Эпигенетика – над ДНК

Еще в прошлом веке к эпигенетике относились с настороженностью. Рассказываем, как из такого положения эпигенетика стала передовой наукой, как именно клетки передают наследственную информацию, не закодированную в ДНК, и как работают эпигенетические часы.

Содержание

• Из сомнительной теории в передовую науку
• Загадочные негеномные факторы
• Эпигенетические часы

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.

В результате генетически идентичные клетки или организмы начинают функционировать по-разному.

Эпигенетические часы

Одна из самых интересных областей эпигенетики — эпигенетика возраста.

Эпигеном клетки, то есть 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 увеличения 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 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.

Сами гены, которые отвечают за кодирование белков, составляют только 1–3% ДНК человека. Остальная часть ДНК только контролирует активность генов, выполняет другие функции, а некоторые последовательности и вовсе ни за какие процессы не отвечают.

Проявление многих генетических признаков зависит от внешних факторов: питания, образа жизни и окружающей среды.

Взять здоровье под контроль и узнать, как ваша ДНК и образ жизни влияют на организм, можно с помощью генетических тестов Атлас.

Вы получите знания о том, как генетика влияет на риски развития многофакторных и наследственных заболеваний и получите персонализированные рекомендации по анализам и врачам, питанию и образу жизни. С их помощью вы сможете грамотно управлять своим здоровьем и планировать семью.

Больше интересных статей в блоге Атлас:

• Из чего состоит геном человека
• Гид по результатам Генетического теста Атлас