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

Тогда, в 1992 году, нкРНК была понятием совсем новым, в то время ученым была известна лишь еще одна нкРНК. Но даже и сегодня Xist представляется нам очень необычным геном. И дело не только в том, что он никогда не покидает ядра. Xist даже никогда не оставляет хромосому, в которой он появился. Когда ЭС клетки начинают дифференцироваться, только одна из хромосом продуцирует Xist РНК. Это та самая хромосома, которая будет репрессированной. Xist не покидает хромосому, которая создала его. Напротив, он привязывается к этой хромосоме и начинает распространяться по ней.

Xist часто характеризуется как закрашивание «спящей» хромосомы X, и это весьма удачное сравнение. Давайте еще раз вернемся к нашей аналогии, в которой мы представляли кодирование ДНК как сценарий. На этот раз мы условимся, что наш сценарий написан на стене; возможно, это вдохновляющее стихотворение или речь в классной комнате. После окончания учебного года школа закрывается, и здание ее продается для перестройки в жилой дом. Приезжают маляры и закрашивают сценарий. Теперь новые жильцы будущего дома не узнают, что «нужно старательно учиться и поступать благородно», и так и не выяснят, как вести себя в «периоды триумфов и потерь». Но ведь все прежние рекомендации как были, так и остались на стене, просто они скрыты под краской.

Когда Xist присоединяется к создавшей его хромосоме X, он вызывает своего рода вялотекущий эпигенетический паралич. Он постепенно охватывает все больше и больше генов и отключает их. Сначала кажется, что он делает это, действуя как барьер между генами и ферментами, которые обычно копируют их в мРНК. Но по мере того как репрессия хромосомы X становится все более успешной, он меняет эпигенетические модификации на хромосоме. Гистоновые модификации, которые обычно активируют гены, утрачиваются. Они заменяются репрессивными гистоновыми модификациями, подавляющими гены.

Некоторые из обычных гистонов удаляются полностью. Гистон Н2А заменяется родственной ему, но чуть отличной молекулой, называемой макроH2A, тесно связанной с репрессией генов. Промоторы генов подвергаются метилированию ДНК — еще более суровому способу репрессии генов. Все эти изменения ведут к связыванию все большего и большего числа репрессорных молекул, обволакивающих ДНК на спящей хромосоме X и делающих ее все менее и менее доступной для ферментов, транскрибирующих гены. В конечном итоге ДНК на хромосоме X оказывается невероятно туго закрученной, как гигантское влажное полотенце, скрученное с обоих концов, и вся хромосома движется к краю ядра. К этому моменту большая часть хромосомы X уже полностью подавлена, за исключением гена Xist, являющего собой маленький оазис активности посреди транскрипционной пустыни[108].

При каждом делении клетки эти модификации инактивной хромосомы X копируются с материнской клетки и передаются дочерним клеткам, так что та же хромосома X остается подавленной во всех последующих поколениях, возникших из начальной клетки.

Несомненно, что роль Xist уникальна и удивительна, но предложенное выше ее описание все еще оставляет многие вопросы без ответов. Как контролируется экспрессия Xist? Почему этот ген включается, когда ЭС клетки начинают дифференцироваться? Функционален ли Xist только в женских клетках, или в мужских клетках он тоже проявляет себя каким-то образом?

Сила поцелуя

Ответ на последний вопрос первыми начали искать в лаборатории Руди Джениша, с которым мы уже встречались, когда рассказывали в Главе 2 о iPS клетках и работе Шиньи Яманаки. В 1996 году профессор Джениш с коллегами вывели мышей с генетически измененной версией центра репрессии X (центр репрессии трансгена X). Размеры этого трансгена, включая сам ген Xist и другие последовательности по обеим его сторонам, составляли 450 т. п. о. Ученые ввели его в аутосому (неполовую хромосому), вывели самцов мышей, несущих этот трансген, и стали исследовать взятые у этих мышей ЭС клетки. У самцов мышей было лишь по одной нормальной хромосоме X, поскольку их кариотип XY, однако у них оказалось по два центра репрессии X. Один был на нормальной хромосоме X, а второй располагался на трансгене в аутосоме. Когда исследователи дифференцировали взятые у мышей ЭС клетки, они обнаружили, что Xist может экспрессироваться с каждого из двух центров репрессии X. Когда Xist экспрессировался, он подавлял хромосому, с которой экспрессировался, даже если это была аутосома, несущая трансген[109].

Эти эксперименты показали, что даже клетки, обычно являющиеся мужскими (XY), способны подсчитывать свои хромосомы X. В действительности, если говорить точнее, они продемонстрировали, что клетки могут считать свои центры репрессии X. Эти данные также подтвердили, что все необходимое для подсчета, выбора и стимуляции присутствует в 450 т. п. о. центра репрессии X в пределах гена Xist.

Сегодня нам известно чуть больше о механизме подсчета хромосом. Клетки обычно не пересчитывают свои аутосомы. Обе копии хромосомы 1, например, действуют независимо друг от друга. Но мы знаем, что две копии хромосомы X в женской ЭС клетке каким-то образом взаимодействуют. Когда начинается репрессия, две хромосомы X в клетке делают нечто весьма странное.

Они целуются.

Это, конечно, очень антропоморфный способ описания явления, но он наиболее точно соответствует тому, что происходит. Их «поцелуй» длится всего пару часов или около того, и, как это ни удивительно, именно он задает ту программу, которая будет сохраняться в клетках на протяжении следующей сотни лет, если женщине посчастливится прожить такой срок. Этот «хромосомный поцелуй» был впервые обнаружен в 1996 году Джинни Ли, начинавшей свою научную деятельность рядовым исследователем в лаборатории Руди Джениша, а теперь по праву занимающей должность профессора в Гарвардской медицинской школе, где она стала одной из самых молодых сотрудников, принятых в постоянный штат. Джинни Ли выяснила, что две копии хромосомы X, по сути, находят друг друга и вступают в физический контакт. Контактируют на самом деле очень небольшие участки хромосом, однако это их взаимодействие является ключевым фактором для запуска репрессии [110]. Если контакта не происходит, хромосома X делает вывод, что она единственная в клетке, ген Xist не активируется, и репрессия хромосомы X не начинается. Это ключевой этап в подсчете хромосом.

Также в лаборатории Джинни Ли был идентифицирован и один из главных генов, контролирующих экспрессию Xist[111]. ДНК представляет собой двухцепочечное образование, в котором цепочки удерживаются вместе связывающими их основаниями. Хотя визуально мы часто представляем себе ДНК как железнодорожное полотно, пожалуй, удобнее было бы думать о ней как о канатной дороге с двумя движущимися в противоположных направлениях вагончиками. Если мы примем эту метафору, то центр репрессии X будет выглядеть приблизительно так, как это показано на рисунке 9.4.