Содержание

Из сомнительной теории в передовую науку

Многие знают еще со школы, что наследственная информация закодирована в ДНК, которую клетки и организмы передают из поколения в поколение. На этом основана теория эволюции: врожденные (закодированные в ДНК)  признаки наследуются, а приобретенные, наоборот, не передаются потомству. По крайней мере, так считалось до середины прошлого века, пока не появилась эпигенетика – наука о наследовании признаков, не связанных с последовательностью ДНК.

Сейчас эпигенетика – одна из самых популярных областей биологических исследований.  Доказано, что эпигенетические механизмы влияют на старение , развитие разных заболеваний и даже поведение . Однако когда эпигенетика только появилась, к ней относились настороженно – направление критиковали такие известные генетики как Ричард Докинз или Сергей Инге-Вечтомов. И их можно понять – ведь наследование вне ДНК не укладывается в синтетическую теорию эволюции. Кроме того, с появления в 1942 году термин «эпигенетика» даже не имел четкого определения: первые идеологи эпигенетики толком не могли объяснить, какие именно «негеномные факторы» могут наследоваться и влиять на работу организма.

Только через пару десятков лет после появления эпигенетики ее последователями удалось убедить все научное сообщество: эпигенетика – не лженаука, а последовательная и обоснованная теория. Одной из первых работ, подтверждающих эпигенетические эффекты, стало исследование Роберта Уотрелэнда и Рэнди Джиртла из университета Дюка. Они кормили мышей пищей, богатой метильными группами, и выяснили, что у их потомства шерсть другого цвета – коричневая вместо желтого. Однако мыши были генетически идентичными – то есть метил-обогащенная пища повлияла на внешний вид мышей в обход последовательности ДНК. Оказалось, во всем виновато метилирование так называемого гена агути, который и отвечает за желтый цвет.

Загадочные негеномные факторы

После работы Уотерлэнда и Джиртла, а также целой  серии других исследований, наконец удалось определить загадочные «негеномные факторы» – ими оказались метилирование и другие химические модификации ДНК и ее структурных и регуляторных белков. ДНК метилируется ферментом метил-трансферазой и в строго определенных местах – CpG-островках. Фермент находит этот двухнуклеотидный сайт и навешивает на цитозин метильную метку - СН3. Существуют и другие ферменты, способные навешивать метки не на сами нити ДНК, а на упаковочные белки – гистоны. Эти белки нужны, чтобы «намотать» на них длинные нити ДНК как на катушку – и образовать сложную 3D-структуру клеточного генома.

Но как эти метки связаны с генами и наследованием? Оказывается, метильные и другие метки могут «сигнализировать» клетке об активности гена. Так, например, метилированные участки обычно неактивны – гены в них сохраняют свою структуру, но перестают работать. Считается, что ферменты транскрипции, которые и «считывают» гены, хуже распознают метилированные последовательности и не садятся на них. Но есть и активирующая метка – ацетилирование аминокислот в гистонах. Ацетильная метка «снимает» положительный заряд с поверхности белка, из-за чего комплекс дестабилизируется и закрытая компактная ДНК открывается и становится доступной для ферментов.

Таким образом, клетка способна делить участки ДНК на активные и неактивные, не вмешиваясь в саму последовательность, и генетически идентичные клетки или организмы начинают функционировать по-разному.

Эпигенетические часы

Одна из самых интересных областей эпигенетики – эпигенетика возраста. Показано, что эпигеном клетки – совокупность меток ДНК и модификаций гистонов – соответствует возрасту клетки. Впервые таким образом измерять возраст предложил в 2013 году Стив Хорват — биоинформатик из Калифорнийского университета. Он создал модель машинного обучения, которая предсказывает возраст по совокупности метильных меток. Он обучил ее на общедоступных данных о метилировании в тканях и определил участки генома, метилирование которых достоверно соответствует возрасту.

Сейчас начинают появляться и работы по изменению эпигенетического возраста через воздействие на эпигеном. Так, группа исследователей из Лос-Анджелеса попробовала  «омолодить» иммунную систему девяти волонтеров. Участники регулярно принимали гормон роста для роста числа лимфоцитов, а также препараты для устранения побочных эффектов гормона: метформин от диабета и дегидроэпиандростерон от воспаления. Так удалось не только нарастить количество иммунных клеток и частично восстановить тимус, но и снизить эпигенетический возраст пациентов – согласно эпигенетическим часам, они стали даже моложе, чем во время начала эксперимента. Правда, пока рано говорить об эпигенетическом омоложении человека – ведь эксперимент длился всего около года и был нацелен только на иммунные клетки, а не на все тело.

Однако возраст – далеко не единственная область, тесно связанная с эпигенетическими механизмами. Эпигенетика влияет и на внутриутробное развитие, поведение, здоровье. Описать все эпигенетические механизмы в одной статье сложно, но одно сказать можно с точностью: переоценить их значение для наследования почти невозможно.

На заметку

  • Исследования по эпигенетике проводят ученые по всему миру, а позиция о «лженаучности» этой области давно устарела.
  • Эпигенетические механизмы сейчас установлены на молекулярном уровне: активность генов меняется без изменения последовательности ДНК – например, за счет присоединения к определенным участкам метильных групп (меток).
  • Эти метки не только влияют на активность генов, но довольно точно отражают возраст клетки. Набор меток даже называют «эпигенетическими часами».
Анна Муравьёва
Анна Муравьёва Биолог, научный журналист, магистрант Сколтеха

Избранные темы

Генетика
75 статей
Здоровье
70 статей
Образ жизни
61 статей
Микробиота
47 статей
Питание
40 статей
Гайды
32 статей
Новости
10 статей
Отзывы
5 статей
Курсы
1 статья
Онкология
Онкология
18 статей
Пищеварение
Пищеварение
16 статей