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

Соевый соус: со вкусом умами и кокуми Соевый соус: со вкусом умами и кокуми

История соевого соуса и его множественных вариаций

Наука и жизнь
Важная телеграмма Важная телеграмма

Станет ли арест Павла Дурова концом глобального свободного интернета?

Монокль
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
«Человек с камерой»: шесть женских автобиографических документальных фильмов «Человек с камерой»: шесть женских автобиографических документальных фильмов

6 примеров «автофикшена» в кино

Forbes
Как в городской квартире вырастить табак Как в городской квартире вырастить табак

Помидоры — вчерашний день. Сегодня лучше всего выращивать табак!

Maxim
Золотые фотографии Золотые фотографии

В 1880 году Русское географическое общество получило уникальный дар...

Вокруг света
Юбилеи круглые и не очень Юбилеи круглые и не очень

Кубик, змейка, шар, сварка в космосе и другие июльские события разных лет

Знание – сила
История щербета: вы всю жизнь произносили это слово неправильно. Даже производители десерта пишут его с ошибкой История щербета: вы всю жизнь произносили это слово неправильно. Даже производители десерта пишут его с ошибкой

Что значит слово «щербет»?

ТехИнсайдер
«Иерусалим земной и подземный» «Иерусалим земной и подземный»

Как были устроены первые археологические исследования в городе?

N+1
Засуха напомнила о сберегающих технологиях Засуха напомнила о сберегающих технологиях

Как проходит внедрение новаторского метода посева без вспашки поля

Монокль
Иконография детства Иконография детства

Таня Рауш: по ту сторону фотографии

Weekend
Грозит ли насекомым вымирание? Грозит ли насекомым вымирание?

С насекомыми в Европе не всё благополучно, и вот почему

Наука и жизнь
Анна Горбунова: «Счастье – это я» Анна Горбунова: «Счастье – это я»

Когда стоит идти к психологу и как найти своего специалиста

Лиза
Петербург будущего Петербург будущего

Александр Бережненко и его команда ответственны за перезапуск и ревайвл Коломны

Собака.ru
«Насилия в мире все меньше»: как Стивен Пинкер стал главным оптимистом современности «Насилия в мире все меньше»: как Стивен Пинкер стал главным оптимистом современности

Стивен Пинкер: чему можно поучиться у этого необычного мыслителя-оптимиста?

Psychologies
«Пингвин» с Колином Фарреллом: амбициозная история об еще одном противнике Бэтмена «Пингвин» с Колином Фарреллом: амбициозная история об еще одном противнике Бэтмена

О судьбе антигероя Пингвина в комиксах и на экране

Forbes
На приеме у психолога Аристокла: проблемы человека XXI века глазами древних греков На приеме у психолога Аристокла: проблемы человека XXI века глазами древних греков

Историо-Терапия: можно ли в прошлом найти ответы на непростые вопросы?

Psychologies
Современные ценности Современные ценности

Что сейчас модно, актуально и сколько все это стоит?

СНОБ
Иногда банан — это не просто банан: пятиминутный путеводитель по этим фруктам в искусстве Иногда банан — это не просто банан: пятиминутный путеводитель по этим фруктам в искусстве

Банан: как в разные времена художники к нему обращались?

Правила жизни
От соблазнительницы до убийцы: 7 роковых женщин из кино, которые не боятся разрушать жизни От соблазнительницы до убийцы: 7 роковых женщин из кино, которые не боятся разрушать жизни

Собрали в подборку семь роковых леди кинематографа, способных на многое

Maxim
У шмелей вызвали ложные воспоминания У шмелей вызвали ложные воспоминания

Шотландская ученая заставила шмелей сформировать ложные воспоминания

N+1
Наука, способная предсказывать: как математика помогает бороться с глобальным потеплением Наука, способная предсказывать: как математика помогает бороться с глобальным потеплением

Какую фундаментальную роль математика играет для технологического прогресса?

Inc.
Не плохой парень Не плохой парень

Интервью актера Андрея Максимова — о критике и ролях «по вкусу».

СНОБ
50 фактов об аистах: зачем они испражняются на свои ноги и почему эти птицы — суровые родители? 50 фактов об аистах: зачем они испражняются на свои ноги и почему эти птицы — суровые родители?

Борьба самок за самцов, сон стоя, доверчивость и другие факты об аистах

ТехИнсайдер
Что такое Германская Новая Медицина и чем она опасна: объяснение врача Что такое Германская Новая Медицина и чем она опасна: объяснение врача

Германская Новая Медицина — метод лечения, считающийся шарлатанством

Psychologies
7 странных, но работающих способов найти себе пару 7 странных, но работающих способов найти себе пару

Подумать только, когда-то мы считали, что онлайн-знакомства — это странно!

VOICE
Ржавое золото Ржавое золото

Автомобильные реликвии, которые обнаруживают слишком поздно

Men Today
Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки

Зачем мужчинам своя косметика, неужели у них другая кожа?

Maxim
Что случилось у червей: маленькая загадка большой эволюции Что случилось у червей: маленькая загадка большой эволюции

Почему кольчатые черви — одна из самых успешных на планете групп организмов

СНОБ
Тайны еды: исследования на тему питания Тайны еды: исследования на тему питания

Как узнать, что голоден, если нет мозгов? Как комар находит свою жертву?

СНОБ
Открыть в приложении