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

Дрожжам присущ особый признак, делающий их одной из излюбленных модельных систем в эпигенетике. Дрожжи никогда не метилируют свою ДНК, поэтому любые эпигенетические эффекты должны вызываться гистоновыми модификациями. У дрожжей есть и еще одна полезная характеристика. Каждый раз, когда материнская клетка дрожжей порождает дочернюю клетку, у матери на месте отделившейся почки остается шрам. Эта особенность позволяет легко определить, сколько раз делилась каждая клетка. У дрожжей существуют два типа старения, каждый из которых может быть сопоставлен со старением человека, как это показано на рисунке 13.2.

Рис. 13.2. Две модели старения дрожжей — для делящихся и неделящихся клеток

Наибольшее внимание при исследовании вопросов старения уделяется репликационному типу, когда ученые стремятся понять, почему клетки утрачивают свою способность делиться. Репликационное старение у млекопитающих непосредственно связано с некоторыми очевидными симптомами возрастных изменений. Например, в скелетной мышце находятся специфические стволовые клетки, которые называются сателлитными клетками. Они могут делиться лишь ограниченное число раз. Как только они лишатся этой способности, перестанут создаваться и новые мышечные волокна.

В понимании принципов репликационного старения у дрожжей был достигнут значительный прогресс. Один из ключевых ферментов, контролирующих этот процесс, называется Sir2 и является эпигенетическим белком. Он влияет на репликационное старение дрожжей двумя путями. Один из них кажется присущим исключительно дрожжам, тогда как другой обнаруживается и у многочисленных видов на эволюционном древе вплоть до человека.

Sir2 является гистондеацетилазой. Мутировавшие дрожжи, излишне активно экспрессирующие Sir2, отличаются репликационной продолжительностью жизни, которая, по меньшей мере, на 30 процентов превышает обычный срок жизни[241]. И напротив, для дрожжей, не экспрессирующих Sir2, характерна гораздо меньшая продолжительность жизни[242], уступающая обычной приблизительно на 50 процентов. В 2009 году профессор Шелли Бергер, удивительно трудоспособная исследовательница из Университета Пенсильвании, возглавляемый которой коллектив добился выдающихся успехов в области молекулярной эпигенетики, опубликовала результаты цикла поистине уникальных генетических и молекулярных экспериментов на дрожжах.

Ее исследования показали, что белок Sir2 влияет на старение, удаляя ацетиловые группы с гистоновых белков, и в этом заключается его единственное предназначение. [243]. Это был ключевой эксперимент, поскольку для Sir2, как и для многих гистондеацетилаз, характерна некоторая молекулярная распущенность. Он не просто удаляет ацетиловые группы с гистоновых белков, но и еще у 60-ти других белков клетки. Многие из этих белков не имеют никакого отношения к хроматину или экспрессии генов. Работа Шелли Бергер убедительно продемонстрировала, что Sir2 влияет на старение именно своим воздействием на гистоновые белки. Измененная эпигенетическая схема на гистонах, в свою очередь, влияет на экспрессию генов.

Эти данные, показывающие, что эпигенетические модификации гистонов действительно оказывают решающее влияние на старение, помогли занимающимся этой темой ученым понять, что они движутся в правильном направлении. И важность Sir2 не ограничивается лишь дрожжами. Если мы сильно повысим уровень экспрессии Sir2 в уже полюбившемся нам черве С. elegans[244], он проживет дольше. Продолжительность жизни дрозофил, активно экспрессирующих Sir2, увеличивается приблизительно на 57 процентов[245]. Может быть, этот ген так же важен и для процесса старения человека?

У млекопитающих существует семь разновидностей гена Sir2, от SIRT1 до SIRT7. Основное внимание при изучении старения у человека ученые уделяют гену SIRT6, представляющим собой довольно необычную гистондеацетилазу. Истинный прорыв в этой области был сделан в лаборатории молодого доцента Стэнфордскош центра долголетия Катрин Чуа, (которая приходится сестрой Эми Чуа, автора вызвавших в высшей степени оживленную полемику мемуаров «Боевая песнь матери-тигрицы»).

Катрин Чуа вывела линию мышей, которые никогда не экспрессируют белок Sirt6, даже в период собственного развития (они стали известны как нокаутные мыши по гену Sirt6). При рождении эти животные выглядели вполне нормальными, хотя и уступали в размерах обычным мышам. Но, начиная с двухнедельного возраста, они демонстрировали целый ряд признаков, присущих процессу старения. В их число входили утрата подкожного жира, искривление позвоночника и нарушение метаболизма. В возрасте одного месяца эти мыши умирали, тогда как обычные мыши в лабораторных условиях способны прожить до двух лет.

Большинство гистондеацетилаз крайне неразборчивы. Под этим мы подразумеваем, что они деацетилируют любой ацетилированный гистон, который смогут разыскать. Более того, как уже упоминалось выше, многие из них даже не ограничиваются только гистонами и удаляют ацетиловые группы с любых белков. Однако SIRT6 в этом плане просто уникален. Он удаляет ацетиловые группы исключительно с двух особых аминокислот — лизин 9 и лизин 56, которые обе находятся на гистоне H3. Этот фермент, как представляется, также предпочитает гистоны, расположенные на теломерах. Когда Катрин Чуа «нокаутировала» ген SIRT6 в человеческих клетках, она обнаружила, что теломеры этих клеток оказались поврежденными, и хромосомы в них начали соединяться. Клетки утратили способность делиться и прекратили выполнять подавляющую часть своих функций[246].

Отсюда следует, что клетки человека нуждаются в SIRT6 для сохранения нормальной структуры теломеров. Но это не единственная роль белка SIRT6. Ацетилирование гистона 3 на аминокислоте 9 связано с экспрессией генов. Когда SIRT6 удаляет эту модификацию, эта аминокислота может быть метилирована другими ферментами, присутствующими в клетке. Метилирование этой позиции на гистоне связано с репрессией генов. Катрин Чуа продолжила эксперименты, результаты которых подтвердили, что изменение уровней экспрессии SIRT6 меняет экспрессию отдельных генов.