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

Рис. 12.3. Конверсия 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин.С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намерено не показаны, но они присутствуют в местах соединения двойными линиями

Маленькая молекула под названием гидроксил, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода, добавляется к метиловой группе, и в результате этого образуется 5-гидроксиметилцитозин. Эта реакция осуществляется ферментами ТЕТ1, ТЕТ2 или TET3[223].

Это имеет большое значение для вопроса о деметилировании ДНК, так как именно последствия метилирования ДНК делают эту трансформацию важной. Метилирование цитозина воздействует на экспрессию гена, поскольку метилированный цитозин связывает определенные белки, такие как МеСР2. МеСР2 во взаимодействии с другими белками подавляет экспрессию гена и вызывает другие репрессивные модификации, такие как деацетилирование гистонов. Когда какой-либо фермент, такой как ТЕТ1, добавляет гидроксильную группу к метилцитозину для образования молекулы 5-гидроксиметилцитозина, это меняет форму эпигенетической модификации. Если метилированный цитозин можно сравнить с виноградинкой на теннисном мяче, то 5-гидроксиметилцитозин условно похож на фасоль, приклеившуюся к виноградинке, прилипшей к теннисному мячу. Из-за такого изменения формы белок МеСР2 больше не может связываться с модифицированной ДНК. Таким образом, клетка «считывает» 5-гидроксиметилцитозин точно так же, как она считывает неметилированную ДНК.

Многие методы, применявшиеся до недавнего времени, были направлены на поиски присутствия метилирования ДНК, однако с их помощью часто нельзя было выявить различия между неметилированной ДНК и 5-гидроксиметилированной ДНК. Это значит, что многие доклады, в которых сообщалось о пониженном метилировании ДНК, возможно, содержали в себе ошибку, и ученые, сами того не подозревая, в действительности имели дело с повышенным 5-гидроксиметилированием. Хотя это на настоящий момент и не доказано, но, тем не менее, существует вероятность, что вместо фактического деметилирования ДНК, о котором сообщалось в некоторых докладах, посвященным исследованиям поведенческих реакций, на самом деле происходило преобразование нейронами 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин. Методики для изучения 5-гидроксиметилцитозина пока еще находятся в стадии разработок, но нам точно известно, что в нейронах содержатся более высокие уровни этого химического вещества, нежели в любых других типах клеток[224].

Помнить, помнить

Несмотря на все полемики и дебаты, исследования влияния эпигенетических модификаций для функций головного мозга активно продолжаются. Одной из областей, привлекающих к себе особое внимание, является память. Память представляет собой невероятно сложный феномен. В ней задействованы как гиппокамп, так и участок, называемый корой головного мозга, но выполняют они при этом различные функции. Гиппокамп, главным образом, отвечает за консолидирующую память — когда наш мозг сам решает, что ему следует запомнить. Гиппокамп довольно избирателен в способах, которыми он этого добивается, и складывается впечатление, что эти способы, управляемые совершенно особыми механизмами, связаны с кратковременными изменениями в метилировании ДНК. Кора головного мозга служит для долговременного хранения памяти. Когда воспоминания откладываются в коре головного мозга, в метилировании ДНК наблюдаются продолжительные изменения.

Кору головного мозга можно сравнить с жестким диском компьютера с объемом памяти в несколько гигабайт. Гиппокамп же скорее представляет собой микросхему ОЗУ (оперативного запоминающего устройства), где информация обрабатывается, прежде чем будет удалена или перемещена на жесткий диск для постоянного хранения. Наш мозг распределяет собственные различные функции между конкретными популяциями клеток в разных анатомических отделах. Вот почему потеря памяти редко бывает всеобъемлющей. Например, в зависимости от клинического состояния, может наблюдаться относительная утрата как кратковременной, так и долговременной память, или же и та и другая память может относительно не пострадать. То, что многочисленные и разнообразные функции головного мозга разделены между его разными отделами, имеет для нас огромное значение. Только представьте, какой стала бы наша жизнь, если бы мы помнили абсолютно все, что когда-либо случилось с нами — телефонный номер, который мы набрали однажды, каждое слово, которое услышали от случайного попутчика в поезде, или меню же в студенческой столовой в дождливую среду три года назад.

Сложность наших мнемонических систем и является одной из тех причин, по которым исследование памяти представляет собой весьма непростое занятие, поскольку довольно трудно поставить эксперимент, при котором мы были бы абсолютно уверены, какому именно аспекту памяти адресованы наши экспериментальные техники. Но нам совершенно точно известно, что в процессе памяти задействованы долговременные изменения экспрессии генов и способов, которыми нейроны создают между собой связи. И это в очередной раз заставляет нас выдвинуть гипотезу, что в этом свою немаловажную роль могут играть эпигенетические механизмы.

У млекопитающих и метилирование ДНК, и модификации гистонов участвуют в процессе запоминания и обучения. Исследования на моделях грызунов показали, что эти изменения могут быть направлены на очень специфические гены в обособленных участках головного мозга, что мы, собственно, и предполагали. Например, экспрессия белков ДНМТ3А и ДНМТ3Б метилтрансферазы ДНК повышается в гиппокампе взрослых крыс при определенных моделированиях процессов обучения и запоминания. Напротив, при введении тем же крысам ингибитора метилтрансферазы ДНК, такого как 5-азацитидин, формирование памяти блокируется, что отражается как в гиппокампе, так и в коре головного мозга[225].

При заболевании, которое называется синдромом Рубинштейна—Тэйби, у человека мутирует определенный ген гистон- ацетил-трансферазы (белка, добавляющего ацетиловые группы к гистонам). Частым симптомом этого расстройства является умственная отсталость. Мышам с мутировавшей версией этого гена, как мы и предполагали, также свойственны низкие уровни ацетилирования гистонов в гиппокампе. Кроме того, у них возникают серьезные проблемы при процессировании долговременной памяти в гиппокампе[226]. Когда этим мышам вводили САГК, ингибитор гистондеацетилазы, уровни ацетилирования в гиппокампе повышались, и способность к процессированию долговременной памяти улучшалась[227].