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

Заболевания людей также могут быть вызваны мутациями ферментов, удаляющих эпигенетические модификации, то есть «ластиков» эпигенетического кода. Мутации в гене под названием PHF8, который удаляет метиловые группы из лизина в позиции 20 на гистоне H3, вызывают синдром врожденного слабоумия и расщелины неба[30]. В этих случаях клетки больных приобретают эпигенетические модификации без проблем, но не могут правильным образом удалить их.

Интересно отметить, что хотя белки MML2 и PHF8 играют разные роли, но клинические симптомы, вызываемые мутациями в этих генах, проявляют себя в одинаковой степени. И в первом, и во втором случае они приводят в расщелине неба и врожденном слабоумии. Оба эти симптома принято считать признаком нарушения хода развития. Эпигенетические пути важны на протяжении всей жизни человека, но, как оказывается, особенное значение они приобретают в период развития.

Кроме этих гистоновых шифровальщиков и ластиков, существует свыше 100 белков, которые выступают в роли «дешифровщиков» этого гистонового кода, связываясь с эпигенетическими метками. Эти дешифровщики притягивают другие белки и выстраивают комплексы, активирующие или репрессирующие экспрессию генов. Происходит это подобно тому, как МеСР2 помогает подавить экспрессию генов при метилировании ДНК.

Гистоновые модификации принципиально отличаются от метилирования ДНК. Метилирование ДНК представляет собой очень стабильное эпигенетическое изменение. Если какой-либо участок ДНК стал метилированным, то он и останется метилированным в подавляющем большинстве случаев. Вот почему эта эпигенетическая модификация настолько важна для того, чтобы нейроны всегда оставались нейронами, и именно по этой причине зубы не вырастают у нас на глазных яблоках. Хотя метилирование ДНК и может быть удалено из клетки, это явление весьма маловероятно и возможно лишь в крайне чрезвычайных обстоятельствах.

Большинство гистоновых модификаций значительно более вариативно. Некая модификация может быть произведена на каком-либо гистоне определенного гена, затем удалена, а позже возвращена обратно. Это происходит в результате реакции на самые разнообразные стимулирующие сигналы, поступающие в ядро клетки извне. Природа этих стимуляторов может варьироваться до безграничных пределов. В некоторых типах клеток гистоновый код может меняться, реагируя на гормоны. Ими могут быть и инсулин, проникающий в клетки мышц, и эстроген, воздействующий на клетки груди во время менструального цикла. В головном мозге гистоновый код может меняться в ответ на прием таких наркотических препаратов как кокаин, тогда как в клетках, выстилающих пищеварительный канал, схема эпигенетических модификаций будет меняться в зависимости от количества жирных кислот, вырабатываемых бактериями кишечника. Такие изменения гистонового кода являются одним из ключевых способов взаимодействия внешних факторов (окружающей среды) и внутренних (наших генов) при создании любого высшего организма на земле во всей его сложности.

Гистоновые модификации также позволяют клеткам «испытывать» определенные модели экспрессии генов, особенно в процессе развития. Гены временно подавляются, когда репрессивные гистоновые модификации (которые снижают уровень экспрессии генов) затрагивают гистоны, соседние с этими генами. Если репрессия генов идет на пользу клетке, то гистоновые модификации могут продолжаться достаточно долго, чтобы вызвать метилирование ДНК. Гистоновые модификации притягивают белки-дешифраторы, которые выстраивают комплексы из других белков на нуклеосоме. В некоторых случаях эти комплексы могут включать в себя DNMT3 А или DNMT3B —два фермента, доставляющие метиловые группы на мотивы CpG в ДНК. В таких ситуациях ОЫМТЗАили ЗВ могут «вытягиваться» из комплекса на гистоне и метилировать соседнюю ДНК. Если метилирование ДНК оказывается достаточным, экспрессия гена будет подавлена. В чрезвычайных обстоятельствах вся область хромосомы может стать сверхплотной и оставаться подавленной на протяжении многочисленных делений клетки или даже сохраняться таким десятилетиями в таких неделящихся клетках как нейроны.

Почему организм для регулирования экспрессии генов создал в процессе эволюции такие сложные схемы гистоновых модификаций? Эта система представляется особенно запутанной, если сравнивать ее с довольно бескомпромиссной механикой метилирования ДНК. Одна из причин этого, вероятно, состоит в том, что благодаря ее сложности появляется возможность производить предельно выверенную, точную настройку экспрессии генов. Благодаря этому процессу клетки и организмы могут соответствующим образом корректировать экспрессию генов для адекватного реагирования на изменения окружающей среды, такие как недостаток питательных веществ или воздействие вирусов. Однако, в чем мы убедимся из содержания следующей главы, такая точная настройка может привести и к некоторым очень неожиданным последствиям.

На протяжении многих десятилетий во всех человеческих культурах много внимания и интереса вызывала тема однояйцевых близнецов, не утратившая своей актуальности и в наши дни. Если мы обратимся за примерами лишь к западноевропейской литературе, то тут же найдем упоминание об однояйцевых близнецах Менехме и Социкле в одном из произведений Тита Макция Плавта, написанном приблизительно в 200 году до н. э., и интерпретацию этого же сюжета в «Комедии ошибок» Шекспира, датируемой 1590 годом; познакомимся с близнецами Труляля и Траляля из сказки «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, появившейся в 1871 году. Близнецы Уизли также присутствуют в современном цикле романов о Гарри Поттере писательницы Дж. К. Роулинг. Есть что-то интригующее в двух людях, выглядящих абсолютно одинаково.

Но есть и нечто такое, что вызывает у нас еще более острый интерес, нежели невероятная похожесть однояйцевых близнецов — это происходит тогда, когда мы замечаем различия между ними. Эта особенность постоянно находит свое отражение и нещадно эксплуатируется в кинематографе, начиная с Фредерика и Хуго в «Кольце вокруг Луны» Жана Ангуила и заканчивая Беверли и Эллиоттом Мэнтлами в «Связанных смертью» Дэвида Кроненберга. Мысленно доведя эти различия до максимума, вы даже сможете привести в пример доктора Джекилла и его вторую ипостась, мистера Хайда, являющего отражением абсолютного зла. Нет нужды продолжать искать подтверждения тому, что различия между однояйцевыми близнецами всегда захватывали воображение творческих людей из всех сфер искусства; в равной степени не оставляют они равнодушными и научный мир.

Однояйцевых близнецов в научной среде принято называть монозиготными (М3) близнецами. Оба они развиваются из одной и той же одноклеточной зиготы, образующейся при слиянии одной яйцеклетки и одного сперматозоида. В случае с М3 близнецами внутриклеточная масса бластоцисты разделяется надвое при первых делениях клетки, как разрезаемый пополам пирожок, и дает начало двум эмбрионам. И оба эти эмбриона генетически идентичны.