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

Выставка Леонида Шервуда в Русском музее Выставка Леонида Шервуда в Русском музее

Леонид Владимирович Шервуд родился в Москве 16 (28) апреля 1871 года

Наука и жизнь
По кругу По кругу

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

Seasons of life
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Уютное и доброе фэнтези: 5 бестселлеров и новинок для осеннего чтения Уютное и доброе фэнтези: 5 бестселлеров и новинок для осеннего чтения

Атмосферные, согревающие истории поднимут настроение холодными вечерами

Maxim
Ландышевое дерево Ландышевое дерево

Ландышевое дерева, или халезия, — украшение майского сада

Наука и жизнь
Утро у ворот Лувра Утро у ворот Лувра

В1570 году Карл IX подписал Сен-Жерменский мир, прекративший Третью войну

Дилетант
Про напиток из цикория Про напиток из цикория

Есть время и место для кофе и есть время и место для цикория

Наука и жизнь
Защитит зубы и сердце! Вот чем сыр полезен для здоровья: интересные факты Защитит зубы и сердце! Вот чем сыр полезен для здоровья: интересные факты

Сыр: богат питательными веществами и полезен для сердца

ТехИнсайдер
Смартфон может влиять на бесплодие у мужчин? Узнайте простой ответ экспертов! Смартфон может влиять на бесплодие у мужчин? Узнайте простой ответ экспертов!

Как мобильные телефоны могут влиять на мужскую фертильность

ТехИнсайдер
Офицерский выбор Офицерский выбор

105 лет назад войска Северо-Западной армии повели наступление на Петроград

Дилетант
Книга ангела Книга ангела

Келлская книга: элементы христианской и языческой кельтской культуры

Вокруг света
Из Древней Руси – в космос Из Древней Руси – в космос

Захватывающее дух путешествие по страницам истории на Спасской земле

Отдых в России
BrahMos – самое могущественное оружие сдерживания Индии BrahMos – самое могущественное оружие сдерживания Индии

Непростой процесс совершенствования ракеты BrahMos

Обозрение армии и флота
Какой здоровый орган! Какой здоровый орган!

Советы от врачей разных специализаций, чтобы не стать их пациентами

Men Today
Антик с гвоздикой Антик с гвоздикой

В наше время ароматная гвоздика из драгоценного товара стала заурядной пряностью

Наука и жизнь
7 признаков того, что отношения не сложатся 7 признаков того, что отношения не сложатся

Точно ли ваши с партнером взгляды на совместное будущее совпадают?

Psychologies
Легенда морей Легенда морей

«Легенда» уже нашего времени, в реальности которой нет никаких сомнений

Y Magazine
Королевские игры Королевские игры

Фрагменты документальной книги Тины Браун «Дом Виндзоров»

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Тяжелые эвакуационные машины с колесной формулой 8х8 Тяжелые эвакуационные машины с колесной формулой 8х8

Особенности эвакуационных тягачей

Обозрение армии и флота
Выйти замуж, чтобы сбежать от родителей: что не так с этим сценарием Выйти замуж, чтобы сбежать от родителей: что не так с этим сценарием

Вступление в брак часто связывают с началом взрослой жизни, но так ли это?

Psychologies
Что будет, если заменить батареи теплым полом: ваше сердце не скажет спасибо, считает ученый из МЭИ Что будет, если заменить батареи теплым полом: ваше сердце не скажет спасибо, считает ученый из МЭИ

Можно ли отопить дом только теплым полом?

ТехИнсайдер
Тёплая осень 1964-го Тёплая осень 1964-го

«Не прошу милости — вопрос решён» — так Никита Хрущёв завершил своё выступление

Дилетант
Феминизм, магический реализм и жизнь самой жестокой королевы: 7 лучших книг африканских писателей Феминизм, магический реализм и жизнь самой жестокой королевы: 7 лучших книг африканских писателей

Африканская литература: о правах женщин, любви и национальной идентичности

Правила жизни
«Люди — отстой»: Адель объявила о паузе в карьере и усталости от общества «Люди — отстой»: Адель объявила о паузе в карьере и усталости от общества

Почему нам всем порой стоит отдыхать от людей?

Psychologies
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
Квантовая нейросеть «видит» оптические иллюзии, как человек Квантовая нейросеть «видит» оптические иллюзии, как человек

Что такое квантовое туннелирование и как оно помогает обучать нейросети?

ТехИнсайдер
Первое свидание и знакомство с родителями: эти правила этикета помогут вам быть на высоте Первое свидание и знакомство с родителями: эти правила этикета помогут вам быть на высоте

Какие правила этикета нужно соблюдать на первой встрече с родителями партнера?

Psychologies
Спички, веревки и контрабандная проволока: как Гарри Бардин изменил наше представление о мультфильмах Спички, веревки и контрабандная проволока: как Гарри Бардин изменил наше представление о мультфильмах

О работе Гарри Бардина и о пяти самых необычных его мультфильмах

Правила жизни
Куда поедут российские шрот и жом Куда поедут российские шрот и жом

Пошлины на импорт продукта в ЕС могут привести к профициту на внутреннем рынке

Агроинвестор
На краю земли На краю земли

Столетиями маяки выдерживают натиск стихии, подавая спасительные сигналы

Вокруг света
Открыть в приложении