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

Сорок лет назад никто до конца не понимал, как действует 5-азацитидин. По химическому строению он очень похож на основание Ц (цитидин) в ДНК и РНК. 5-азацитидин, как предполагалось, добавлялся в цепочки ДНК и РНК. Оказавшись там, он каким-то образом нарушал нормальное копирование ДНК и транскрипцию или активность РНК. Раковые клетки, подобные тем, что возникают при лейкемии, чрезвычайно активны. Им необходимо синтезировать в больших объемах белки, а это значит, что они должны транскрибировать большие количества мРНК. Так как делятся они очень быстро, им, кроме того, нужно стремительно воспроизводить свои ДНК. Но если в один или оба эти процесса вмешивался 5-азацитидин, то вещество, так или иначе, препятствовало росту и делению раковых клеток.

Питер Джонс с коллегами изучали воздействие 5-азацитидина на различные клетки млекопитающих. Выращивать множество типов клеток в лабораторных условиях, если брать их непосредственно у человека или животных — задача невероятно кропотливая. Даже если создать все необходимые условия для роста клеток, они могут вдруг перестать делиться после нескольких циклов и погибнуть, что случается довольно часто. Чтобы обойти эту проблему, Питер Джонс работал с клеточными линиями. Клеточные линии изначально получают от животных, включая человека, но в результате удачного стечения обстоятельств или экспериментальных манипуляций они способны расти в культуре при наличии необходимых питательных веществ, подходящей температуры и условий окружающей среды неограниченное время. Клеточные линии несколько отличаются от непосредственно клеток организма, тем не менее, они представляют собой вполне пригодную экспериментальную систему.

Типы клеток, которые исследовали Питер Джонс и его коллеги, обычно выращиваются в плоских пластиковых колбах, в чем-то похожих на лежащие на боку прозрачные плоские фляжки для виски или бренди. Клетки млекопитающих выращиваются на плоской внутренней поверхности таких фляжек. Они образуют единственный слой клеток, лежащих вплотную друг к другу, но никогда не растут слоями.

Однажды утром, после того как уже в течение нескольких недель клетки культивировались в вместе с 5-азацитидином, исследователи обнаружили в одной из колб с культурой странный комок. Для невооруженного глаза на первый взгляд он выглядел как грибковая инфекция. Большинство людей в такой ситуации вымыли бы колбу и дали себе слово впредь быть более аккуратными при культивировании клеток, чтобы подобное больше никогда не повторилось. Но Питер Джонс поступил иначе. Он тщательно исследовал этот комок и пришел к выводу, что тот был вовсе не грибком. Этот комок состоял из огромного количества клеток, слившихся в гигантские клетки с множеством ядер. Там были крошечные мышечные волокна, синцитиальные ткани, с которыми мы встречались при обсуждении процесса подавления хромосомы X. Как оказалось, эти микроскопические мышечные волокна иногда даже сокращались.[168]

Это было более чем странно. Хотя линия клеток изначально была получена от эмбриона мыши, ничего подобного мышечной клетке ранее обычно не формировалось. Как правило, она развивалась в клетки эпителия — тип клеток, выстилающих поверхности большинства наших органов. Работа Питера Джонса продемонстрировала, что 5-азацитидин способен менять потенциал этих эмбриональных клеток и вынуждать их становиться мышечными, а не эпителиальными, клетками. Но почему химическое соединение, убивающее раковые клетки, вероятно, подавлением продукции в них ДНК и мРНК, дало здесь такой неожиданный результат?

Переехав из Южной Африки в Университет Южной Калифорнии, Питер Джонс продолжил заниматься этой темой. Два года спустя он и работавшая под его руководством доктор философии Ширли Тейлор обнаружили, что клеточные популяции, обработанные 5-азацитидином, формируют не только мышечную ткань. Они могли создавать клетки других типов, в том числе жировые клетки (адипоциты) и клетки, которые называются хондроцитами. Эти клетки вырабатывают хрящевые белки, подобные тем, что выстилают поверхности суставов и позволяют двум плоскостям беспрепятственно скользить друг по другу.

Эти результаты показали, что 5-азацитидин не является каким-то особым ориентированным на мышцы фактором. В докладе, посвященном этой работе, профессор Джонс выдвинул удивительное по своей проницательности предположение, что «5-азацитидин… вызывает реверсию в более плюрипотентное состояние»[169]. Другими словами, это химическое соединение закатывало шарик немного вверх по склонам уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. После этого он опять начинал скатываться вниз по долинам среди его холмов, но останавливался уже совсем в другой конечной точке.

Однако по-прежнему не существовало теории о том, почему 5-азацитидин приводит к таким неожиданным результатам. В связи с этим Питер Джонс самокритично вспоминает чудную историю, ставшую поворотным пунктом в подходе к самой проблеме. Когда он стал работать в Университете Южной Калифорнии, то сначала получил назначение на факультет педиатрии, однако ему очень хотелось работать по совместительству и на факультете биохимии. Чтобы получить это место, ему предстояло пройти дополнительное собеседование, которое сам он считал абсолютно бессмысленным. В ходе интервью Питер Джонс, рассказав о своей работе с 5-азацитидином, отметил, что никому не известно, почему это химическое соединение воздействует на плюрипотентность клеток. Роберт Стеллваген, другой ученый из этого же университета, также принимавший участие в интервью, спросил: «А вы не думали о метилировании ДНК?» Наш кандидат признался, что не только не думал, но и никогда не слышал о нем[170].

Питер Джонс и Ширли Тейлор немедленно занялись метилированием ДНК и очень скоро продемонстрировали, что именно оно было причиной таких эффектов 5-азацитидина. Это соединение подавляло метилирование ДНК. Питер Джонс и Ширли Тейлор синтезировали ряд родственных ему химических соединений и протестировали их влияние на клеточную культуру. Те из них, что препятствовали метилированию ДНК, также вызывали изменения в фенотипе, которые осуществлял и 5-азацитидин. Соединения, не влиявшие на метилирование ДНК, не оказывали на фенотип никакого воздействия[171].

Метиляционный «тупик»

Цитидин (основание Ц) и 5-азацитидин очень похожи по химическому строению. Они показаны на рисунке 11.1, где для простоты продемонстрированы лишь самые главные компоненты их структуры (они называются цитозин и 5-азацитозин соответственно).

В верхней части диаграммы, которая очень похожа на рисунок 4.1, показано, что цитозин может быть метилирован метил-трансферазой ДНК (ДНМТ1, ДНМТ3А или ДНМТ3Б) для создания 5-метилцитозина. В 5-метилцитозине атом азота (N) заменяет ключевой атом углерода (С), который обычно и метилируется. Метилтрансферазы ДНК не могут добавлять метиловую группу к этому атому азота.