Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

ДНК тесно связана с белками, особенно с теми из них, которые называются гистонами. Сегодня главное внимание в эпигенетике и регуляции генов сосредоточено на четырех конкретных гистоновых белках, а именно Н2А, Н2В, H3 и Н4. Эти гистоны имеют так называемую глобулярную структуру, поскольку они упаковываются в компактную шарообразную форму. Но у каждого такого шарика есть также подвижная свободная цепочка аминокислот, которая называется гистоновым отростком. Два экземпляра каждого из этих четырех гистоновых белков группируются вместе и образуют плотную структуру, называемую гистоновым октамером (этим наименованием он обязан именно тому, что состоит из восьми отдельных гистонов).

Пожалуй, проще будет представить себе этот октамер как восемь шариков для настольного тенниса, расположенных двумя слоями по четыре шарика один на другом. ДНК туго обвивает это белковое образование, подобно длинному побегу лакричника, заключившему в свои объятия алтей, и образует структуру, которая называется нуклеосомой. Вокруг каждой нуклеосомы обернуты 147 пар оснований ДНК. На рисунке 4.3 показана очень упрощенная схема строения нуклеосомы, на которой белая лента изображает ДНК, а серые завитки представляют гистоновые отростки.

Рис. 4.3. Гистоновый октамер (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В,H3 и Н4), туго упакованный и обернутый ДНК, образует основную единицу хроматина под названием нуклеосома.

Если бы мы попытались найти какую-нибудь информацию о гистонах всего лишь лет пятнадцать назад, то узнали бы, что это некие «упаковывающие белки» и не более того. Нет сомнений в том, что ДНК должна каким-то образом упаковываться. Диаметр ядра клетки составляет обычно около 10 микронов (это 1/100 миллиметра), а если бы ДНК в клетке оставалась в свободном состоянии, она могла бы вытянуться в длину до 2 метров. ДНК туго обернута вокруг нуклеосом, а те плотными слоями уложены друг на друга.

Определенные участки наших хромосом почти постоянно имеют ярко выраженные формы подобных структур. Преимущественно, это те участки, которые не несут в себе информацию о генах. В большинстве случаев, они представляют собой структурные участки, расположенные, например, на самых кончиках хромосом, или области, важные для разделения хромосом после копирования ДНК при делении клеток.

Участки ДНК, подвергаемые действительно активному метилированию, также имеют такие сверхплотные структуры, и метилирование играет очень важную роль в формировании этих образований. Это один из тех механизмов, которые обусловливают репрессию определенных генов на протяжении десятилетий в таких долго живущих типах клеток как нейроны.

А как насчет тех участков, которые не скручены туго, в которых находятся активированные гены или же способные к последующей активации? Здесь-то на первые роли и выдвигаются гистоны. Функции их неизмеримо расширяются, теперь они не являются только лишь молекулярными катушками, на которые могла бы наматываться ДНК. Если метилирование ДНК представить как достаточно долговечные дополнительные пометки на нашем сценарии «Ромео и Джульетты», то модификации гистонов будут служить в этой аналогии примечаниями, обреченными на скорое исчезновение. Их можно сравнить со сделанными карандашом записями, которые отобразятся при последовательном копировании несколько раз, а потом станут невидимыми. А может быть, судьба их окажется еще более мимолетной, как у самоклеющихся листочков бумаги для записей, годных лишь на один раз.

Впечатляющее число научных прорывов в этой области было сделано в лаборатории профессора Дэвида Эллиса из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке. Ее руководитель, всегда с иголочки одетый, аккуратный, чисто выбритый американец, выглядящий значительно моложе своих 60 лет, пользуется чрезвычайной популярностью среди коллег. Как и многие эпигенетики, он начинал карьеру в области биологии развития. Подобно Эдриану Бёрду и, еще раньше, Джону Гердону, Дэвид Эллис едва ли не равнодушно относится к своей репутации мирового светила в эпигенетике. В целом цикле выдающихся статей, опубликованных в 1996 году, он вместе с коллегами показал, что гистоновые белки претерпевают в клетках химическую модификацию, и эта модификация повышает экспрессию генов, если они находятся возле специфически измененных нуклеосом[26].

Гистоновая модификация, обнаруженная Дэвидом Эллисом, была названа ацетилированием. Ацетилирование представляет собой присоединение химической ацетил-группы, в данном случае, специфической аминокислоте, которая называется лизин, на свободном отростке одного из гистонов. На рисунке 4.4 показано строение лизина и ацетил-лизина, и мы опять видим, что изменения относительно незначительны. Как и метилирование ДНК, ацетилирование лизина представляет собой эпигенетический механизм для изменения экспрессии генов, не влияющий на исходную последовательность генов.

Рис. 4.4. Химическое строение аминокислоты лизин и ее эпигенетически модифицированной формы ацетил-лизин. С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения некоторые атомы углерода намеренно не отмечены, однако они присутствуют там, где изображены две соединительные линии

Тогда, в 1996 году, все казалось ясным и понятным. Метилирование ДНК репрессирует гены, а ацетилирование гистонов активирует их. Но экспрессия генов — это куда более тонкий процесс, не ограничивающийся лишь их включением или выключением. Экспрессию генов нельзя сравнивать с неким рубильником, имеющим два положения, «вкл» и «выкл»; она скорее подобна круглой рукоятке настройки громкости радиоприемника. Поэтому никто особенно не удивился, когда выяснилось, что в этом процессе задействована не только гистоновая модификация. Нужно сказать, что более 50 различных эпигенетических модификаций гистоновых белков были обнаружены с момента опубликования тех самых статей Дэвида Эллиса; и открытия эти были сделаны как самим Эллисом, так и многими другими лабораториями[27]. Все эти модификации меняют экспрессию генов, но не всегда одинаково. Одни модификации гистонов усиливают этот процесс, тогда как другие ослабляют его. Шаблон, по которому происходят модификации, стали называть гистоновым кодом[28]. Но проблема, с которой столкнулись эпигенетики, оказалась в том, что прочесть этот код невероятно сложно.