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

Это открытие оказалось чрезвычайно важным, поскольку оно позволило приоткрыть завесу тайны над вопросом, давно озадачивавшим эпигенетиков. Каким образом модифицирующие гистоны ферменты, которые накладывают или убирают эпигенетические метки, локализуются на определенных участках генома? Если ферменты, модифицирующие гистоны, неспособны непосредственно определять конкретные последовательности ДНК, то, как они оказываются в нужном месте генома?

Схемы гистоновых модификаций привязаны к различным генам в разных типах клеток, а это приводит к исключительно отлаженной и жестко регулируемой экспрессии генов. Например, фермент, известный как EZH2, метилирует аминокислоту под названием лизин в позиции 27 на гистоне H3, но в клетках других типов его мишенью оказываются другие молекулы гистона H3. Проще говоря, он может метилировать белки гистона H3, расположенного на гене А в лейкоцитах, но не в нейронах. Или он может метилировать белки гистона H3, находящегося на гене Б в нейронах, но не в лейкоцитах. В обоих типах клеток это один и тот же фермент, но направления его действий различны.

Существуют и другие свидетельства того, что, по меньшей мере, некоторые направления эпигенетических модификаций могут быть объяснены взаимодействиями с длинными нкРНК. Джинни Ли с коллегами недавно проводила исследования длинных нкРНК, связанных с определенным комплексом белков. Этот комплекс под названием PRC2 вызывает репрессивные модификации на гистонах. PRC2 включает в себя несколько белков, и одним из них, взаимодействующим с длинными нкРНК, по всей видимости, является, EZH2. Исследователи обнаружили, что в эмбриональных стволовых клетках мышей комплекс PRC2 связан, без преувеличения, с тысячами разных молекул длинных нкРНК[134]. Эти длинные нкРНК могут действовать подобно приманке. Они остаются привязанными к той области генома, где были продуцированы, и притягивают к себе репрессивные ферменты для подавления экспрессии генов.

Это происходит по той причине, что в комплексах репрессивных ферментов содержатся белки, подобные EZH2, которые способны связываться с ДНК.

Ученые любят выстраивать теории, и одна из них, весьма привлекательная, была предложена и для длинных нкРНК. Выдвигалась гипотеза, что они связываются с областями, с которых транскрибируются, и подавляют экспрессию генов на этой же самой хромосоме. Но если мы вернемся к нашей аналогии, с которой начиналась эта глава, то должны будем признать, что уже построили маленький симпатичный домик и нагромоздили на его крышу довольно много мусора.

Есть такое примечательное семейство генов, которые называются генами НОХ. Когда у плодовых мушек эти гены мутируют, то в результате появляются невероятные фенотипы, например с лапками, растущими на голове[135]. Одна из длинных нкРНК под названием HOTAIR регулирует область генов, известную как пучок НОХ-D. Подобно длинной нкРНК, которую исследовала Джинни Ли, HOTAIR связывается с комплексом PRC2 и создает хроматиновый регион, отмеченный репрессивными гистоновыми модификациями. Но HOTAIR не транскрибируется с позиции НОХ-D на хромосоме 12. На самом деле она кодируется в другом пучке генов, называемом НОХ-С, на хромосоме 2[136]. И никому не известно, как и почему HOTAIR связывается с позицией HOX-D.

Подобная загадка существует и в отношении Xist — наиболее изученной из всех длинных нкРНК. нкРНК Xist распространяется почти по всей репрессированной хромосоме X, но нам неизвестно, каким образом она это делает. Молекулы РНК обычно не обволакивают хромосомы. Нет никаких очевидных причин, по которым РНК Xist могла бы таким образом связаться с хромосомой, но нам известно, что это не имеет никакого отношения к последовательности хромосомы. Эксперименты, о которых рассказывалось в предыдущей главе (где Xist могла подавить всю аутосому при условии, что она обладала центром репрессии X), подтвердили, что Xist, оказавшись на хромосоме, просто продолжает перемещаться по ней. Ученые в большинстве своем по-прежнему недоумевают по поводу таких фундаментальных характеристик этой наиболее полно изученной из всех нкРНК.

А вот и еще один удивительный факт. До самого недавнего времени ученые считали, что все нкРНК подавляют экспрессию генов.

В 2010 году профессор Рамин Шикхаттар из Института Уистара в Филадельфии идентифицировал в некоторых типах клеток человека свыше 3 000 длинных нкРНК. Эти длинные нкРНК демонстрировали различные схемы экспрессии в разных типах клеток, а это заставляло предположить, что им отведены особые роли. Профессор Шикхаттар с коллегами исследовали небольшое количество длинных нкРНК с целью определения их функций. Они воспользовались проверенными и надежными экспериментальными методиками для подавления экспрессии тестируемых нкРНК, а затем проанализировали экспрессию соседних с ними генов. Предполагаемые и реальные результаты этого эксперимента показаны на рисунке 10.2.

Рис. 10.2. Считалось, что нкРНК подавляют экспрессию генов-мишеней. Если бы эта гипотеза была верна, то понижение экспрессии определенной нкРНК привело бы к повышению экспрессии этого гена, так как его репрессия уменьшилась. Это продемонстрировано в центре схемы. Однако, как выяснилось, большое число нкРНК в действительности усиливают экспрессию своих генов-мишеней. Это подтверждается экспериментами, в ходе которых понижение экспрессии нкРНК привело к результатам (см. на рис. справа)

Протестировав двенадцать нкРНК, в семи случаях ученые получили результаты, показанные справа. Это противоречило ожиданиям, поскольку, как оказалось, около 50 процентов длинных нкРНК могут на самом деле повышать экспрессию соседних генов, а не понижать ее[137].

Авторы статьи, в которой описывались эти эксперименты, однозначно заявили: «Точный механизм, с помощью которого наши нкРНК способны усиливать экспрессию генов, неизвестен». И с этим мнением трудно не согласиться. Оно заслуживает уважения, так как недвусмысленно дает понять, что на настоящий момент мы просто не представляем себе, как это происходит. Работа Рамина Шикхаттара убедительно продемонстрировала, что о длинных нкРНК наука знает еще очень мало, поэтому не следует спешить с принятием новых теорий.

Чем меньше, тем лучше

Не менее осмотрительны должны мы быть и в предположении, что все решает размер и что чем он больше, тем лучше. Несомненно, что длинные нкРНК играют важную роль в функциях клетки, но есть и другой, не менее важный класс нкРНК, оказывающий на клетку существенное влияние. Принадлежащие к этому классу нкРНК короткие (длиною обычно в 20-24 основания), и их мишенями являются не ДНК, а молекулы мРНК. Впервые они были обнаружены у уже полюбившихся нам червей С. elegans.