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

Существуют три причины, по которым они, как и многие их коллеги, настроены столь скептически. Первая из них заключается в том, что многие эпигенетические изменения, которые были замечены, относительно невелики. Скептики очень сомневаются, что такие несущественные молекулярные изменения могут привести к появлению явно выраженных фенотипов. По их мнению, только лишь наличие изменений не говорит о том, что они обязательно должны привести к какому-то функциональному результату, и они сомневаются в том, что изменения в эпигенетических модификациях носят всего лишь коррелятивный, а не каузативный характер.

Ученые, исследующие поведенческие реакции в различных системах с участием грызунов, в ответ на это отмечают, что в молекулярной биологии вся работа строится на исключительно искусственных экспериментальных моделях, на которых изучаются распространённые молекулярные изменения и на основании их делаются очень категоричные заключения. Сторонники бихевиоризма утверждают, что в силу этого молекулярные биологи не способны достаточно верно интерпретировать эксперименты из реальной жизни, результаты которых оказываются более «смазанными» и склонными к большей вариативности.

Вторая причина скептицизма лежит в очень локализованной природе эпигенетических изменений. Стресс в младенческом возрасте воздействует на определенные участки мозга, такие как прилежащее ядро, оставляя другие нетронутыми. Эпигенетические метки меняются только на одних генах, но не на других. Это кажется менее веской причиной для скептицизма. Хотя обычно мы оперируем термином «мозг», на самом деле этот орган обладает множеством в высшей степени специализированных центров и участков, являющихся продуктом сотен миллионов лет эволюции. Так или иначе, все эти самостоятельные области формировались и совершенствовались в процессе эволюции, сохранив за собой способность разным образом реагировать на внешние раздражители. В равной степени это относится и ко всем нашим генам во всех наших тканях. Действительно, мы не до конца понимаем, каким образом эпигенетические модификации настолько точно определяют свои мишени и каким образом сигналы, поступающие от таких химических веществ как нейротрансмиттеры, достигают этих мишеней. Но мы знаем, что подобные специфические явления происходят в процессе нормального развития, — так почему бы им не иметь места в аномальные периоды стрессов или других средовых катаклизмов? Только то, что нам неизвестен механизм какого-либо явления, отнюдь не означает, что этого явления не существует. В конце концов, Джон Гердон не знал, как зрелые ядра перепрограммируются цитоплазмой яйцеклетки, но это не значит, что сделанные им во время экспериментов открытия были ошибочными.

Третья — и, пожалуй, наиболее важная — причина скептицизма непосредственно связана с самим метилированием ДНК. Метилирование ДНК генов-мишеней в мозге у грызунов происходит, возможно еще до рождения, но совершенно точно — уже в первый день жизни. А означает это то, что участвовавшие в экспериментах новорожденные мыши или крысы начинали свою жизнь уже с определенной базовой схемой метилирования ДНК гена рецептора кортизола в гиппокампе. Уровни метилирования ДНК на этом промоторе меняются через первую неделю жизни в зависимости от заботы и ласки, которые получают новорожденные крысята от матерей. Как мы видели, уровни метилирования ДНК оказались выше у обделенных любовью мышат, нежели у их пользующихся вниманием матери сверстников. Но причина этого не в том, что у «нелюбимых» малышей уровни метилирования ДНК повышаются. Напротив, дело в том, что уровни метилирования ДНК понижаются у тех юных грызунов, которых обласкивают матери. Это же справедливо и в отношении гена аргинин-вазопрессина у новорожденных мышат, отлученных от матерей. То же самое мы можем сказать и о гене кортикотропин-высвобождающего гормона у взрослых мышей, подвергнутых тесту «социального унижения».

Итак, то, что наблюдали ученые в каждом случае, было понижением уровней метилирования ДНК в ответ на раздражитель. И, с молекулярной точки зрения, именно в этом и состоит проблема, поскольку никому не известно, как это происходит. В главе 4 мы рассматривали, как копирование метилированной ДНК приводит к тому, что на одной цепочке оказываются метиловые группы, тогда как на другой они отсутствуют. Фермент ДНМТ1 движется вдоль только что синтезированной цепочки и добавляет к ней метиловые группы, восстанавливая схему метилирования и используя в качестве образца исходную цепочку. Мы можем предположить, что у наших экспериментальных животных наблюдался недостаток фермента ДНМТ1, и поэтому уровни метилирования на гене падали. Это явление называется пассивным деметилированием ДНК.

Проблема в том, что в случае с нейронами этот механизм не работает. Нейроны принадлежат к необратимо дифференцированным клеткам — они находятся на самом дне уоддингтоновского ландшафта и не способны к делению, поэтому не копируют свою ДНК, так как для этого просто нет причин, как следствие, нейроны не могут утратить метилирование ДНК описанным в главе 4 способом.

Существует возможность, что нейроны просто удаляют метиловую группу с ДНК. В конце концов, ведь гистондеацетилазы удаляют ацетиловые группы с гистонов. Однако метиловая группа на ДНК представляет собой нечто иное. С химической точки зрения ацетилирование гистонов можно приблизительно сравнить с добавлением маленького кирпичика Лего к более сложной конструкции. Снова разделить их на самостоятельные элементы довольно просто. При метилировании ДНК сделать это невозможно. Метилирование ДНК больше похоже на соединение двух элементов Лего в одно целое супермощным клеем.

Химическая связь между метиловой группой и цитозином в ДНК настолько сильна, что долгие годы она считалась абсолютно неразрывной. В 2000 году группа исследователей из Института Макса Планка в Берлине показала, что это не так. Ученые продемонстрировали, что у млекопитающих на самых ранних стадиях развития отцовский геном претерпевает экстенсивное деметилирование ДНК. Мы уже встречались с ним в главах 7 и 8. Тогда мы только упомянули, что это деметилирование происходит прежде, чем зигота начинает делиться. Другими словами, метилирование ДНК удаляется без какого-либо копирования ДНК[222]. Это называется активным деметилированием ДНК.

А это значит, что существует прецедент удаления метилирования ДНК в неделящихся клетках. Возможно, в нейронах действует подобный механизм. По-прежнему не умолкают споры о том, как именно происходит активное удаление метилирования ДНК, даже на хорошо изученных этапах раннего развития. Еще более существенные разногласия наблюдаются в вопросе, как это происходит в нейронах. Одна из причин, по которым это настолько сложно установить, заключается в том, что в процесс активного деметилирования ДНК вовлечены самые разнообразные белки, осуществляющие этот процесс поэтапно и в строгой последовательности. Все это предельно затрудняет воспроизведение всего процесса в лабораторных условиях, что является золотым стандартом для подобного рода исследований.

Подавление «глушителя»

Научные исследования, чему мы уже неоднократно были свидетелями, часто приводят к совершенно неожиданным открытиям, что и произошло в данном случае. Пока множество эпигенетиков искали фермент, удаляющий метилирование ДНК, одна из групп исследователей обнаружила ферменты, добавляющие нечто особенное к метилированной ДНК. Как это происходит, показано на рисунке 12.3. Самым удивительным стало то, что это явление привело практически к тем же последствиям, что и деметилирование нуклеиновой кислоты.