Что такое генная экспрессия
Что такое генная экспрессия
Экспрессия генов
Эти продукты часто являются белками, но в генах, не кодирующих белки (интроны), таких как гены-переносчики РНК (тРНК) или малые ядерные РНК продукт представляет собой функциональную РНК.
Экспрессия гена управляет такими процессами, как транскрипция, сплайсинг РНК, трансляция и посттрансляционная модификация белка.
Регуляция генов дает клеткам контроль над структурой и функцией, и является основой для клеточной дифференцировки, морфогенеза и универсальности и адаптивности любого организма. Регуляция генов может также служить субстратом для эволюционных изменений, поскольку контроль времени, места и количества экспрессии генов может оказывают глубокое влияние на функции (действия) гена в клетке или в многоклеточном организме.
В генетике экспрессия генов является наиболее фундаментальным уровнем, на котором генотип порождает фенотип, то есть наблюдаемый признак. Генетический код, хранящийся в ДНК, «интерпретируется» экспрессией генов, а свойства экспрессии отображаются в виде признаков. Такие фенотипы часто выражаются синтезом белков, которые контролируют форму живой структуры, или которые действуют как ферменты, катализирующие специфические метаболические пути, характеризующие организм в целом.
Таким образом, регуляция экспрессии генов имеет решающее значение для развития живых существ.
Что такое генная экспрессия
Для генов, кодирующих белки, движение информации от гена до полипептида включает несколько шагов. Инициация транскрипции гена происходит под влиянием промоторов и других управляющих элементов, а также специфических белков, известных как факторы транскрипции, взаимодействующих с определенными последовательностями в пределах управляющих областей гена и определяющих пространственную и временную схему экспрессии гена. Транскрипция гена начинается со «стартовой» точки в хромосомной ДНК в начале 5′-транскрибируемой, но не транслируемой области.
Процесс транскрипции идет непрерывно по ходу кодирующей последовательности вдоль хромосомы, проходя от нескольких сотен пар оснований до более миллиона пар, захватывая как интроны, так и экзоны, и завершаясь на конце кодирующей последовательности. После модификации обоих 5′ и З’-концов первичной копии РНК части, соответствующие нитронам, удаляются, а сегменты, соответствующие экзонам, сращиваются вместе.
После сплайсинга (сращивания) РНК результирующая мРНК (содержащая центральный сегмент, соответствующий кодирующей части гена), перемещается из ядра в цитоплазму клетки, где мРНК транслируется в аминокислотную последовательность закодированного полипептида. Каждая составляющая этого сложного пути подвержена ошибкам и мутациям, которые создают помехи и вызывают множество наследственных заболеваний.
Транскрипция
Транскрипция белок-кодирующего гена РНК-полимеразой-II (одна из нескольких классов РНК-полимераз) начинается в стартовом сайте транскрипции, в точке 5′-нетранслируемой области, соответствующей 5′-концу конечной РНК. Синтез первичной копии РНК идет по направлению от 5′ к З’-концу, поскольку нить считываемого гена, который служит шаблоном для синтеза РНК, действительно считывается в направлении от 3′ к 5′-концу в соответствии с направлением фосфатных связей дезоксирибозы.
Поскольку синтезированная РНК соответствует расположению и последовательности нуклеотидов (с заменой урацила на тимин) 5′-3′-нити ДНК, такую нить ДНК часто называют кодирующей или комплементарной ДНК (кДНК). 3′-5′-нить ДНК носит название некодирующей или антисмысловой. Транскрипция осуществляется как для интронных, так и для экзонных частей гена, до позиции в хромосоме, которая записывается на 3′-конец зрелой мРНК. Неизвестно, заканчивается ли транскрипция в определенной точке терминации на 3′-конце.
Затем в области 5′-конца первичной копии РНК происходит кэпирование, а в специфической точке 3′-конца — расщепление. Расщепление заканчивается присоединением к 3′-концевым звеньям множества остатков аденозина — поли-(А), что увеличивает стабильность полученной РНК. Позиция точки полиаденилирования частично определяется последовательностью AAUAAA (или вариантами этой последовательности), обычно обнаруживаемой в 3′-нетранслируемой части копии РНК. Описанные посттрансляционные модификации, как и процесс сплайсинга РНК, происходят в ядре.
Полностью обработанная РНК, теперь называющаяся мРНК, перемещается в цитоплазму, где происходит трансляция.
Трансляция и генетический код
В цитоплазме мРНК транслируется в белок под действием молекул тРНК, специфичной для каждой конкретной аминокислоты. Эти замечательные молекулы, каждая всего от 70 до 100 нуклеотидов длиной, добавляют к растущей полипептидной цепи определенную аминокислоту в соответствии с шаблоном мРНК. Белковый синтез происходит в рибосомах, макромолекулярных комплексах, состоящих из рРНК (кодируемой генами 18S и 28S) и нескольких десятков рибосомальных белков.
Ключ трансляции — код, который связывает специфическую аминокислоту с комбинацией из трех смежных оснований на мРНК. Каждое сочетание трех оснований составляет кодон, специфичный для конкретной аминокислоты. В теории существует почти бесконечное множество вариантов размещения оснований вдоль полинуклеотидной цепи. В каждом положении может быть один из четырех нуклеотидов (А, Т, С или G); таким образом, для трех оснований есть 43 или 64 возможные комбинации триплетов. Эти 64 кодона и составляют генетический код.
Поскольку на 20 аминокислот приходится 64 возможных кодона, некоторые аминокислоты определяются более чем одним кодоном; поэтому генетический код называют вырожденным. Например, основание в третьей позиции триплета часто может быть или пуриновым (А или G), или пиримидиновым (Т или С), а в некоторых случаях любое из четырех оснований не изменяет смысл сообщения. Лейцин и аргинин определяются сразу шестью кодонами. Только метионин и триптофан кодируются единственным, уникальным триплетом. Три кодона называются стоп-кодонами (или нонсенс-кодонами), поскольку они определяют завершение трансляции мРНК.
Трансляция зрелой мРНК всегда начинается с кодона, определяющего метионин. Следовательно, метионин — всегда первая аминокислота каждой полипептидной цепи, хотя обычно он удаляется до завершения синтеза белка. Кодон метионина (или кодон-инициатор, AUG) устанавливает рамку считывания мРНК; каждый последующий кодон считывается поочередно, указывая аминокислотную последовательность белка.
Молекулярные связи между кодонами и аминокислотами обеспечивают специфические молекулы тРНК. Конкретный участок (сайт) на каждой тРНК формирует антикодон из трех оснований, комплементарный (дополнительный) к специфическому кодону на мРНК. Соединение между кодоном и антикодоном приводит соответствующую аминокислоту на следующую позицию в рибосоме для присоединения с образованием пептидной связи к карбоксильному концу растущей полипептидной цепи. Рибосома затем скользит вдоль мРНК точно на три основания, захватывая следующий кодон для опознавания другой тРНК со следующей аминокислотой.
Таким образом, белки синтезируются, начиная от аминогруппы к карбоксильной группе, что соответствует трансляции мРНК в направлении от 5′-конца к 3′-концу.
Как упоминалось ранее, трансляция заканчивается, когда в той же рамке считывания, что и кодон-инициатор, встречается стоп-кодон (UGA, UAA или UAG). Стоп-кодоны в любой из других неиспользованных рамок считывания не читаются и, следовательно, не оказывают эффекта на трансляцию. Завершенный полипептид отделяется от рибосомы, и она становится доступной для начала синтеза другого белка.
Множество белков проходят существенную посттрансляционную модификацию. Полипептидная цепь, первичный продукт трансляции, скручивается и складывается в специфическую трехмерную структуру, определяемую аминокислотной последовательностью цепи.
Две и более полипептидные цепи, продукты одного или различных генов, могут объединяться, формируя один готовый белковый комплекс. Например, две цепи b-глобина и две цепи а-глобина нековалентно объединяются, формируя тетрамер молекулы гемоглобина. Белковые продукты также могут быть модифицированы химически, например добавлением в специфических местах метильных или фосфатных групп или углеводов.
Такие модификации могут иметь значимое влияние на функцию или количество модифицированного белка. Другие модификации могут включать расщепление белка с потерей специфических аминокислотных последовательностей после того, как они выполнили свою функцию, направив белок в правильную позицию в пределах клетки (например, белки, которые функционируют в пределах ядра или митохондрий) или разделение белковых молекул на меньшие полипептидные цепи.
Например, две цепи, формирующие готовый инсулин, содержащие одна 21, а вторая 30 аминокислот, первоначально представляют собой части проинсулина — первичного продукта трансляции из 82 аминокислот.
Транскрипция митохондриального генома
В предшествующих разделах описаны основы экспрессии генов, содержащихся в ядерном геноме. Митохондриальный геном имеет отличающуюся систему транскрипции и белкового синтеза. Для транскрипции митохондриального генома используется специализированная РНК-полимераза, закодированная в ядерном геноме, содержащая две взаимосвязанные последовательности промотора, для каждой нити кольцевой митохондриальной хромосомы. Каждая нить транскрибируется полностью, а полученные копии затем обрабатываются, порождая различные митохондриальные мРНК, тРНК и рРНК.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Экспрессия генов
Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.
Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме.
Содержание
Транскрипция и трансляция
У прокариот и эукариот гены представляют собой последовательности нуклеотидов ДНК. На матрице ДНК происходит транскрипция — синтез комплементарной РНК. Далее на матрице мРНК происходит трансляция — синтезируются белки. Существуют гены, кодирующие нематричную РНК (например, рРНК, тРНК, малые РНК), которые экспрессируются (транскрибируются), но не транслируются в белки.
Регуляция
Компактизация ДНК
Привлечение факторов транскрипции
Регуляция после транскрипции
МикроРНК могут иметь большую или меньшую специфичность благодаря большей или меньшей доле комплементарных своей мишени азотистых оснований. Низкая специфичность позволяет одной микроРНК подавлять экспрессию сотен разных генов. [1]
Моноаллельная экспрессия генов
Моноаллельная экспрессия у эукариот характерна:
См. также
Примечания
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Экспрессия генов» в других словарях:
экспрессия генов — Преобразование информации, заложенной в ДНК в белок [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN gene expression … Справочник технического переводчика
Экспрессия генов — (от лат. expressio выражение) сложный молекулярный процесс в результате которого информация содержащаяся в ДНК (или РНК) молекуле преобразуется в вещество (белок, фермент) … Физическая Антропология. Иллюстрированный толковый словарь.
Клеточно-специфическая экспрессия генов — * клетачна спецыфічная экспрэсія генаў * cell specific gene expression экспрессия только определенной части генома в определенных клетках и в определенное время, которая происходит под контролем транскрипционных факторов, включающих и выключающих … Генетика. Энциклопедический словарь
генов поток — * генаў паток * gene flow обмен генами между разными популяциями одного и того же вида за счет мигрантов, что приводит к временному изменению частоты генов многих локусов в общем пуле генов (см. ) популяции реципиента (см. ). Генов распределение… … Генетика. Энциклопедический словарь
Экспрессия гена — Экспрессия генов это процесс, в котором наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время… … Википедия
Экспрессия — Экспрессия (лат. expressio выражение): В Викисловаре есть статья «экспрессия … Википедия
Экспрессия белков — * экспрэсія бялкоў * protein expression синтез белков в клетке под контролем соответствующих генов. При вставке рекомбинантного гена в клетку хозяина экспрессируют нужный исследователю белок. Многие методики и технологии базируются на Э. б., при… … Генетика. Энциклопедический словарь
ЭКСПРЕССИЯ ГЕНА — программируемый геномом процесс биосинтеза белков и(или) РНК. При синтезе белков Э. г. включает транскрипцию синтез РНК с участием фермента РНК полимеразы; трансляцию синтез белка на матричной рибонуклеиновой кислоте, осуществляемый в рибосомах,… … Химическая энциклопедия
геномная библиотека банк генов — геномная библиотека, банк генов * геномная бібліятэка, банк генаў * genomic library or gene bank набор клонированных фрагментов ДНК, представляющих индивидуальный (групповой, видовой) геном. У млекопитающих (в т. ч. человека) геномы крупные,… … Генетика. Энциклопедический словарь
Импринтинг генов — Геномный импринтинг это эпигенетический процесс, при котором экспрессия определенных генов осуществляется в зависимости от того, от какого родителя поступил аллель гена. Это ненаследуемый процесс, который не подчиняется наследованию по Менделю.… … Википедия
Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки
Кадр из видео «Мир эпигенетики», иллюстрированного пятиминутного рассказа «как будто для детей» об эпигеноме как источнике изменчивости
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Что представляет собой эпигеном, какова его роль в жизни клетки и чем он выступает по отношению к геному? Второстепенным дополнением, неким приложением или же загадочной, малоизученной системой, управляющей генетическими процессами? В последние годы наука находит всё новые определения этому термину. Предрасположенность к наследственным болезням, генетическая стабильность, адаптация, реакция на стрессовые факторы, темпы развития и старения клеток — во всём этом задействована «структура» под названием эпигеном. Изучение эпигенетических закономерностей открывает для биологии двери в лабиринты познания, где можно найти ответы на многие неразрешимые вопросы современной науки.
Конкурс «био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Младшая сестра генетики
Чтобы понять, что такое эпигеном и эпигенетика, сначала нужно прояснить, что такое геном и генетика. Геном — это совокупность генов того или иного организма. Генетика — наука, изучающая механизмы реализации генетической информации и передачи генов потомству. Соответственно, эпигеном — совокупность специфических меток, определяющих активность генов, но не затрагивающих первичную структуру ДНК. Эпигеном (приставка «эпи-» в переводе с греческого означает «над») представляет собой своеобразный регуляторный слой, расположенный как бы «над» геномом клетки. Условно говоря, эпигеном раздает команды, какие гены должны работать (экспрессироваться), а какие — отдыхать (или «молчать», то есть находиться в состоянии сайленсинга). Эпигенетика — научное направление, изучающее эпигенетические модификации генома, пути реализации состояний генов, их передачу в клеточных генерациях и механизмы регуляции наследственной информации (без изменения нуклеотидной последовательности) в ответ на действие внешних факторов [1].
Со времени первых открытий в области генетики и до недавних пор в науке прочно укоренилось представление о том, что структура ДНК — это единственный носитель наследственной информации. Благодаря крупномасштабным расшифровкам геномов, в том числе человеческого [2], была раскрыта природа гена и мутаций — нарушений генетической записи, — поняты принципы организации ДНК, изучены последовательности нуклеотидов, обусловливающие наследственные патологии. Было установлено, что генетическая информация человека хранится в 23 парах хромосом, содержащих 20–25 тысяч генов (оказалось, что точно определить их количество тоже не очень-то просто [3]), или три миллиарда пар нуклеотидов, несущих азотистые основания преимущественно четырех типов: аденин, тимин, гуанин, цитозин (сокращенно — А, Т, Г, Ц). Однако роль внешних факторов в механизмах реализации генетической информации была сведена к минимуму. Проще говоря, ученые считали: что записано в генόм, того не вырубишь топором [4].
Действительно, ДНК — это основа основ большинства жизненных форм. В ее структуре записано всё о живом организме, начиная с его видовых характеристик, морфологических параметров, предрасположенностей к болезням, заканчивая типом высшей нервной деятельности, поведенческими особенностями и наклонностями. Но было бы неправильно воспринимать геном как некий фатум, которым заранее предопределена жизнь индивида. Не всем генетическим «предсказаниям» суждено сбыться: некоторые из них еще не раз будут переписаны в течение онтогенеза (индивидуального развития организма).
Со временем ученые пришли к выводу, что активность многих генов непостоянна: они включаются (экспрессируются) и выключаются (репрессируются) в зависимости от воздействия внешних факторов. Это изменение активности генов, не затрагивающее первичную структуру ДНК, но влияющее на проявление тех или иных свойств и признаков, и составило предмет изучения эпигенетики.
Эпигенетика — сравнительно молодое направление науки. Впервые этот термин в 1942 году употребил английский ученый Конрад Уоддингтон. Изучая ряд закономерностей, научное сообщество пришло к выводу, что функции живого организма не обусловлены одной только закодированной в генах информацией, а во многом служат ответом на сигналы из окружающей среды. То, как происходит эпигенетически обусловленное включение и выключение определенных генов, стало одним из важных открытий современности, за что в 2006 году американским исследователям присудили Нобелевскую премию [10].
Классическая менделевская генетика опирается на то, что в основе изменений фенотипических признаков лежат мутации ДНК, то есть механические — случайные или индуцированные — изменения структуры наследственной информации. Эпигенетика опирается на варианты нормы, представленные модификациями. Каждое из нарушений эпигенома имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, и выступает эпигенетическим эквивалентом генетической мутации. Однако, несмотря на всю свою значимость, эпигенетика всё равно остается вторичной по отношению к генетике, ее младшей сестрой, ответвлением, а не самостоятельной наукой. Поскольку основным носителем наследственной информации является геном, эпигенетические механизмы могут только управлять работой тех или иных генов, исходя из имеющегося в наличии материала. Эпигеном служит механизмом контроля реализации генетической информации, что осуществляется посредством модификаций отдельных нуклеотидов. Проще говоря, не все гены, которые у нас есть, работают. Одни гены проявляют активность в одной клетке и неактивны в другой, и наоборот. Существуют некие регуляторные элементы, управляющие активностью генов. По современным представлениям, к таким элементам относятся: метилирование ДНК, гистоновые модификации, ацетилирование, фосфорилирование, гликозилирование, разнообразные микроРНК и другие структуры/процессы, «дирижирующие» нашим геномом [10], [11].
Рассмотрим самую известную и самую важную модификацию — метилирование ДНК. Это единственная химическая модификация ДНК, задействованная во многих генетических процессах у эукариот. Метилирование — добавление СН3-группы к цитозину ферментами ДНК-метилтрансферазами (рис. 1), что приводит к инактивации целого гена, в состав которого входит этот модифицированный нуклеотид.
Метилцитозин, немало удививший исследователей туберкулезной бациллы еще век назад, иногда называют пятым основанием ДНК, а недавно ученому миру явилось и шестое: «Шестое ДНК-основание: от открытия до признания» [12]. — Ред.
Рисунок 1. Модификация цитозина в 5-метилцитозин с участием ДНК-метилаз и S-аденозилметионина
Что же происходит, когда к цитозину, входящему в состав того или иного гена, присоединяется метильная группа? Оказывается, такая модификация провоцирует присоединение белков, изменяющих состояние хроматина. Чаще всего эпигенетическая регуляция осуществляется именно путем дифференциального метилирования цитозина в специфических участках генома. Формально ген никуда не девается, он продолжает находиться на своем месте, но никак себя не проявляет. Ген словно выключен, он не может производить продукт. В таком выключенном состоянии ген способен наследоваться. Передача потомству признаков, приобретенных организмами в течение жизни, в том числе посредством метилирования, называется эпигенетической наследственностью. Это наследование сохраняется у нескольких клеточных поколений или нескольких поколений живых существ.
Но всегда ли плохо то, что гены выключаются? Если представить, к примеру, что путем такой нехитрой модификации происходит выключение каких-либо вредоносных генов, вызывающих развитие патологий, наследственных аномалий или онкотрансформацию клеток, это же будет хорошо. Однако эпигеном может и навредить организму, инактивируя нужные гены. Еще до конца не изучено, как поддерживаются и воспроизводятся те или иные эпигенетические состояния [1].
Как уже упоминалось, метилирование ДНК влияет на многие генетические процессы у эукариот. Оно контролирует экспрессию генов, задействовано в пререкомбинационных событиях (предшествующих рекомбинации — процессу перераспределения генов между участками хромосом), выполняет функцию защиты от встраивания экзогенных нуклеотидных последовательностей, ограничивает перемещение транспозонов (особых участков ДНК, способных передвигаться по геному). Метилирование связано в основном с репрессией генов, инактивацией чужеродных последовательностей, регулировкой развития и организации генома. Регуляторные эпигенетические механизмы могут вызывать перемены в генетической активности. Метилирование цитозина в ДНК эукариот относится к ключевым факторам их развития. Оно оказывает влияние на структурно-функциональную организацию генома, принимая участие в регуляции конформационных изменений хроматина, что способствует изменениям в соответствующих локусах (местах локализации гена на хромосоме). ДНК в разных типах клеток организма метилирована по-разному. Это связано с расхождениями в выполняемых функциях, степени дифференцировки клеток и свойственной им экспрессии генов [13–15].
Различные эпигеномы как разные варианты реализации наследственной информации представляют собой своего рода набор параллельных реальностей, существующих в каждой клетке нашего организма. От того, какой ген заблокирован или разблокирован, зависит проявление того или иного фенотипического признака, а также скорость старения [16] и способность взаимодействовать с окружающей средой. Является ли это включение-выключение случайным или запрограммированным процессом и как связаны между собой различные «миры» эпигеномов, пока известно мало. Но сам факт того, что наука уже вплотную подошла к таким вопросам, не может оставаться без внимания.
На страже спокойствия генома. Метилирование как защитный механизм
Метилирование как функция защиты генетического материала от встраивания вирусных и других чужеродных нуклеотидных последовательностей встречается даже у таких примитивных живых организмов, как бактерии. Осуществляется это за счет системы рестрикции-модификации. Чужеродная ДНК, попав в бактерию, расщепляется рестриктазами (специальными ферментами, разрезающими ДНК в определенных участках). Однако те же самые последовательности собственной ДНК бактерии защищены от расщепления метильными метками [17].
Считается, что метилирование в качестве механизма, предотвращающего проникновение в геном чужеродных последовательностей, сохраняется и у более сложных организмов. Оно подавляет распространение вирусных генов, тандемных повторов (бессмысленных последовательностей ДНК) и транспозонов. Больше всего таких модификаций наблюдается в некодирующих районах ДНК. Метилирование репрессирует «ненужные» гены путем добавления метильной группы к цитозиновым остаткам в составе этих последовательностей. У млекопитающих, в частности человека, метилирование повторяющихся участков играет важную роль в стабилизации ДНК. В свою очередь, если повторяющиеся участки деметилируются (теряют метильные метки), они становятся мутагенными и вызывают геномную нестабильность — хромосомные аномалии, каскад апоптозных реакций, онкотрансформацию клетки. Метилирование обеспечивает целостность генома, а также стабилизирует двойную спираль ДНК за счет усиления связи с комплементарным гуанином [4], [18], [19].
Процессы метилирования и деметилирования ДНК эукариот принимают участие в регуляции экспрессии генов в ходе роста, дифференцировки, старения клеток и их реакций на повреждающие воздействия [19], [20]. Негативные факторы способны переключать программы функционирования генов. В частности, метилирование задействовано в регуляции экспрессии генов в ответ на биотические (вирусные, грибковые, бактериальные инфекции) и абиотические (температура, радиация, УФ-излучение) стрессы [21–23]. К примеру, при действии радиационного стресса уровень метилирования генома снижается, вследствие чего активируется транскрипция транспозонов, избыток которых может вызывать генетическую нестабильность, хромосомные аномалии и другие повреждения ДНК. Однако в ответ на увеличение транскрипционной активности происходит обратная реакция: запускаются защитные процессы метилирования транспозонных промоторов — регуляторных участков, обеспечивающих транскрипцию (рис. 2). Таким образом, радиация провоцирует повышение уровня метилирования ДНК, что может быть проявлением защитной реакции — ответа генома на усиление транспозонной активности. То есть, с одной стороны, стресс активирует мобильные элементы и увеличивает их вредное действие, с другой — это ведет к запуску эпигенетического «молчания» транспозонов и стабилизации хромосом. Также в пользу того, что метилирование ДНК участвует в защите генома, поддерживая его постоянство в изменяющихся условиях, говорит и тот факт, что искусственное снижение метилирования вызывает увеличение транспозонной активности и количества хромосомных перестроек [13], [24].
Рисунок 2. Метильные группы в регуляторной области гена препятствуют транскрипции. Механизм — прямое ингибирование.
Согласно данным, полученным на животных, радиация способствует подавлению тотального метилирования в непосредственно облученных тканях, а также в тканях-«свидетелях». До недавнего времени считалось, что биологические последствия ионизирующего облучения связаны с прямыми повреждениями ДНК. Но сегодня эта концепция дополнена. Было обнаружено, что облученные клетки провоцируют повышение уровня генных мутаций и хромосомных аберраций (нарушений структуры хромосом) в соседних клетках, которые не подвергались действию радиации. То есть молекулярные и клеточные эффекты в них обусловлены не самόй ионизирующей радиацией, а сигналом повреждения из облученных клеток. Эти реакции называются эффектом свидетеля. Они хорошо изучены на культурах клеток. Предполагается, что облученные клетки выделяют эпигенетические сигнальные факторы, которые и в необлученных соседках вызывают аналогичные изменения. Природа этих факторов и точный механизм «эффекта свидетеля» еще довольно слабо исследованы [25].
Если провести аналогию между геномом и человеческим обществом, то транспозоны можно было бы сравнить с антисоциальными элементами или просто нарушителями общественного порядка. В зависимости от размеров и мест локализации транспозоны могут быть как мелкими хулиганами, так и опасными преступниками, сеющими хромосомный беспорядок. Метилирование в таком случае считалось бы внутригеномной полицейской службой, поскольку именно оно выступает основным механизмом, предотвращающим разгул транспозонного «бандитизма» в ДНК. Навешивание метильных меток на потенциально опасные генетические последовательности изолирует их от общества, обеспечивает стабильность и порядок, позволяя добропорядочным генам спокойно трудиться на благо клетки и организма.
Старость — не радость, а эпигенетическая программа
Эпигеном — пластичная система, функционирующая в соответствии с программой развития и реагирующая на воздействие внешних факторов. Считается, что существует эпигенетически обусловленный каскад изменений, охватывающих процессы старения и реакции на стрессовые факторы [26–28]. Поэтому одним из важных направлений современных исследований является выяснение роли метилирования цитозина в регуляции экспрессии генов в механизмах стрессового ответа и возрастной деградации. Понимание аспектов эпигенетического контроля старения поможет прояснить, что служит отправной точкой этого процесса.
При старении наблюдается уменьшение числа генов, «работающих» в молодости, и активация генов, которые «спали», пока организм был полон бодрости и здоровья, но «проснулись» на этапе его одряхления. Потеря функциональной активности генов, нарушение проницаемости мембран, увеличение количества неактивного хроматина, возрастание частоты хромосомных аберраций, изменение паттернов (шаблонов) метилирования тотальной ДНК и отдельных генов — всё это составляет многокомпонентный детерминированный процесс старения. И хотя пока не найдены группы генов, запускающие каскад молекулярных событий в стареющей клетке, осуществление программы старения в последнее время часто связывают с эпигенетическими механизмами (рис. 3).
По некоторым предположениям, метилирование ДНК запрограммировано и играет ключевую роль в реализации процесса возрастной гибели клеток. Концепция запрограммированной гибели клеток в ходе старения объясняется активацией эпигенетических механизмов на фоне снижения эффективности репарационных (ремонтных) систем. Согласно одной из гипотез, апоптоз (программируемая клеточная гибель) связан с активацией определенных «генов старения», которые запускают деградационные процессы в клетке. Это происходит путем снижения уровня метилирования ДНК, что наблюдается в процессе старения дифференцированных клеток и сопровождается дерепрессией хроматина. В итоге активируются дремлющие транспозоны, склонные ввергать клетку в состояние генетического хаоса. Возрастная потеря метильных меток ускоряет клеточную гибель, в ткани меняется цитокиновый фон, что может подталкивать к гибели соседние клетки. Таким образом, старение чем-то сродни медленным инфекциям. И даже иногда к ним приравнивается: некоторые биологи допускают возможность миграции «освобожденных» транспозонов в другие клетки [1], [29–32].
Рисунок 3. Эпигенетика отсчитывает часы жизни. Подробно о «часах жизни» и их разновидностях рассказано в статьях [16], [33], [34].
Возрастное снижение метилирования было доказано на примере горбуши в середине ХХ столетия [35]. Позже это подтвердилось и в отношении других организмов. Также было установлено, что искусственное деметилирование ведет к преждевременному старению животных. Идея о том, что старение и уменьшение метилирования взаимосвязаны, стала новым словом в эпигенетике. Кроме того, снижение метилирования в ходе старения ведет к конформационным изменениям хроматина, что повышает доступность ДНК для нуклеаз (ферментов-разрушителей) и нарушает целостность макромолекул стареющей клетки. При ослаблении метилирования ДНК становится более чувствительной к действию вредных факторов, эндогенных ферментов, транспозонов [26], [36]. Стабильность генома у организмов с более «молчаливыми» транспозонами выше, что делает их устойчивыми к повреждающим факторам среды и обеспечивает им бόльшую продолжительность жизни в сравнении с организмами, чей уровень репрессии мобильных генетических элементов низок. Полагают, что восстановление в стареющей клетке эпигенетических маркеров, свойственных молодой клетке, может привести к необходимой репрессии транспозонов, стабилизации генома и замедлению темпов старения [37], [38].
С возрастом снижается экспрессия генов поддержания клеточного равновесия, в результате чего начинается свойственная старению деградация тканей и органов. Происходит увеличение числа разрывов в ДНК и сшивок ДНК с белком, снижаются активности ферментов поддержания структуры хромосом и количество 5-метилцитозина, накапливаются структурные дефекты. Процесс старения сопровождается транскрипцией определенных генов и синтезом ряда белков. Этот каскад сурово скоординированных событий подчинен некой программе. Переход к каждой новой стадии онтогенеза (индивидуального развития) характеризуется изменениями эпигенетического статуса, который обеспечивает активацию или репрессию специфического набора генов. С помощью воздействия на эпигеном можно некоторым образом корректировать генетическую программу развития живых организмов [36], [39–41].
Все перечисленные процессы действуют в направлении ухудшения состояния и функционирования генетического аппарата. А реализуются они под действием внешних и внутренних факторов. Старение — это результат изменения надгеномных процессов, которые на определенном этапе онтогенеза запускают деструктивные механизмы по двум направлениям. С одной стороны, происходит индукция генетической программы деградации структур и функций, которая репрессирует гены поддержки клеточного гомеостаза и активирует гены, отвечающие за реакции распада. С другой стороны, запускается механизм ослабления деятельности защитных систем, что делает клетку восприимчивой к повреждающему действию стрессовых факторов. Несмотря на эффективную репарационную машину, в структуре ДНК с возрастом накапливаются разрывы и другие дефекты, всё меньше и меньше индуцируются защитные белки теплового шока, в делящихся клетках сильно сокращается длина теломер (защитных концевых участков хромосом). Всё это — элементы единого многосложного процесса надгеномной регуляции процессов старения. Согласно некоторым гипотезам, множественность механизмов старения эукариот может быть обусловлена тем, что природа страхуется от появления долгоживущих видов и особей [42], [43].
Всей этой котовасии со старением и даже нестарением «Биомолекула» посвятила целый уникальный спецпроект. Из материалов которого, в общем-то, не следует, что старение — это злой умысел Природы. Например, можно обратиться к статьям: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить» [44], «Нутригеномика: питание vs. заболевания» [45], «Сон и старение I: „Часы в мозге“ и влияние генов на ритм жизни» [46] — и далее проследовать по ссылкам на другие, не менее интересные странички проекта. — Ред.
Метки смерти на генах. Метилирование и онкогенез
Недостаточное метилирование (гипометилирование) генома было одним из первых выявленных эпигенетических маркеров онкозаболеваний. Гипометилирование ведет к активации генов, которые в норме должны молчать. В случае опухолей это индивидуальные онкогены, пребывающие в здоровой клетке в метилированном (неактивном) состоянии. Понижение тотального уровня метилирования генома выражается в снятии естественных репрессивных меток с онкогенов, что вызывает каскад разрушительных событий. Попутно гипометилирование больших участков генома активирует транспозоны, за счет чего увеличивается хромосомная нестабильность и растет число аномалий. Эти два процесса ставят клетку на путь онкологической трансформации. Во многих лабораториях именно тотальное гипометилирование ДНК диагностируется как основной признак раковых клеток [15], [47], [48].
Вместе с тем, онкогенез сопровождается и гиперметилированием (избыточным метилированием) CpG-островков в области промоторов генов (рис. 4). В норме 90% CpG-островков не метилированы, то есть транскрипционно активны. Метилирование в этих участках чревато фатальными последствиями, поскольку вызывает «выключение» генов — супрессоров (подавителей) опухолей. Гены-онкосупрессоры, противостоящие онкологическому процессу, перестают работать, что дает зеленую улицу раковой трансформации, вызывает бесконтрольное деление клеток опухоли. Одним из лабораторных маркеров диагностики рака на ранних стадиях выступает повышенное метилирование CpG-островков генов — супрессоров опухолей [49], [50].
Рисунок 4. CpG-островок промоторной области гена. а — Транскрипционно активный (неметилированный) островок. б — Сайленсированный (метилированный) островок.
Как видим, рак не обходится без эпигенетических событий. Как недостаток метилирования, так и его избыток в равной мере способствуют раковому перерождению здоровой клетки. Нарушенное метилирование ведет к аномалиям развития и опухолеобразованию. Как тут не вспомнить о том, что всё хорошо в меру. Онкогенез — это многофакторный и многоэтапный процесс, включающий в себя как активацию онкогенов, так и молчание генов-онкосупрессоров. Каждое из этих нарушений эпигенома для опухолевой прогрессии имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, то есть служит эпигенетическим эквивалентом генетической мутации [50]. Изменение нормальных паттернов (шаблонов) метилирования ДНК неизбежно ведет к отрицательным последствиям. А сохранение здорового статуса метилирования генома является основным условием нормального развития организма.
Выходит, что рак — это не только генетически обусловленное заболевание, как считалось раньше, а заболевание, в основе которого лежит ряд еще во многом не изученных эпигенетических изменений. При этом нельзя считать, что неправильное метилирование — всего лишь маркер онкозаболевания; зачастую оно выступает причиной последнего. Так, например:
Здесь стоит отметить, что активация гена, наступающая вследствие деметилирования определенных сайтов, может происходить только в том случае, если в клетке присутствует специфический транскрипционный фактор. Этим объясняется ограниченное количество генов, активированных в опухолях посредством гипометилирования [50].
Однако нельзя забывать, что недостаток метилирования ДНК так же опасен, как и его избыток, и так же служит причиной ряда онкопатологий. К примеру, при хроническом лимфолейкозе наблюдается тотальное деметилирование ДНК в раковых клетках на фоне высокой ДНК-метилтрансферазной активности. Тотальное снятие метильных меток оказывает значительное дестабилизирующее действие на геном эукариот, меняет структуру хроматина, степень его конденсации, время репликации, что может вызывать нарушения экспрессии различных генов [15], [54].
Вместе с тем не менее опасна и спонтанная потеря сайтов метилирования. Спонтанное дезаминирование (потеря аминогрупп) 5-метилцитозина приводит к возникновению остатка тимина и образованию неканонической пары оснований Г:Т, которая становится мишенью для системы репарации. Репаративные ферменты удаляют тимин из этой пары и восстанавливают исходную последовательность Г:Ц, однако иногда возникают мутации, выражающиеся в замене пары Г:Ц на А:Т. Именно нестабильность 5-метилцитозина и спонтанные замены Г:Ц на А:Т привели в ходе эволюции к низкому уровню CpG-динуклеотидов в геноме млекопитающих. Таким образом, спонтанный мутагенез, происходящий в животной клетке при отсутствии экзогенных и эндогенных агентов, нарушает структуру многих генов, в том числе и онкосупрессоров. Этот механизм играет не последнюю роль в процессах онкологической трансформации [55].
Помимо аберрантного метилирования промоторов генов-онкосупрессоров, в опухолевых клетках обнаруживается и нестабильность микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК), при которой микросателлитные маркеры представлены одновременно многими разными аллелями, дополнительными к двум родительским [52], [56]. Сателлитные ДНК в геноме человека в норме высоко метилированы. В процессе опухолеобразования наблюдается микросателлитная нестабильность, резкое гипер- или гипометилирование (в зависимости от вида опухоли). В качестве примера здесь можно упомянуть ген MLH1, продукт которого участвует в репарации ошибок спаривания нуклеотидов. Гиперметилирование промотора этого гена и микросателлитная нестабильность ассоциированы с опухолями желудочно-кишечного тракта и некоторых других органов [52].Изменчивость микросателлитных последовательностей по-разному проявляется на разных стадиях развития и зависит от состояния дифференцировки и типа ткани [57].
Однако не все гены задействованы в эпигенетических событиях канцерогенеза. Ген белка р53 не содержит в своей промоторной области CpG-островков и не поддается метилированию. Нарушение функций р53 наблюдаются во многих случаях рака, но инактивация его гена обусловлена не эпигенетическими, а генетическими механизмами. В кодирующей части гена присутствуют одиночные метилированные CpG-динуклеотиды, которые в силу спонтанного дезаминирования 5-метилцитозина мутируют с заменой комплементарных пар [50], [52].
Кстати, подобные таблетки фармкомпании уже производят, да и природа не отстает: вещества — модификаторы эпигенома обнаружены в растительных продуктах, особо почитаемых приверженцами здорового питания: «Пилюли для эпигенома» [59]. Только вот к природным «технологиям» есть небольшая (для всех, кроме фармацевтов, Эркюля Пуаро и детектива Монка) претензия: беспорядочно там всё как-то. — Ред.
Перспективы изучения эпигенома
Общая черта, присущая как метилированию, так и мутациям — это наследуемость, хотя в отличие от большинства мутаций метилирование — процесс обратимый. Контроль модификации ДНК интересен прежде всего для биотехнологической отрасли. Воздействуя на эпигеном, можно не только вылечить ряд заболеваний, но и добиться промышленной выгоды. К примеру, направленная регуляция экспрессии генов у растений способна увеличить их продуктивность. Замечено, что в результате обработки 5-азацитидином наблюдается увеличение белка в зерновках пшеницы за счет активации генов запасных белков. Причем индуцированные химическим агентом признаки сохраняются в течение трех поколений. Какие механизмы отвечают за возвращение к исходному паттерну метилирования, соответственно, и к исходному фенотипу — пока неизвестно [60], [61].
Как отмечалось выше, эпигеном — система пластичная, что позволяет в перспективе подобраться к рычагам управления эпигенетическими модификациями, минимизировать действие неблагоприятных факторов и обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Ключ к разгадке наследственных патологий, продлению жизни, управлению полезными свойствами живых организмов — всё это сулит эпигенетика. Уже сегодня можно без преувеличения сказать, что открытия в области эпигенетики в скором времени поднимут биологическую науку на качественно новый уровень развития, и это кардинальным образом изменит саму человеческую цивилизацию.