Епигенетика: Мутации без промяна на ДНК. Епигенетика: теоретични аспекти и практическо значение. Епигенетични механизми

ДНК секвенирането на човешкия геном и геномите на много моделни организми предизвика значително вълнение в биомедицинската общност и сред широката общественост през последните няколко години. Тези генетични чертежи, които демонстрират общоприетите правила на менделското наследяване, вече са лесно достъпни за внимателен анализ, отваряйки вратата към по-задълбочено разбиране на човешката биология и болести. Това знание също генерира нови надежди за нови стратегии за лечение. Много фундаментални въпроси обаче остават без отговор. Например, как работи нормалното развитие, когато всяка клетка има една и съща генетична информация и въпреки това следва свой собствен специфичен път на развитие с висока времева и пространствена точност? Как клетката решава кога да се дели и диференцира и кога да запази клетъчната си идентичност непроменена, реагирайки и проявявайки се според нормалната си програма за развитие? Грешките, които възникват в горните процеси, могат да доведат до болестни състояния като рак. Дали тези грешки са кодирани в погрешни чертежи, които наследяваме от единия или двамата си родители, или има други слоеве нормативна информация, които не са били правилно разчетени и декодирани?

При хората генетичната информация (ДНК) е организирана в 23 двойки хромозоми, състоящи се от приблизително 25 000 гена. Тези хромозоми могат да бъдат сравнени с библиотеки, съдържащи различни набори от книги, които заедно предоставят инструкции за развитието на целия човешки организъм. Нуклеотидната последователност на ДНК на нашия геном се състои от приблизително (3 х 10 на степен 9) бази, съкратени в тази последователност с четирите букви A, C, G и T, които образуват определени думи (гени), изречения, глави и книги. Въпреки това, какво налага точно кога и в какъв ред трябва да се четат тези различни книги, остава далеч неясно. Отговорът на това изключително предизвикателство вероятно е да се открие как клетъчните събития се координират по време на нормално и ненормално развитие.

Ако обобщите всички хромозоми, молекулата на ДНК при висшите еукариоти е дълга около 2 метра и следователно трябва да бъде кондензирана колкото е възможно повече - около 10 000 пъти - за да се побере в клетъчното ядро ​​- отделението на клетката, което съхранява нашите генетичен материал. Навиването на ДНК върху "бобини" от протеини, така наречените хистонови протеини, осигурява елегантно решение на този проблем с опаковането и поражда полимер, в който протеин:ДНК комплексите се повтарят, известен като хроматин. Въпреки това, в процеса на опаковане на ДНК, така че да отговаря по-добре на ограничено пространство, задачата става по-трудна - почти по същия начин, както при подреждането на твърде много книги по рафтовете на библиотеката: става все по-трудно да се намери и прочете книга от избор и по този начин става необходима система за индексиране.

Такова индексиране се осигурява от хроматина като платформа за организиране на генома. Хроматинът не е хомогенен по своята структура; той изпълнява в различни формиопаковка, варираща от фибрил от силно кондензиран хроматин (известен като хетерохроматин) до по-малко компактна форма, където гените се експресират нормално (известен като еухроматин). Промени могат да бъдат въведени в основния хроматинов полимер чрез включване на необичайни хистонови протеини (известни като хистонови варианти), променени хроматинови структури (известни като хроматиново ремоделиране) и добавяне на химически знамена към самите хистонови протеини (известни като ковалентни модификации). Освен това добавянето на метилова група директно към цитозинова база (C) в ДНК матрицата (известно като ДНК метилиране) може да създаде места за свързване на протеини, за да промени състоянието на хроматина или да повлияе на ковалентната модификация на резидентните хистони.

Последните данни показват, че некодиращите РНК могат да „насочват“ прехода на специализирани геномни региони към по-компактни състояния на хроматин. По този начин хроматинът трябва да се разглежда като динамичен полимер, който може да индексира генома и да усилва сигналите от външната среда, като в крайна сметка определя кои гени трябва и не трябва да се експресират.

Взети заедно, тези регулаторни способности дават на хроматина един вид начало за организиране на генома, което е известно като "епигенетика". В някои случаи е установено, че моделите на епигенетично индексиране се наследяват по време на клетъчните деления, като по този начин се осигурява клетъчна „памет“, която може да разшири потенциала за наследена информация, съдържаща се в генетичния (ДНК) код. Така, в тесния смисъл на думата, епигенетиката може да се дефинира като промени в генната транскрипция, дължащи се на хроматинови модулации, които не са резултат от промени в нуклеотидната последователност на ДНК.

Този преглед представя основните концепции, свързани с хроматина и епигенетиката, и обсъжда как епигенетичният контрол може да ни даде ключа към разрешаването на някои дългогодишни мистерии като клетъчна идентичност, туморен растеж, пластичност на стволови клетки, регенерация и стареене. Докато читателите „прохождат“ през следващите глави, ние ги съветваме да обърнат внимание на широк спектър от експериментални модели, които изглежда имат епигенетична (не ДНК) основа. Изразено в механистични термини, разбирането за това как функционира епигенетиката вероятно ще има важни и широкообхватни последици за човешката биология и болести в тази "постгеномна" ера.

Организмът с околната среда по време на формирането на фенотипа. Изучава механизмите, по които въз основа на генетичната информация, съдържаща се в една клетка (зигота), поради различната експресия на гените в различните видове клетки, може да се осъществи развитието на многоклетъчен организъм, състоящ се от диференцирани клетки. Трябва да се отбележи, че много изследователи все още са скептични по отношение на епигенетиката, тъй като тя допуска възможността за негеномно наследяване като адаптивен отговор към промените в околната среда, което противоречи на доминиращата в момента геноцентрична парадигма.

Примери

Един пример за епигенетични промени в еукариотите е процесът на клетъчна диференциация. По време на морфогенезата тотипотентните стволови клетки образуват различни плурипотентни ембрионални клетъчни линии, които от своя страна дават начало на напълно диференцирани клетки. С други думи, една оплодена яйцеклетка - зигота - се диференцира в различни видове клетки, включително: неврони, мускулни клетки, епител, съдов ендотел и т.н., чрез множество деления. Това се постига чрез активиране на някои гени, като в същото време се инхибират други чрез епигенетични механизми.

Втори пример може да се демонстрира при полски мишки. През есента, преди застудяване, те се раждат с по-дълга и по-дебела козина, отколкото през пролетта, въпреки че вътрематочното развитие на "пролетните" и "есенните" мишки се случва на фона на почти същите условия (температура, дневна светлина, влажност и т.н.). Проучванията показват, че сигналът, който предизвиква епигенетични промени, водещи до увеличаване на дължината на косата, е промяна в градиента на концентрация на мелатонин в кръвта (той намалява през пролетта и се повишава през есента). По този начин се предизвикват епигенетични адаптивни промени (увеличаване на дължината на косата) още преди настъпването на студеното време, адаптирането към което е полезно за тялото.

Етимология и определения

Терминът „епигенетика“ (както и „епигенетичен ландшафт“) е предложен от Конрад Уодингтън през 1942 г. като производно на думите генетика и епигенеза. Когато Уодингтън измисли термина, физическата природа на гените не беше напълно известна, така че той го използва като концептуален модел за това как гените могат да взаимодействат с околната среда, за да формират фенотип.

Робин Холидей дефинира епигенетиката като "изследване на механизмите на времеви и пространствен контрол на генната активност по време на развитието на организмите". По този начин терминът "епигенетика" може да се използва за описание на всички вътрешни фактори, които влияят върху развитието на даден организъм, с изключение на самата ДНК последователност.

Съвременната употреба на думата в научния дискурс е по-тясна. Гръцката префикса епи- в думата означава фактори, които влияят „отгоре“ или „в допълнение към“ генетичните фактори, което означава, че епигенетичните фактори действат в допълнение или в допълнение към традиционните молекулярни фактори на наследствеността.

Приликата с думата "генетика" е породила много аналогии в използването на термина. „Епигеном“ е аналогичен на термина „геном“ и дефинира общото епигенетично състояние на клетката. Метафората „генетичен код“ също е адаптирана и терминът „епигенетичен код“ се използва за описание на набор от епигенетични характеристики, които създават различни фенотипове в различни клетки. Широко използван е терминът "епимутация", който се отнася до промяна в нормалния епигеном, причинена от спорадични фактори, предавани в редица клетъчни поколения.

Молекулярни основи на епигенетиката

Молекулярната основа на епигенетиката е доста сложна, тъй като не засяга структурата на ДНК, но променя активността на определени гени. Това обяснява защо само гените, необходими за тяхната специфична дейност, се експресират в диференцирани клетки на многоклетъчен организъм. Характеристика на епигенетичните промени е, че те се запазват по време на клетъчното делене. Известно е, че повечето епигенетични промени се проявяват само в рамките на живота на един организъм. В същото време, ако настъпи промяна в ДНК в сперма или яйцеклетка, тогава някои епигенетични прояви могат да се предават от едно поколение на друго. Това повдига въпроса дали епигенетичните промени в един организъм наистина могат да променят основната структура на неговата ДНК? (виж Еволюция).

В рамките на епигенетиката широко се изучават процеси като парамутация, генетично маркиране, геномно отпечатване, инактивиране на Х-хромозома, позиционен ефект, майчини ефекти, както и други механизми на регулиране на генната експресия.

Епигенетичните изследвания използват широк набор от техники на молекулярна биология, включително - имунопреципитация на хроматин (различни модификации на ChIP-on-chip и ChIP-Seq), in situ хибридизация, чувствителни към метилиране рестрикционни ензими, ДНК аденин метилтрансферазна идентификация (DamID) и бисулфитно секвениране . В допълнение, използването на биоинформационни методи (компютърно подпомагана епигенетика) играе все по-важна роля.

Механизми

Метилиране на ДНК и ремоделиране на хроматин

Епигенетичните фактори влияят върху активността на експресия на определени гени на няколко нива, което води до промяна във фенотипа на клетка или организъм. Един от механизмите на такова влияние е хроматиновата ремодулация. Хроматинът е комплекс от ДНК с хистонови протеини: ДНК се навива около хистонови протеини, които са представени от сферични структури (нуклеозоми), в резултат на което се осигурява нейното уплътняване в ядрото. Интензивността на генната експресия зависи от плътността на хистоните в активно експресираните области на генома. Ремоделирането на хроматина е процес на активна промяна на "плътността" на нуклеозомите и афинитета на хистоните към ДНК. Постига се по два начина, описани по-долу.

ДНК метилиране

Най-добре проученият епигенетичен механизъм до момента е метилирането на ДНК цитозиновите бази. Началото на интензивните изследвания на ролята на метилирането в регулацията на генетичната експресия, включително по време на стареенето, е поставено през 70-те години на миналия век от пионерските разработки на Ванюшин Б. Ф. и Бердишев Г. Д. и др. Процесът на метилиране на ДНК се състои в прикрепването на метилова група към цитозина като част от CpG динуклеотид в C5 позиция на цитозиновия пръстен. Метилирането на ДНК е присъщо главно на еукариотите. При хората около 1% от геномната ДНК е метилирана. Три ензима са отговорни за процеса на метилиране на ДНК, наречени ДНК метилтрансферази 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a и DNMT3b). Предполага се, че DNMT3a и DNMT3b са de novo метилтрансферази, които извършват формирането на модела на ДНК метилиране в ранните етапи на развитие, а DNMT1 извършва ДНК метилиране в по-късните етапи от живота на организма. Функцията на метилирането е да активира/деактивира ген. В повечето случаи метилирането води до потискане на генната активност, особено когато неговите промоторни региони са метилирани, а деметилирането води до неговото активиране. Доказано е, че дори незначителни промени в степента на метилиране на ДНК могат значително да променят нивото на генетична експресия.

Хистонови модификации

Въпреки че аминокиселинните модификации в хистоните се срещат в цялата протеинова молекула, модификациите на N-tail се срещат много по-често. Тези модификации включват: фосфорилиране, убиквитилиране, ацетилиране, метилиране, сумоилиране. Ацетилирането е най-изследваната модификация на хистони. По този начин, ацетилирането на лизини в H3 хистонова опашка от ацетилтрансфераза K14 и K9 корелира с транскрипционната активност в тази област на хромозомата. Това е така, защото ацетилирането на лизин го променя положителен заряддо неутрален, което го прави невъзможно да се свърже с отрицателно заредени фосфатни групи в ДНК. В резултат на това хистоните се отделят от ДНК, което води до прикрепването на комплекса SWI/SNF и други транскрипционни фактори към чиста ДНК, която задейства транскрипция. Това е "цис" моделът на епигенетична регулация.

Хистоните са в състояние да поддържат своето модифицирано състояние и да действат като шаблон за модификация на нови хистони, които се свързват с ДНК след репликация.

Механизмът на възпроизвеждане на епигенетични белези е по-разбран за ДНК метилиране, отколкото за хистонови модификации. Така ензимът DNMT1 има висок афинитет към 5-метилцитозин. Когато DNMT1 открие "полу-метилирано място" (място, където цитозинът е метилиран само върху една верига на ДНК), той метилира цитозина на втората верига на същото място.

приони

миРНК

Напоследък много внимание беше привлечено от изследването на ролята на малка интерферираща РНК (si-RNA) в регулирането на генетичната активност на малки интерфериращи РНК. Интерфериращите РНК могат да променят стабилността и транслацията на иРНК чрез моделиране на функцията на полизома и структурата на хроматина.

Значение

Епигенетичното наследство в соматичните клетки играе важна роля в развитието на многоклетъчен организъм. Геномът на всички клетки е почти еднакъв; в същото време многоклетъчният организъм съдържа различно диференцирани клетки, които възприемат сигналите от околната среда по различни начини и изпълняват различни функции. Именно епигенетичните фактори осигуряват "клетъчната памет".

Лекарството

Както генетичните, така и епигенетичните явления имат значително въздействие върху човешкото здраве. Известни са няколко заболявания, които възникват поради нарушение на генното метилиране, както и поради хемизиготност за ген, обект на геномно отпечатване. За много организми е доказана връзката между активността на ацетилиране/деацетилиране на хистони и продължителността на живота. Може би същите тези процеси влияят върху продължителността на живота на хората.

Еволюция

Въпреки че епигенетиката се разглежда главно в контекста на клетъчната памет, има и редица трансгенеративни епигенетични ефекти, при които генетичните промени се предават на потомството. За разлика от мутациите, епигенетичните промени са обратими и вероятно насочени (адаптивни). Тъй като повечето от тях изчезват след няколко поколения, те могат да бъдат само временни адаптации. Също така активно се обсъжда възможността за влияние на епигенетиката върху честотата на мутациите в определен ген. Доказано е, че семейството APOBEC/AID от цитозин деаминазни протеини участва както в генетично, така и в епигенетично наследяване, използвайки подобни молекулярни механизми. Над 100 случая на трансгенеративни епигенетични феномени са открити в много организми.

Епигенетични ефекти при хора

Геномно отпечатване и свързани заболявания

Някои човешки заболявания са свързани с геномно отпечатване, феномен, при който едни и същи гени имат различен модел на метилиране в зависимост от пола на техния родител. Най-известните случаи на заболявания, свързани с импринтинга, са синдромът на Angelman и синдромът на Prader-Willi. Причината за развитието и на двете е частична делеция в 15q региона. Това се дължи на наличието на геномно отпечатване в този локус.

Трансгенеративни епигенетични ефекти

Marcus Pembrey et al установиха, че внуците (но не и внучките) на мъжете, които са били склонни към глад в Швеция през 19 век, са били по-малко склонни да сърдечно-съдови заболявания, но са по-податливи на диабет, което според автора е пример за епигенетично унаследяване.

Рак и нарушения в развитието

Много вещества имат свойствата на епигенетични канцерогени: те водят до увеличаване на честотата на тумори, без да показват мутагенен ефект (например: диетилстилбестрол арсенит, хексахлоробензен и никелови съединения). Много тератогени, по-специално диетилстилбестрол, имат специфичен ефект върху плода на епигенетично ниво.

Промените в ацетилирането на хистони и метилирането на ДНК водят до развитие на рак на простатата чрез промяна на активността на различни гени. Генната активност при рак на простатата може да бъде повлияна от диета и начин на живот.

През 2008 г. Националният здравен институт на САЩ обяви, че 190 милиона долара ще бъдат изразходвани за епигенетични изследвания през следващите 5 години. Епигенетиката може да играе по-голяма роля от генетиката при лечението на човешки заболявания, според някои от изследователите, които са оглавили финансирането.

Епигеном и стареене

AT последните годиниНатрупани са голям брой доказателства, че епигенетичните процеси играят важна роля по-късно в живота. По-специално, широкообхватни промени в моделите на метилиране настъпват със стареенето. Предполага се, че тези процеси са под генетичен контрол. Обикновено най-голямо количество метилирани цитозинови бази се наблюдава в ДНК, изолирана от ембриони или новородени животни, и този брой постепенно намалява с възрастта. Подобно намаляване на метилирането на ДНК е установено в култивирани лимфоцити от мишки, хамстери и хора. Има систематичен характер, но може да бъде тъканно- и генно-специфичен. Например, Tra et al. (Tra et al., 2002), при сравняване на повече от 2000 локуса в Т-лимфоцити, изолирани от периферната кръв на новородени, както и хора на средна и по-напреднала възраст, разкрива, че 23 от тези локуса претърпяват хиперметилиране и 6 хипометилиране с възрастта и подобни промени в естеството на метилирането са открити и в други тъкани: панкреас, бели дробове и хранопровод. Установени са изразени епигенетични изкривявания при пациенти с прогирия на Hutchinson-Gilford.

Предполага се, че деметилирането с възрастта води до хромозомни пренареждания поради активирането на преносими генетични елементи (MGE), които обикновено се потискат от ДНК метилиране (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематичното свързано с възрастта намаляване на метилирането може, поне отчасти, да бъде причина за много сложни заболявания, които не могат да бъдат обяснени с помощта на класическите генетични концепции. Друг процес, който протича в онтогенезата успоредно с деметилирането и засяга процесите на епигенетична регулация, е кондензацията на хроматина (хетерохроматинизация), което води до намаляване на генетичната активност с възрастта. В редица изследвания са доказани епигенетични промени в зависимост от възрастта и в зародишните клетки; посоката на тези промени очевидно е генно-специфична.

Литература

• Неса Кери. Епигенетика: как съвременната биология пренаписва нашето разбиране за генетиката, болестите и наследствеността. - Ростов на Дон: Феникс, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Бележки

1. Нови изследвания свързват общата модификация на РНК със затлъстяването
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Епигенетична епидемиология на заболявания, свързани с възрастта
4. Holliday, R., 1990. Механизми за контрол на генната активност по време на развитие. Biol. Rev. Cambr. Филос. соц. 65, 431-471
5. „Епигенетика“. BioMedicine.org. Посетен на 21 май 2011 г.
6. В.Л. Чандлър (2007). Парамутация: От царевица към мишки. Клетка 128(4): 641-645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501.
7. Ян Сап, Отвъд гена. 1987 Oxford University Press. Ян Сап, „Концепции за организация: влиянието на ресничестите протозои“ . В изд. S. Gilbert, Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology Oxford University Press, 2003.
8. Ояма, Сюзън; Пол Е. Грифитс, Ръсел Д. Грей (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0.
9. Вердел и др., 2004 г
10. Matzke, Birchler, 2005
11. О.Дж. Рандо и К. Дж. Верстрепен (2007). „Времеви мащаби на генетично и епигенетично наследство“. Клетка 128(4): 655-668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504.
12. Яблонка, Ева; Гал Раз (юни 2009 г.). „Трансгенерационно епигенетично наследство: Разпространение, механизми и последици за изследването на наследствеността и еволюцията“. Тримесечният преглед на биологията 84 (2): 131-176. doi:10.1086/598822. PMID 19606595.
13. J.H.M. Knoll, R.D. Nicholls, R.E. Магенис, Дж.М. Греъм младши, М. Лаланд, S.A. Latt (1989). „Синдромите на Ангелман и Прадер-Уили споделят обща хромозомна делеция, но се различават по родителския произход на делецията“. American Journal of Medical Genetics 32 (2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235. PMID 2564739.
14. Pembrey ME, Bygren LO, Kaati G, et al.. Специфични за пола трансгенерационни реакции по мъжка линия при хора. Eur J Hum Genet 2006; 14:159-66. PMID 16391557. Робърт Уинстън се позовава на това изследване в лекция; вижте също дискусията в университета в Лийдс тук

Епигенетиката е сравнително нов клон на биологичната наука и все още не е толкова широко известен като генетиката. Разбира се като раздел от генетиката, който изучава наследствени промени в генната активност по време на развитието на организма или клетъчното делене.

Епигенетичните промени не са придружени от пренареждане на нуклеотидната последователност в дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК).

В тялото има различни регулаторни елементи в самия геном, които контролират работата на гените, включително в зависимост от вътрешни и външни фактори. Дълго време епигенетиката не беше призната, тъй като имаше малко информация за природата на епигенетичните сигнали и механизмите на тяхното прилагане.

Структурата на човешкия геном

През 2002 г. в резултат на дългогодишни усилия на голям брой учени различни страние завършено дешифрирането на структурата на наследствения апарат на човека, който е затворен в основната ДНК молекула. Това е едно от изключителните постижения на биологията в началото на 21 век.

ДНК, която съдържа цялата генетична информация за даден организъм, се нарича геном. Гените са отделни участъци, които заемат много малка част от генома, но в същото време формират неговата основа. Всеки ген е отговорен за предаването на информация за структурата на рибонуклеиновата киселина (РНК) и протеина в човешкото тяло. Структурите, които предават наследствена информация, се наричат ​​кодиращи последователности. В резултат на Genome Project бяха получени данни, според които човешкият геном се оценява на повече от 30 000 гена. В момента, поради появата на нови резултати от масовата спектрометрия, се оценява, че геномът съдържа около 19 000 гена.

Генетичната информация на всеки човек се съдържа в ядрото на клетката и е разположена в специални структури, наречени хромозоми. Всяка соматична клетка съдържа два пълни комплекта (диплоидни) хромозоми. Във всеки отделен комплект (хаплоид) има 23 хромозоми - 22 обикновени (автозоми) и една полова хромозома - X или Y.

ДНК молекулите, съдържащи се във всички хромозоми на всяка човешка клетка, са две полимерни вериги, усукани в правилна двойна спирала.

И двете вериги се държат една друга с четири бази: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тиамин (T). Нещо повече, основата А на една верига може да се свърже само с основата Т на другата верига и по подобен начин базата D може да се свърже с основата С. Това се нарича принцип на сдвояване на бази. В други случаи чифтосването нарушава цялата цялост на ДНК.

ДНК съществува като стегнат комплекс със специализирани протеини и заедно те образуват хроматин.

Хистоните са нуклеопротеини, основната съставка на хроматина. Те са склонни да образуват нови вещества чрез свързване на два структурни елемента в комплекс (димер), което е характеристика за последваща епигенетична модификация и регулация.

ДНК, която съхранява генетичната информация, се самовъзпроизвежда (удвоява) с всяко делене на клетката, тоест прави точни копия на себе си (репликация). По време на клетъчното делене връзките между двете вериги на двойната спирала на ДНК се разкъсват и нишките на спиралата се разделят. След това върху всяка от тях се изгражда дъщерна верига ДНК. В резултат на това молекулата на ДНК се удвоява, образуват се дъщерни клетки.

ДНК служи като матрица, върху която се осъществява синтеза на различни РНК (транскрипция). Този процес (репликация и транскрипция) се извършва в ядрата на клетките и започва с област на гена, наречена промотор, върху която се свързват протеинови комплекси, копирайки ДНК, за да образуват информационна РНК (mRNA).

От своя страна, последният служи не само като носител на ДНК информация, но и като носител на тази информация за синтеза на протеинови молекули върху рибозомите (процес на транслация).

Понастоящем е известно, че областите на човешкия ген, кодиращи протеини (екзони), заемат само 1,5% от генома. По-голямата част от генома няма нищо общо с гените и е инертен по отношение на трансфера на информация. Идентифицираните области на ген, които не кодират протеини, се наричат ​​интрони.

Първото копие на иРНК, получено от ДНК, съдържа целия набор от екзони и интрони. След това специализирани протеинови комплекси премахват всички интронни последователности и свързват екзони един с друг. Този процес на редактиране се нарича снаждане.

Епигенетиката обяснява един от механизмите, чрез които клетката е в състояние да контролира синтеза на протеина, който прави, като първо определя колко копия на иРНК могат да бъдат направени от ДНК.

И така, геномът не е замразено парче ДНК, а динамична структура, хранилище на информация, която не може да бъде сведена до един ген.

Развитието и функционирането на отделните клетки и на организма като цяло не са автоматично програмирани в един геном, а зависят от много различни вътрешни и външни фактори. С натрупването на знания се оказва, че в самия геном има множество регулаторни елементи, които контролират работата на гените. Сега това се потвърждава в много експериментални изследваниявърху животни.

Когато се делят по време на митоза, дъщерните клетки могат да наследят от родителските не само пряка генетична информация под формата на ново копие на всички гени, но и определено ниво на тяхната активност. Този тип унаследяване на генетична информация се нарича епигенетично унаследяване.

Епигенетични механизми на генна регулация

Предметът на епигенетиката е изучаването на унаследяването на генната активност, която не е свързана с промяна в първичната структура на тяхната ДНК. Епигенетичните промени са насочени към адаптиране на организма към променящите се условия на неговото съществуване.

Терминът "епигенетика" е предложен за първи път от английския генетик Уодингтън през 1942 г. Разликата между генетичните и епигенетичните механизми на наследяване се състои в стабилността и възпроизводимостта на ефектите.

Генетичните черти се фиксират за неопределено време, докато настъпи мутация в гена. Епигенетичните модификации обикновено се показват в клетките в рамките на живота на едно поколение на организма. Когато тези промени се предадат на следващите поколения, те могат да се възпроизведат в 3-4 поколения и след това, ако стимулиращият фактор изчезне, тези трансформации изчезват.

Молекулярната основа на епигенетиката се характеризира с модификация на генетичния апарат, т.е. активиране и потискане на гени, които не засягат първичната последователност на ДНК нуклеотидите.

Епигенетичната регулация на гените се извършва на нивото на транскрипция (времето и естеството на генната транскрипция), по време на селекцията на зряла иРНК за транспортирането им до цитоплазмата, по време на селекцията на иРНК в цитоплазмата за транслация върху рибозоми, дестабилизиране на някои видове иРНК в цитоплазмата селективно активиране инактивиране на белтъчни молекули след освобождаването им синтез.

Колекцията от епигенетични маркери е епигеномът. Епигенетичните промени могат да повлияят на фенотипа.

Епигенетиката играе важна роля във функционирането на здравите клетки, осигурявайки активирането и потискането на гените, в контрола на транспозоните, т.е. ДНК участъците, които могат да се движат в генома, както и в обмена на генетичен материал в хромозомите.

Епигенетичните механизми участват в геномния импринтинг (отпечатване) - процес, при който се осъществява експресията на определени гени в зависимост от това от кой родител идват алелите. Импринтирането се осъществява чрез процеса на метилиране на ДНК в промотори, в резултат на което се блокира генната транскрипция.

Епигенетичните механизми осигуряват стартирането на процеси в хроматина чрез модификации на хистони и метилиране на ДНК. През последните две десетилетия идеите за механизмите на регулиране на еукариотната транскрипция се промениха значително. Класическият модел предполага, че нивото на експресия се определя от транскрипционни фактори, които се свързват с регулаторните области на гена, които инициират синтеза на информационна РНК. На хистоните и нехистоновите протеини е определена ролята на пасивна опаковъчна структура, за да се осигури компактно опаковане на ДНК в ядрото.

Последващите проучвания показват ролята на хистоните в регулирането на транслацията. Открит е така нареченият хистонов код, т.е. модификация на хистони, която не е еднаква в различните области на генома. Променените хистонови кодове могат да доведат до активиране и потискане на гени.

Различни части от структурата на генома претърпяват модификации. Метилови, ацетилови, фосфатни групи и по-големи протеинови молекули могат да бъдат прикрепени към крайните остатъци.

Всички модификации са обратими и за всяка има ензими, които я инсталират или премахват.

ДНК метилиране

При бозайници метилирането на ДНК (епигенетичен механизъм) е изследвано преди други. Доказано е, че корелира с генната репресия. Експерименталните данни показват, че метилирането на ДНК е защитен механизъм, който потиска значителна част от генома с чуждо естество (вируси и др.).

Метилирането на ДНК в клетка контролира всички генетични процеси: репликация, възстановяване, рекомбинация, транскрипция, инактивиране на Х хромозомата. Метиловите групи нарушават взаимодействието ДНК-протеин, предотвратявайки свързването на транскрипционните фактори. ДНК метилирането засяга структурата на хроматина, блокира транскрипционните репресори.

Наистина, повишаването на нивото на метилиране на ДНК корелира с относителното увеличение на съдържанието на некодираща и повтаряща се ДНК в геномите на висшите еукариоти. Експерименталните данни показват, че това е така, защото метилирането на ДНК служи предимно като защитен механизъм за потискане на голяма част от генома с чужд произход (репликирани преходни процеси, вирусни последователности, други повтарящи се последователности).

Профилът на метилиране - активиране или инхибиране - варира в зависимост от факторите на околната среда. Ефектът на метилирането на ДНК върху структурата на хроматина е голямо значениеза развитието и функционирането на здрав организъм, за да се потисне значителна част от генома с чужд произход, т.е. репликирани преходни елементи, вирусни и други повтарящи се последователности.

Метилирането на ДНК става чрез обратима химична реакция на азотната основа - цитозин, в резултат на което метиловата група СН3 се свързва с въглерода, за да образува метилцитозин. Този процес се катализира от ензими ДНК метилтрансфераза. Метилирането на цитозин изисква гуанин, което води до два нуклеотида, разделени от фосфат (CpG).

Натрупването на неактивни CpG последователности се нарича CpG острови. Последните са представени неравномерно в генома. Повечето от тях се намират в генни промотори. Метилирането на ДНК се случва в генни промотори, в транскрибирани региони, а също и в междугенни пространства.

Хиперметилираните острови причиняват инактивиране на ген, което нарушава взаимодействието на регулаторните протеини с промоторите.

Метилирането на ДНК има огромно влияние върху генната експресия и в крайна сметка върху функцията на клетките, тъканите и организма като цяло. Установена е пряка връзка между високо нивоМетилирането на ДНК и броят на репресираните гени.

Отстраняването на метиловите групи от ДНК в резултат на отсъствието на метилазна активност (пасивно деметилиране) става след репликация на ДНК. При активно деметилиране се включва ензимна система, която превръща 5-метилцитозин в цитозин, независимо от репликацията. Профилът на метилиране се променя в зависимост от факторите на средата, в която се намира клетката.

Загубата на способността за поддържане на ДНК метилиране може да доведе до имунна недостатъчност, рак и други заболявания.

Дълго време механизмът и ензимите, участващи в процеса на активно деметилиране на ДНК, остават неизвестни.

Ацетилиране на хистони

Има голям брой посттранслационни хистонови модификации, които образуват хроматин. През 60-те години на миналия век Винсънт Алфри идентифицира ацетилирането и фосфорилирането на хистони от много еукариоти.

Ензимите за ацетилиране и деацетилиране на хистони (ацетилтрансферази) играят роля в хода на транскрипцията. Тези ензими катализират ацетилирането на локалните хистони. Хистоновите деацетилази потискат транскрипцията.

Ефектът от ацетилирането е отслабването на връзката между ДНК и хистоните поради промяна в заряда, в резултат на което хроматинът става достъпен за транскрипционни фактори.

Ацетилирането е добавянето на химическа ацетилова група (аминокиселина лизин) към свободен хистонов сайт. Подобно на метилирането на ДНК, ацетилирането на лизин е епигенетичен механизъм за промяна на генната експресия, без да се засяга оригиналната генна последователност. Шаблонът, чрез който се извършват модификации на ядрените протеини, се нарича хистонов код.

Хистоновите модификации са фундаментално различни от метилирането на ДНК. ДНК метилирането е много стабилна епигенетична интервенция, която е по-вероятно да бъде фиксирана в повечето случаи.

По-голямата част от хистоновите модификации са по-променливи. Те засягат регулирането на генната експресия, поддържането на структурата на хроматина, клетъчната диференциация, карциногенезата, развитието на генетични заболявания, стареенето, възстановяването на ДНК, репликацията и транслацията. Ако хистоновите модификации са полезни за клетката, тогава те могат да продължат доста дълго време.

Един от механизмите на взаимодействие между цитоплазмата и ядрото е фосфорилирането и/или дефосфорилирането на транскрипционните фактори. Хистоните са сред първите фосфорилирани протеини. Това се извършва от протеин кинази.

Фосфорилираните транскрипционни фактори контролират гени, включително гени, които регулират клетъчната пролиферация. При такива модификации настъпват структурни промени в молекулите на хромозомните протеини, което води до функционални промени в хроматина.

В допълнение към пост-транслационните модификации на хистоните, описани по-горе, има по-големи протеини като убиквитин, SUMO и т.н., които могат да се прикрепят чрез ковалентна връзка към страничните аминогрупи на целевия протеин, засягайки тяхната активност.

Епигенетичните промени могат да бъдат наследени (трансгенеративно епигенетично наследяване). Но за разлика от генетичната информация, епигенетичните промени могат да се възпроизведат в 3-4 поколения и при липса на фактор, който да стимулира тези промени, те изчезват. Трансферът на епигенетична информация се осъществява в процеса на мейоза (разделяне на клетъчното ядро ​​с намаляване на броя на хромозомите наполовина) или митоза (клетъчно делене).

Хистоновите модификации играят основна роля в нормалните процеси и заболявания.

Регулаторни РНК

РНК молекулите изпълняват много функции в клетката. Един от тях е регулирането на генната експресия. Регулаторните РНК, отговорни за тази функция, включват антисенс РНК (aRNA), микроРНК (miRNA) и малки интерфериращи РНК (siRNA).

Механизмът на действие на различните регулаторни РНК е подобен и се състои в потискане на генната експресия, което се осъществява чрез комплементарно прикрепване на регулаторна РНК към иРНК, с образуването на двойноверижна молекула (dsRNA). Само по себе си образуването на dsRNA води до прекъсване на свързването на mRNA към рибозомата или други регулаторни фактори, потискайки транслацията. Също така, след образуването на дуплекс, е възможно проявата на феномена на РНК интерференция - ензимът Dicer, след като е намерил двойноверижна РНК в клетката, я „нарязва“ на фрагменти. Една от веригите на такъв фрагмент (siRNA) е свързана от протеиновия комплекс RISC (RNA-induced silencing complex).

В резултат на RISC активността, едноверижен РНК фрагмент се свързва с комплементарна последователност на иРНК молекула и кара иРНК да бъде разрязана от протеин от семейството Argonaute. Тези събития водят до потискане на експресията на съответния ген.

Физиологичните функции на регулаторните РНК са разнообразни - те действат като основни непротеинови регулатори на онтогенезата и допълват "класическата" схема на генна регулация.

Геномно отпечатване

Човек има две копия на всеки ген, едното от които е наследено от майката, другото от бащата. И двете копия на всеки ген имат способността да бъдат активни във всяка клетка. Геномният импринтинг е епигенетично селективна експресия само на един от алелните гени, наследени от родителите. Геномното отпечатване засяга както мъжкото, така и женското потомство. По този начин, отпечатан ген, активен върху майчината хромозома, ще бъде активен върху майчината хромозома и ще "безшумен" върху бащината хромозома при всички мъжки и женски деца. Геномно отпечатаните гени кодират главно фактори, които регулират ембрионалния и неонаталния растеж.

Отпечатване на подаръци сложна системакоето може да се счупи. Имринтинг се наблюдава при много пациенти с хромозомни делеции (загуба на част от хромозомите). Известни са заболявания, които възникват при хората поради неправилно функциониране на механизма за отпечатване.

приони

През последното десетилетие вниманието беше привлечено от прионите, протеини, които могат да причинят наследствени фенотипни промени, без да променят нуклеотидната последователност на ДНК. При бозайниците прионният протеин се намира на повърхността на клетките. При определени условия нормалната форма на прионите може да се промени, което модулира активността на този протеин.

Wikner изрази убеждението си, че този клас протеини е един от многото, които представляват нова група епигенетични механизми, изискващи по-нататъшно проучване. Може да бъде в нормално състояние, а в променено състояние прионните протеини могат да се разпространят, тоест да станат инфекциозни.

Първоначално прионите са били открити като инфекциозни агенти от нов тип, но сега те се считат за общ биологичен феномен и са носители на нов тип информация, съхранявана в протеинова конформация. Феноменът на прион е в основата на епигенетичното наследяване и регулирането на генната експресия на пост-транслационно ниво.

Епигенетиката в практическата медицина

Епигенетичните модификации контролират всички етапи от развитието и функционалната активност на клетките. Нарушаването на механизмите на епигенетичната регулация е пряко или косвено свързано с много заболявания.

Болестите с епигенетична етиология включват импринтингови заболявания, които от своя страна се делят на генни и хромозомни, като в момента има общо 24 нозологии.

При заболявания на генно отпечатване се наблюдава моноалелна експресия в локусите на хромозомите на един от родителите. Причината са точкови мутации в гени, които се експресират различно в зависимост от майчиния и бащиния произход и водят до специфично метилиране на цитозиновите бази в молекулата на ДНК. Те включват: синдром на Prader-Willi (делеция в бащината хромозома 15) - проявява се с краниофациален дисморфизъм, нисък ръст, затлъстяване, мускулна хипотония, хипогонадизъм, хипопигментация и умствена изостаналост; Синдром на Angelman (заличаване на критичен регион, разположен в 15-та майчина хромозома), основните характеристики на който са микробрахицефалия, уголемена долна челюст, изпъкнал език, макростомия, редки зъби, хипопигментация; Синдром на Beckwith-Wiedemann (нарушение на метилирането в късото рамо на 11-та хромозома), проявяващо се от класическата триада, включително макрозомия, макроглосия омфалоцеле и др.

Сред най-важните фактори, влияещи върху епигенома, са храненето, физическата активност, токсините, вирусите, йонизиращата радиация и др. Особено чувствителен период към промени в епигенома е пренаталния период (особено обхващащ два месеца след зачеването) и първите три месеца след зачеването. раждане. По време на ранната ембриогенеза геномът премахва повечето от епигенетичните модификации, получени от предишни поколения. Но процесът на препрограмиране продължава през целия живот.

Някои видове тумори, захарен диабет, затлъстяване, бронхиална астма, различни дегенеративни и други заболявания могат да бъдат отнесени към заболявания, при които нарушението на генната регулация е част от патогенезата.

Епигонът при рак се характеризира с глобални промени в метилирането на ДНК, модификацията на хистони, както и промените в профила на експресия на модифициращите хроматин ензими.

Туморните процеси се характеризират с инактивиране чрез хиперметилиране на ключови супресорни гени и чрез хипометилиране чрез активиране на редица онкогени, растежни фактори (IGF2, TGF) и мобилни повтарящи се елементи, разположени в региони на хетерохроматин.

По този начин, в 19% от случаите на хипернефроидни тумори на бъбреците, CpG островната ДНК е била хиперметилирана, а при рак на гърдата и недребноклетъчен белодробен карцином е открита връзка между нивата на ацетилиране на хистони и експресията на туморния супресор - колкото по-ниски са нивата на ацетилиране, толкова по-слаба е генната експресия.

Понастоящем вече са разработени и въведени в практиката противотуморни лекарства, базирани на потискане на активността на ДНК метилтрансферазите, което води до намаляване на метилирането на ДНК, активиране на гени за потискане на туморния растеж и забавяне на пролиферацията на туморни клетки. Така че, за лечение на миелодиспластичен синдром в комплексната терапия се използват лекарства децитабин (децитабин) и азацитидин (азацитидин). От 2015 г. за лечение на мултиплен миелом в комбинация с класическа химиотерапия се използва панобиностат (Panibinostat), който е инхибитор на хистон деацетилазата. Тези лекарства, според клинични проучвания, имат подчертан положителен ефект върху преживяемостта и качеството на живот на пациентите.

Промени в експресията на определени гени могат да възникнат и в резултат на действието на факторите на околната среда върху клетката. В развитието на захарен диабет тип 2 и затлъстяването роля играе т. нар. „хипотеза за пестелив фенотип“, според която липсата на хранителни вещества в процеса на ембрионалното развитие води до развитие на патологичен фенотип. В животински модели е идентифициран ДНК регион (Pdx1 локус), в който под влияние на недохранване нивото на ацетилиране на хистони намалява, докато има забавяне на деленето и нарушена диференциация на В-клетките на островите на Лангерханс и развитието на състояние, подобно на захарен диабет тип 2.

Активно се развиват и диагностичните възможности на епигенетиката. Появяват се нови технологии, които могат да анализират епигенетични промени (ниво на метилиране на ДНК, експресия на miRNA, пост-транслационни хистонови модификации и т.н.), като хроматинова имунопреципитация (CHIP), поточна цитометрия и лазерно сканиране, което предполага, че биомаркерите ще бъдат идентифицирани в близко бъдеще за изследване на невродегенеративни заболявания, редки, мултифакторни заболявания и злокачествени новообразувания и въведени като методи за лабораторна диагностика.

Така че в момента епигенетиката се развива бързо. Свързва се с прогреса в биологията и медицината.

Литература

1. Езкурдия И., Хуан Д., Родригес Х. М. et al. Множество доказателства предполагат, че може да има само 19 000 гена, кодиращи човешки протеин // Човешка молекулярна генетика. 2014, 23 (22): 5866-5878.
2. Международен консорциум за секвениране на човешки геном. Първоначално секвениране и анализ на човешкия геном // Nature. Февруари 2001 г 409 (6822): 860-921.
3. Суан Д., Хан К., Ту К. et al. Епигенетична модулация при пародонтит: Взаимодействие на адипонектин и оста JMJD3-IRF4 в макрофагите // Journal of Cellular Physiology. май 2016 г 231 (5): 1090-1096.
4. Waddington C.H. Epigenotpye // Endeavour. 1942 г.; 18-20.
5. Бочков Н.П.Клинична генетика. М.: Геотар.Мед, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C.D.Превеждане на хистоновия код // Science. 2001, 10 август; 293 (5532): 1074-1080.
7. Коваленко Т. Ф.Метилиране на генома на бозайници // Молекулярна медицина. 2010. № 6. С. 21-29.
8. Алис Д., Дженувейн Т., Рейнберг Д.Епигенетика. М.: Техносфера, 2010.
9. Тейлър П.Д., Постън Л.Програмиране на развитието на затлъстяването при бозайници // Експериментална физиология. 2006. № 92. С. 287-298.
10. Люин б.Гени. М.: БИНОМ, 2012.
11. Plasschaert R. N., Bartolomei M. S.Геномно отпечатване в развитието, растежа, поведението и стволовите клетки // Развитие. май 2014 г 141 (9): 1805-1813.
12. Wickner R. B., Edskes H. K., Ross E. D. et al. Прионна генетика: нови правила за нов вид ген // Annu Rev Genet. 2004 г.; 38:681-707.
13. Мутовин Г. Р.Клинична генетика. Геномика и протеомика на наследствената патология: учебник. надбавка. 3-то издание, преработено. и допълнителни 2010 г.
14. Романцова Т. И.Епидемия от затлъстяване: очевидни и вероятни причини // Затлъстяване и метаболизъм. 2011, № 1, стр. 1-15.
15. Бегин П., Надо К. С.Епигенетична регулация на астма и алергични заболявания // Allergy Asthma Clin Immunol. 28 май 2014 г.; 10(1):27.
16. Martínez JA, Milagro F. I., Claycombe K. J., Schalinske K. L.Епигенетика в мастната тъкан, затлъстяване, загуба на тегло и диабет // Напредък в храненето. 2014, 1 януари; 5 (1): 71-81.
17. Доусън М.А., Кузаридес Т.Епигенетика на рака: от механизма до терапията // Cell. 2012, 6 юли; 150 (1): 12-27.
18. Каминскас Е., Фарел А., Ейбрахам С., Беърд А.Резюме на одобрението: азацитидин за лечение на подтипове на миелодиспластичен синдром // Clin Cancer Res. 2005, 15 май; 11(10): 3604-3608.
19. Laubach J.P., Moreau P., San-Miguel J..F, Richardson P.G.Панобиностат за лечение на множествена миелома // Clin Cancer Res. 2015, 1 ноември; 21(21): 4767-4773.
20. Bramswig N.C., Kaestner K.H.Епигенетика и лечение на диабет: нереализирано обещание? // Тенденции Endocrinol Metab. юни 2012 г 23(6):286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C.M., Ozanne S.E., Constância M.Епигенетично програмиране на развитието и околната среда на ендокринния панкреас: последствия за диабет тип 2 // Cell Mol Life Sci. 2013, май; 70(9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X. et al. Поточни цитометрични и лазерно сканиращи микроскопски подходи в епигенетичните изследвания // Методи Mol Biol. 2009 г.; 567:99-111.

В. В. Смирнов 1 лекар медицински науки, професор
Г. Е. Леонов

FGBOU VO RNIMU им. Н. И. Пирогов Министерство на здравеопазването на Руската федерация,Москва