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

Для исследования этого вопроса Руди Джениш создал линию мышей, в клетках которых белок Dnmt1 экспрессировался приблизительно лишь на 10 процентов. Уровни метилирования ДНК в их клетках были очень низкими по сравнению с аналогичными показателями обычных мышей. У этих мышей с мутировавшим геном Dnmt1, рождавшихся мелкими и слабыми, в возрасте между четвертым и восьмым месяцами развивались агрессивные новообразования иммунной системы (Т-клеточные лимфомы). Это было связано с перестановками определенных хромосом и, особенно, в дополнительной копии хромосомы 15 раковых клеткок.

Профессор Джениш предположил, что низкие уровни метилирования ДНК делают хромосомы очень нестабильными и подверженными разрывам. Вследствие этого, возрастает опасность того, что хромосомы могут соединиться неверно. Представьте, что вы разломали пополам розовую и зеленую карамельную конфету, получив в итоге четыре кусочка. Вы можете снова вернуть им первоначальный вид, склеив расплавленным сахаром, и тем самым получить новые две единицы способствующего развитию кариеса лакомства. Но, если вы будете заниматься этим в темноте, то возможно у вас получится некий «гибрид», в котором одна половинка будет зеленой, а другая розовой.

Конечным результатом повышения хромосомной нестабильности у мышей Руди Джениша стала аномальная экспрессия генов. Это, в свою очередь, повлекло за собой стремительное разрастание в высшей степени агрессивных клеток, что и привело к раку[238][239]. Эти данные и является одной из причин, по которым ингибиторы ДНМТ едва ли могут быть использованы для лечения каких-либо иных, кроме рака, заболеваний. Опасность их в том, что эти препараты могут вызвать снижение метилирования ДНК в здоровых клетках, а это может вызвать предрасположенность некоторых типов клеток к раку.

Эти данные свидетельствуют, что сам по себе уровень метилирования ДНК не является важным фактором. Куда большее значение имеет то, где именно в геноме происходят изменения в метилировании ДНК.

Общее снижение уровней метилирования ДНК, сопутствующее старению, было обнаружено не только у людей и мышей, но также и у представителей многих других видов, от крыс до горбуш[240]. Пока еще нет полной ясности в вопросе, почему низкие уровни метилирования ДНК ассоциируются с нестабильностью генома. Возможно, дело в том, что высокие уровни метилирования ДНК могли бы привести к очень компактному строению ДНК, которая структурно стала бы более стабильной. В конце концов, значительно легче перекусить кусачками одну жилу проволоки, чем несколько жил, сплетенных в прочный металлический жгут.

Важно представлять себе, какие титанические усилия прилагают клетки для заботы о своих хромосомах. Когда хромосома рвется, клетка, если это возможно, мгновенно «латает» разрыв. Если же такой возможности у нее нет, то она может запустить механизм саморазрушения, в конечном итоге приводящий к ее «самоубийству». Происходит это потому, что поврежденные хромосомы могут быть опасными. Лучше убить одну клетку, чем позволить ей выжить, неся в себе поврежденный генетический материал. Например, представьте себе, что в одной клетке рвется одна копия хромосомы 9 и одна копия хромосомы 22. Они могут быть починены надлежащим образом, но может случиться и так, что в результате этого ремонта часть хромосомы 9 соединится с частью хромосомы 22.

На самом деле подобная перестройка хромосом 9 и 22 случается относительно часто в клетках иммунной системы. Более того, она происходит настолько часто, что этот гибрид хромосомы 9 и хромосомы 22 стал обозначаться особым термином. Он называется филадельфийской хромосомой, в честь города, где был впервые описан. 95 процентов людей, больных разновидностью рака, которая называется хронической гранулоцитарной лейкемией, имеют в своих раковых клетках филадельфийскую хромосому. Эта аномальная хромосома вызывает такой вид рака в клетках иммунной системы по той причине, что разрыв и воссоединение хромосом происходит в определенном месте генома. Соединение двух хромосомных участков приводит к созданию гибридного гена под названием Bcr-Abl, который активно вызывает чрезвычайно быстрое деление клеток.

Таким образом, наши клетки сформировали очень сложные и безотлагательные способы немедленного восстановления разорвавшихся хромосом, призванные уберечь их от подобного рода аномальных слияний. А для этого клетки должны уметь распознавать свободные концы ДНК, которые образуются, когда хромосома распадается надвое.

Однако не все так просто. Каждая хромосома в наших клетках вполне естественным образом имеет два свободных конца ДНК, по одному с каждой стороны. И что-то должно не позволять восстановительной механике ДНК считать, что эти концы нуждаются в ремонте. Этим «чем-то» является узкоспециализированная структура, которая называется теломером. На каждом конце каждой хромосомы находится по одному теломеру, то есть в каждой клетке человека содержится по 92 теломера. Именно они блокирует механизм восстановления ДНК на концах хромосом.

Конечные участки

Теломеры играют решающую роль в борьбе со старением. Чем чаще делится клетка, тем мельче становятся ее теломеры. Таким образом, по мере старения организма теломеры становятся все короче. В конечном итоге они уменьшаются до такой степени, что оказываются не в силах функционировать должным образом. Клетки перестают делиться и могут даже активировать собственный механизм саморазрушения. Единственный тип клеток, не подчиняющийся такому развитию событий, это половые клетки, из которых образуются яйцеклетки или сперматозоиды. В этих клетках теломеры всегда остаются длинными, так что следующее поколение не оказывается ущемленным в долговечности. В 2009 году за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы. Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.

Поскольку теломеры настолько важны для процесса старения, имеет смысл рассмотреть, как они взаимодействуют с эпигенетической системой. Теломеры ДНК позвоночных состоят из сотен раз повторенной последовательности ТТАГГГ. На теломерах нет генов. Кроме того, эта последовательность говорит нам, что на теломерах нет мотивов CpG, следовательно, там не может быть метилирования ДНК. Если и существуют какие-либо эпигенетические эффекты, имеющие значение для теломеров, то они должны основываться на гистоновых модификациях.

Между теломерами и основной частью хромосомы располагаются участки ДНК, которые называются субтеломерными областями. В них содержатся множества цепочек повторяющейся ДНК. Эти повторения менее ограничены в последовательностях, нежели теломеры. В субтеломерных областях в незначительных количествах присутствуют гены. В них есть и некоторые мотивы CpG, так что эти области могут подвергаться не только гистоновым модификациям, но и метилированию ДНК.