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

Искусственный интеллект для физики белка Искусственный интеллект для физики белка

Что искусственный интеллект AlphaFold «знает» о физике белка?

Наука и жизнь
Стать психологом – как и зачем? Стать психологом – как и зачем?

О подводных камнях псиобразования и о том, кому можно доверять в этом вопросе

Psychologies
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Нарушение циркадного ритма привело к воспалению в легких Нарушение циркадного ритма привело к воспалению в легких

С нарушенным циркадным ритмом в дыхательных путях наблюдается воспаление

N+1
Сага о доме Сага о доме

Масштабный проект загородного семейного особняка в стиле американской классики

SALON-Interior
Между первым и вторым Между первым и вторым

«Чужой: Ромул»: очень осторожный новый эпизод культовой франшизы

Weekend
Все дороги ведут к пирамидам Все дороги ведут к пирамидам

Почему «все боится времени, но время боится пирамид»

Вокруг света
Утро у ворот Лувра Утро у ворот Лувра

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

Дилетант
Почему пьяные водители могут выжить после смертельного ДТП? Узнайте интересные факты Почему пьяные водители могут выжить после смертельного ДТП? Узнайте интересные факты

Почему пьяные водители часто выживают в авариях?

ТехИнсайдер
Константин Купервейс: «Если б я так умел играть, я бы горы свернул!» — сказал мне Булат Окуджава» Константин Купервейс: «Если б я так умел играть, я бы горы свернул!» — сказал мне Булат Окуджава»

Пианист Константин Купервейс вспоминает о работе с легендами

Коллекция. Караван историй
Опыт, который имел реальную цену: 3 бизнес-ошибки основательницы exeDrive Юлии Воликовой Опыт, который имел реальную цену: 3 бизнес-ошибки основательницы exeDrive Юлии Воликовой

Основательница exeDrive Юлия Воликова — о своих предпринимательских неудачах

Inc.
Нарядилась Нарядилась

Александра Ребенок — о том, как вырасти в маминых платьях, а потом — из них

Новый очаг
Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше

Специфическое заболевание амавроз Лебера научились лечить генной терапией

ТехИнсайдер
Современные ценности Современные ценности

Что сейчас модно, актуально и сколько все это стоит?

СНОБ
Как работают апельсиновые танкеры: удивительные факты о кораблях-соковозах Как работают апельсиновые танкеры: удивительные факты о кораблях-соковозах

Корабли-соковозы: как они доставляют соки по всему миру?

ТехИнсайдер
С гробом по жизни С гробом по жизни

«Джанго»: один из самых жестоких вестернов в истории

Weekend
Средневековые жители Заполярья поели сырой головной мозг северных оленей Средневековые жители Заполярья поели сырой головной мозг северных оленей

Как средневековые обитатели Ямала могли заразиться гельминтами

N+1
В атмосфере отдыха В атмосфере отдыха

Эта маленькая, но уютная квартира находится в известном курортном месте

Идеи Вашего Дома
Без воды Без воды

Какие у безводной косметики преимущества и недостатки?

Лиза
Быстрее, выше, сильнее: как 3D-технологии меняют обувь Быстрее, выше, сильнее: как 3D-технологии меняют обувь

Аддитивные технологии обещают приспособить под производство идеальной обуви

Монокль
Хватит краснеть Хватит краснеть

Почему мы стали пить белое вино, да еще и большими глотками?

СНОБ
Сбой системы Сбой системы

Как вовремя понять, что ребенка пора вести на прием к специалисту?

Лиза
Бан и вылет. За какие проступки сурово наказывали футбольные клубы Бан и вылет. За какие проступки сурово наказывали футбольные клубы

Примеры, когда футбольный клуб вопреки игре вылетал или получал дисквалификацию

СНОБ
Огнедышащий голос и путеводная ярость: 9 лиц Егора Летова Огнедышащий голос и путеводная ярость: 9 лиц Егора Летова

От музыканта до фантаста: ипостаси Егора Летова

Правила жизни
Маленькая мисс Одиннадцать: как Милли Бобби Браун добивается успеха в кино и бизнесе Маленькая мисс Одиннадцать: как Милли Бобби Браун добивается успеха в кино и бизнесе

Как Милли Бобби Браун удалось не стать заложницей одной роли?

Forbes
Тёплая осень 1964-го Тёплая осень 1964-го

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

Дилетант
Владимир Фокин: «Вячеслав Тихонов отказывался сниматься, просил: «Освободите меня, я так этого наелся!» Владимир Фокин: «Вячеслав Тихонов отказывался сниматься, просил: «Освободите меня, я так этого наелся!»

Владимир Фокин — о съемках фильма «ТАСС уполномочен заявить...»

Коллекция. Караван историй
Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции

Как родственные связи могут погубить карьеру звездного спортсмена Рабьо

Forbes
Всего пара кликов: как удалить браузер с компьютера Всего пара кликов: как удалить браузер с компьютера

Что нужно делать, чтобы полностью удалить разные браузеры с устройства

ТехИнсайдер
До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна? До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна?

Несколько действенных способов, как быстро высушить вещи

ТехИнсайдер
Открыть в приложении