Перевод: введение в эпигенетику

Руководство по объяснению всего

Перевод статьи The Guardian

Слово “эпигенетика” сейчас встречается везде: не только в научных журналах и научно-популярных статьях, но и в рекламных объявлениях чудо-лекарств. Что же такое эпигенетика, и почему она так важна?

Метилирование ДНК. Источник: NIH Center for Macromolecular Modeling & Bioinformatics

Эпигенетика — одна из самых популярных сфер исследования в науке о жизни. Этот феномен оказывает значительное влияние на биологическую науку и интересует всех исследователей в области медицины. Его способность заполнить некоторые пробелы в наших знаниях упоминается везде: начиная с академических журналов, заканчивая ненаучными СМИ, найденными вами где-нибудь на задворках Интернета.

Интересно, почему однояйцевые близнецы на самом деле не являются абсолютно одинаковыми людьми? Эпигенетика!

Хотите обвинить своих родителей в чём-то, что, похоже, не носит генетический характер наследования? Эпигенетика!

Получили странные результаты эксперимента, которые, похоже, не имеют смысла? Эпигенетика!

Хотите считать себя здоровым? Это не эпигенетика! (Извините за это).

Но что же именно такое эпигенетика, по поводу чего весь сыр-бор?

Основы

Появление слова “эпигенетика” в опубликованных книгах с 1800 по 2008 годы. Источник: The Telegraph

Эпигенетика является дополнительным пластом информации поверх того, который записан в последовательности букв А, Т, Г, Ц, составляющих нашу ДНК.

Если принять последовательность ДНК за текст руководства, которое объясняет, как же сделать человеческое тело, то эпигенетика — это будто кто-то взял несколько текстовыделителей и использовал разные цвета для того, чтобы отметить разные части текста по-разному. Например, он использовал розовый цвет, чтобы отметить текст, который необходимо прочитать внимательнее, а синий использовал для малозначительных деталей.

Существуют различные типы эпигенетических отметок, и каждая из них приказывает белкам в клетке по-разному работать с ДНК. Например, ДНК может быть помечена крошечными молекулами, называемыми метильными группами, которые держатся за некоторые из её букв Ц. Другие отметки могут быть добавлены к белкам, которые называются гистонами и очень крепко связаны с ДНК. Существуют белки, которые способны отыскивать и специфически связываться (от ред.: специфичность — свойство избирательно взаимодействовать только с одной определённой молекулой или одним определённым видом молекул) с метилированными областями, как бы закрывая их; так гены, последовательности которых находятся в этих областях, оказываются инактивированными. Так что метилирование, как синий текстовыделитель, как бы говорит: “Сейчас тебе не нужно ничего знать об этом”.

Двойная спираль ДНК, обёрнутая вокруг четырёх белков-гистонов, образовавшая структуру, называемую нуклеосомой. Автор: Richard Wheeler (Zephyris).

Метильные группы и другие небольшие молекулярные метки могут присоединяться к разным областям гистоновых белков, вызывая при этом различные эффекты. Некоторые метки ослабляют связь между ДНК и гистонами, что делает ДНК более доступной для белков, которые ответственны за активацию генов в этом регионе. Это как розовый текстовыделитель, говорящий: “Хэй, эта часть очень важна!” Другие метки могут делать ровно обратное или привлекать другие белки с иными функциями. Существуют эпигенетические маркеры, группирующиеся вокруг стартовых точек генов; маркеры, “выделяющие” довольно длинные последовательности; маркеры, “выделяющие” короткие участки. Есть даже эпигенетические модификации РНК, совершенно новая область, которой я невероятно заинтересована, но при этом пытаюсь её игнорировать, так как это неизбежно добавит мне много дополнительной работы в управлении проектом и в подготовке к получению гранта. Нет сомнений, что существует огромное множество других маркеров, о которым мы даже не подозреваем.

Даже если каждая клетка в вашем теле содержит одну и ту же последовательность ДНК с разницей в пару букв, каждая клетка имеет свой “шаблон выделения текста”: клетка печени не должна следовать таким же инструкциям, которым должна следовать клетка мозга. Но что действительно интересно в эпигенетике, так это то, что маркеры не являются фиксированными, как ДНК-последовательность. Некоторые из них могут меняться в течение вашей жизни в ответ на внешнее воздействие. Некоторые из них могут даже наследоваться, точно так же, как выделенный текст остаётся виден на копии документа.

Эпигенетика и наш опыт

Любые внешние раздражители, которые могут быть нами восприняты, потенциально могут вызвать эпигенетические изменения. Пока ещё не ясно, какое именно влияние может быть оказано и на какие маркеры, а также неизвестны механизмы воздействия и его последствия, но есть целый ряд хорошо описанных примеров о влиянии, например, химических факторов или образа жизни:

-Бисфенол А (BPA) является добавкой в некоторые пластики. Часто эти добавки ассоциируют с раком и некоторыми другими заболеваниями. BPA уже был убран из состава потребительских товаров в некоторых странах. Предполагается, что он оказывает эффекты через ряд механизмов, включающих в себя эпигенетические модификации.

Структурная формула бисфенола А. Источник: Studfiles.ru

-Благотворное влияние физических упражнений уже давно известно, но механизмы, с помощью которых они оказывают своё действие, на удивление, до сих пор неясны. Тем не менее, существуют доказательства того, что в мышечной и жировой тканях при выполнении физических упражнений происходят эпигенетические изменения.

-Жестокое обращение и другие формы детских травм, вероятно, влияют на паттерны метилирования ДНК, которые могут объяснить плохое состояние здоровья, с которым многие жертвы сталкиваются во взрослом возрасте.

Эпигенетическое наследование

Это та самая область обсуждений, в которой истерия создаётся куда быстрее, чем движется реальная наука. Существуют некоторые интересные ранние исследования эпигенетического наследования, но большинство из доказательств построено на результатах опытов, проведённых на мышах. Есть предположения, что некоторые из этих результатов также применимы к человеку, но учёные только начали разбираться в этой теме.

Мы знаем уже в течение некоторого времени, что некоторые факторы среды, с которыми сталкиваются взрослые мыши, могут быть переданы их потомству при помощи эпигенетических механизмов. Самым лучшим примером является ген агути (agouti gene), который метилируется у нормальных коричневых мышей. Мыши с неметилированным геном имеют жёлтую окраску и страдают ожирением, несмотря на то, что генетически они по существу идентичны своим худым коричневым собратьям. Изменяя диету беременной матери, можно изменить отношение количества коричневых мышей к количеству жёлтых: приём фолиевой кислоты приводит к появлению большего количества коричневых, в то время как влияние BPA приводит к появлению жёлтых.

Жёлтые и коричневые мыши с неметилированным и метилированным геном агути соответственно. Источник: Slon.ru

Исследования эпигенетического наследования аддиктивного поведения менее результативны, однако выглядят весьма перспективными. Исследования на крысах показали, что воздействие THC (активного соединения каннабиса) в подростковом возрасте может вызвать у будущего потомства признаки предрасположенности к героиновой зависимости.

Исследования на людях, чьи предки пережили периоды голода в Швеции и Нидерландах, свидетельствуют о том, что последствия голода могут наследоваться через, по крайней мере, три поколения. Голодание близкого предка предположительно влияет на развитие диабета и сердечно-сосудистых заболеваний, которые, возможно, являются эволюционным ответом для смягчения последствий любых будущих лишений в рационе.

“Необходимы дальнейшие исследования”

Эпигенетические исследования продолжаются во многих лабораториях. Одним из интересных направлений является применение технологий секвенирования с высокой пропускной способностью к описанию сотен “эпигеномов” (эпигенетических маркеров по всему геному). Я управляю проектом, который является частью Международного консорциума человеческой эпигеномики (International Human Epigenomics Consortium, IHEC), а также являюсь членом нескольких рабочих групп консорциума, так что я каждый день вижу быстрый прогресс науки. Целью IHEC является создание по меньшей мере 1000 публично доступных “эталонных” эпигеномов (паттернов метилирования ДНК, шестигистонных модификаций и активации генов) с нормальных и патологических клеток. Эти эталоны будут служить основой для других исследований таким же образом, как эталонный геном из проекта “Геном человека”. Так учёные смогут сравнить свои результаты для выявления изменений, связанных с конкретными заболеваниями.

Эта сфера гарантированно будет подогревать интерес общественности, статьи по ней будут пестреть броскими заголовками. Кажущаяся способность эпигенетики заполнить некоторые пробелы в нашем понимании здоровья человека и развития болезней, а также обеспечить понимание механизмов влияния нашего жизненного опыта, делает её невероятно интересной областью исследований. Однако мы должны быть осторожны, чтобы не переусердствовать в интерпретации доказательств, которые мы до сих пор собрали. Мы, конечно, должны крайне скептически относиться к любому утверждению, что мы можем изменить наши эпигеномы сознательно лишь определённым способом мышления.

Теперь же, надеюсь, и ваш интерес к данной области вырос (и, возможно, возрастёт у ваших будущих детей. Эпигенетика!). В следующей части я расскажу о роли эпигенетических изменений в возникновении рака и других заболеваний и о том, что это значит для разработки новых вариантов лечения.

Ссылки на видео об эпигенетике на сайте IHEC. Также существует бесплатный открытый Интернет-курс (Massive Open Online Course, MOOC) по эпигенетике, предлагаемый университетом Мельбурна на сайте Coursera. Не могу за него ручаться, конечно, но он выглядит неплохо, и я даже записалась на него, так что смогу иметь его в виду (от ред. — курс перезапущен 16 января 2017).

Cath Ennis. Источник: личная страница в Twitter

Кэт Эннис является руководителем проекта, проводимого в Ванкувере, и автором гранта в области геномики и эпигеномики рака. Помогите ей исследовать эпигенетические эффекты Twitter: @enniscath.