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

Королевство подражателей

Так как в процессе созревания медоносных пчел постоянно наблюдается присутствие эпигенетических факторов, ученые выдвинули предположение о существовании некой стоящей за этими явлениями эпигенетической механики. Первые свидетельства того, что эта гипотеза соответствует действительности, были обнаружены в 2006 году. В этот год исследователи определили последовательность генома медоносных пчел и расшифровали его фундаментальную генетическую схему[264]. В результате этих исследований выяснилось, что в геноме медоносных пчел присутствуют гены, которые очень похожи на гены метилтрансферазы ДНК более сложных организмов, таких как позвоночные. Также в геноме медоносных пчел обнаружилось множество мотивов CpG. Это двухнуклеотидная последовательность, являющаяся обычно мишенью для метилтрансфераз ДНК.

В тот же самый год группа ученых из Иллинойса под руководством Джина Робинсона продемонстрировала, что предполагаемые белки метилтрансферазы ДНК, закодированные в геноме медоносных пчел, являются активными. Эти белки были способны добавлять метиловые группы к цитозиновому радикалу на мотиве CpG в ДНК[265]. Медоносные пчелы, кроме того, экспрессировали белки, способные присоединяться к метилированной ДНК. В совокупности эти открытия показали, что медоносные пчелы могут и «писать», и «читать» эпигенетический код.

До опубликования этих сведений никто даже не пытался выдвигать предположения о том, обладают или нет медоносные пчелы системой метилирования ДНК. Дело в том, что наиболее широко распространенная экспериментальная система среди насекомых, а именно плодовая мушка Drosophila melanogaster, с которой мы уже встречались в этой книге, не метилирует свою ДНК.

Интересно отметить, что медоносные пчелы обладают полной системой метилирования ДНК. Однако это не доказывает, что метилирование ДНК у них принимает участие в реакциях на маточное молочко или играет какую-либо роль в воздействии этого вида питания на физическое строение и функциональные особенности взрослых пчел. Исследованию этого вопроса была посвящена весьма оригинальная работа, проведенная в лаборатории доктора Ришарда Малешки в Австралийском национальном университете Канберры.

Доктор Малешка с коллегами заглушили экспрессию одной из метилтрансфераз ДНК у личинок медоносных пчел, подавив ген Dnmt3. Этот ген отвечает за добавление метиловых групп в те регионы ДНК, которые не были метилированы ранее. Результаты этого эксперимента продемонстрированы на рисунке 14.1.

Рис. 14.1. Когда кормление личинок медоносных пчел маточным молочком продолжается в течение длительного периода времени, то эти личинки развиваются в маток. Тот же результат достигается, если не кормить личинок долгое время маточным молочком, но подавить в лабораторных условиях экспрессию их гена Dnmt3. Белок Dnmt3 добавляет метиловые группы к ДНК

Когда ученые понижали экспрессию гена Dnmt3 у личинок медоносных пчел, то результаты эксперимента оказывались такими же, как если бы их кормили маточным молочком. Большинство личинок в зрелом возрасте становились не рабочими пчелами, а матками. Так как подавление экспрессии гена Dnmt3 приводит к тем же результатам, что и кормление маточным молочком, это заставляет предположить, что одна из главных функций маточного молочка непосредственно связана с изменением схем метилирования ДНК на важных генах[266].

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые исследовали реальные схемы метилирования ДНК и экспрессии генов у различных экспериментальных групп пчел. Как оказалось, схемы метилирования ДНК в головном мозге маток и рабочих пчел различны. Схемы метилирования ДНК у пчел с подавленной экспрессией гена Dnmt3 были такими же, как и у обычных маток, питавшихся маточным молочком. Именно этого мы и вправе были ожидать, учитывая, что обе группы обладали одинаковым фенотипом. Схемы экспрессии генов у обычных маток и маток с нокаутированным геном Dnmt3 также оказались очень похожими. Из этого исследователи сделали вывод, что результаты продолжительного кормления маточным молочком достигаются через метилирование ДНК.

В нашем представлении о том, как именно питание личинок медоносных пчел приводит к изменению схем метилирования ДНК, по-прежнему остается много пробелов. Согласно одной из гипотез, построенной на результатах описанного выше эксперимента, маточное молочко подавляет фермент метилтрансферазы ДНК. Однако на настоящий момент никому еще не удалось подтвердить это предположение экспериментально. Поэтому возможно, что воздействие маточного молочка на метилирование ДНК осуществляется и косвенным путем.

Наверняка же нам известно то, что маточное молочко влияет на гормональную сигнальную систему медоносных пчел, вследствие чего и меняются схемы экспрессии генов. Изменения уровней экспрессии гена часто оказывают свое влияние на эпигенетические модификации этого гена. Чем более активен какой-либо ген, тем в большей степени его гистоны модифицируются способами, провоцирующими экспрессию гена. Нечто похожее может иметь место и у медоносных пчел.

Также мы знаем, что системы метилирования ДНК и системы гистоновой модификации часто работают совместно. Это пробудило интерес к роли модифицирующих гистоны ферментов в контролировании развития и активности медоносных пчел. Когда была определена последовательность генома медоносных пчел, ученые идентифицировали четыре фермента гистондеацетилазы. Это открытие оказалось довольно неожиданным, поскольку было известно, что в маточном молочке содержится соединение под названием фенилбутират[267]. Это очень маленькая молекула, которая способна подавлять гистондеацетилазы, но делает она это довольно слабо. В 2011 году группа ученых под руководством доктора Марка Бедфорда из Андерсоновского ракового центра в Хьюстоне опубликовала результаты удивительного исследования еще одного компонента маточного молочка. Одним из авторов этой статьи был профессор Жан-Пьер Исса, оказавший огромное влияние на продвижение эпигенетических препаратов для лечения рака.

Исследователи подвергли анализу соединение, обнаруженное в маточном молочке, которое получило название (Е)-10-гидрокси-2-деценовая кислота или, для краткости, 10ГДК. Строение этого соединения показано на рис. 14.2 вместе с САГК, ингибитором гистондеацетилазы, получившим лицензию лекарственного препарата против рака, с которым мы встречались в Главе 11.