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

Экстремалы в природе, или о пределах выносливости Экстремалы в природе, или о пределах выносливости

Они выбрали себе жизнь, какой не позавидуешь, и везде сумели освоиться

Наука и жизнь
Дрон-охранник с искусственным интеллектом: как разработчики научили беспилотник следить за порядком в городе Дрон-охранник с искусственным интеллектом: как разработчики научили беспилотник следить за порядком в городе

«Контур» — комбинация дрона-охранника и стационарной камеры наблюдения

ТехИнсайдер
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Музыкант Сергей Сироткин: Помню, что «Велит нам петь» придумал после того, как прослушал несколько книг Стивена Кинга Музыкант Сергей Сироткин: Помню, что «Велит нам петь» придумал после того, как прослушал несколько книг Стивена Кинга

Интервью с музыкантом Сергеем Сироткиным

СНОБ
Следствие вели Следствие вели

Как множество специалистов не смогли выяснить все детали дела Кеннеди?

Дилетант
АЗС, ТРК, СУГ, КПГ: что все это значит и для чего нужно АЗС, ТРК, СУГ, КПГ: что все это значит и для чего нужно

Как устроена автозаправка и что значат аббревиатуры на вывесках

РБК
Солнечная защита Земли: новые детали Солнечная защита Земли: новые детали

Галактические космические лучи — очень опасный тип радиации

Наука и жизнь
Почему Ozempic подходит не каждому Почему Ozempic подходит не каждому

Почему Ozempic не может подойти всем, и вопрос вовсе не в высокой стоимости

ТехИнсайдер
Найти опору в теле Найти опору в теле

Как с помощью тела сохранить спокойствие и устойчивость

Psychologies
Живу и радуюсь! Живу и радуюсь!

Удовольствие – это жизненная необходимость

Добрые советы
Наталия Селиверстова: «Олег Павлович Табаков всегда говорил, что нервы у артиста должны быть железные» Наталия Селиверстова: «Олег Павлович Табаков всегда говорил, что нервы у артиста должны быть железные»

Артисты драмы — люди действия. Так нас учили великие педагоги: решил — делай!

Коллекция. Караван историй
Фарминг, патриотизм и гробница Хуан-ди: как завоевать китайский рынок гейминга Фарминг, патриотизм и гробница Хуан-ди: как завоевать китайский рынок гейминга

Чем азиатский геймдев отличается от западного?

Forbes
Сто дорог Тольятти Сто дорог Тольятти

Путешествие по современному городу с итальянским названием — Тольятти

Отдых в России
Шведские роботы против Балтийского флота Шведские роботы против Балтийского флота

Как маленькая нейтральная Швеция стала одним из пионеров ракетостроения

Обозрение армии и флота
Ученые заявили, что при стрессе на работе «надежда полезнее, чем осознанность» Ученые заявили, что при стрессе на работе «надежда полезнее, чем осознанность»

Во время стресса важнее «смотреть вперед», а не жить «здесь и сейчас»

ТехИнсайдер
Не только радуют мелодичными песнями, но и атакуют пометом: 50 познавательных и забавных фактов о дроздах Не только радуют мелодичными песнями, но и атакуют пометом: 50 познавательных и забавных фактов о дроздах

Повадки и поведение дроздов заслуживают отдельного внимания!

ТехИнсайдер
Раньше выйдешь на пенсию и сидишь на лавочке. А сейчас можно снова стать студенткой. Как реализовать себя на пенсии Раньше выйдешь на пенсию и сидишь на лавочке. А сейчас можно снова стать студенткой. Как реализовать себя на пенсии

Как оставаться активным в старшем возрасте, где искать для этого мотивацию?

СНОБ
Комната ученика Комната ученика

Интерьеры, в которых ребенку комфортно не только учиться, но и играть, и мечтать

Новый очаг
Из разведчиков в «шпионы» Из разведчиков в «шпионы»

При сталинской диктатуре государство всегда с подозрением относилось к гражданам

Дилетант
Вторая личность Вторая личность

Ужасно интересная премьера Haval F7

Автопилот
Наталья Андрейченко «Откровение». Исповедь актрисы Наталья Андрейченко «Откровение». Исповедь актрисы

«Откровение»: о несостоявшихся съемках в «Зимней вишне» и «Интердевочке»

СНОБ
Основатель школы Wildmanager — о том, как вести бизнес на маркетплейсах Основатель школы Wildmanager — о том, как вести бизнес на маркетплейсах

Что покупают на маркетплейсах, какие бизнес-проекты не стоит запускать?

РБК
Синдром навязчивых грез: что это такое, симптомы расстройства, как избавиться Синдром навязчивых грез: что это такое, симптомы расстройства, как избавиться

Когда воображение уводит нас слишком далеко и как понять, что мы уже «не норм»?

Psychologies
Московский Монмартр Московский Монмартр

Городок художников, притаившийся в необычных домах 1930-1950х годов

Seasons of life
Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит

Неспешные картины, которые намного интереснее современных блокбастеров

Maxim
Истина где-то рядом: как создавались культовые «Секретные материалы» Истина где-то рядом: как создавались культовые «Секретные материалы»

«Секретные материалы»: какое влияние оказал культовый сериал на индустрию?

Правила жизни
Синдром домохозяйки: истерия, депрессия, алкоголизм Синдром домохозяйки: истерия, депрессия, алкоголизм

Что такое синдром домохозяйки — рассказывает юнгианский психолог

Psychologies
ChatGPT превзошел врачей в оценке респираторных заболеваний у детей ChatGPT превзошел врачей в оценке респираторных заболеваний у детей

В оценке респираторных заболеваний ChatGPT показал лучшие результаты, чем врачи

ТехИнсайдер
14 фраз, из-за которых тебя перестанут воспринимать всерьез 14 фраз, из-за которых тебя перестанут воспринимать всерьез

Фразы, которые мастера красноречия советуют никогда не использовать

VOICE
Еще раз про синий свет смартфонов. Мешает ли он засыпать Еще раз про синий свет смартфонов. Мешает ли он засыпать

Как синий свет влияет на качество засыпания?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении