Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Если на данном участке ДНК много ЦГ-мотивов, он имеет много мест, к которым способна эпигенетически присоединяться метильная группа. Это привлекает белки, подавляющие экспрессию соответствующего гена. В экстремальных случаях, когда имеется множество ЦГ-мотивов, находящихся поблизости друг от друга, метилирование ДНК может оказывать чрезвычайно сильное и глубокое воздействие. В сущности, при этом ДНК меняет форму и соответствующий геи полностью выключается. Более того, он может отключаться не только в данной клетке, но и во всех дочерних, создаваемых ею в результате деления. В неделящихся клетках (скажем, нейронах мозга) такие схемы метилирования ДНК порой складываются еще в тот период, когда мы находимся в утробе матери. Многие из этих схем будут продолжать действовать и через сто лет, если нам удастся протянуть так долго.

Осознание того, что метилирование ДНК умеет практически на всю жизнь отключать гены конкретного человека, произвело много шума. Похоже, наконец-то ученые обзавелись механизмом, объяснявшим то, что десятилетиями мучило специалистов. Уже давно было известно, что генетика объясняет не все: существует масса ситуаций, когда два генетически идентичных объекта все же различны. Вот примеры. Когда гусеница окукливается и затем превращается в бабочку, она продолжает использовать тот же геном. Генетически тождественные друг другу мыши, выращенные в лаборатории при совершенно одинаковых условиях, имеют разный вес.

Мы с вами, дорогие читатели, являем собой подлинные шедевры эпигенетики. 50-70 триллионов клеток человеческого организма почти все содержат, по большому счету, один и тот же генетический код[23]. И выделяющие соль клетки наших потовых желез, и кожные клетки наших век, и клетки, которые вырабатывают амортизирующую хрящевую ткань в наших коленях, — все они содержат одну и ту же ДНК. Они просто по-разному используют информацию, содержащуюся в ее генах: тут многое зависит от конкретной ткани. Скажем, нейроны головного мозга экспрессируют рецепторы нейротрансмиттеров, но отключают гены, отвечающие за выработку гемоглобина — пигмента, в котором наши красные кровяные тельца переносят кислород.

Все это — примеры ситуаций, которые мы не первое десятилетие именуем эпигенетическими явлениями. Да-да, тот же самый термин, что и для модификаций. И не зря. Речь идет о ситуациях, когда происходит что-то «в добавление к» генетическому коду.

Открытие процесса метилирования ДНК наконец дало нам механизм эпигенетических явлений. В нейроне гены, отвечающие за выработку гемоглобина, подвергаются массированному метилированию и отключаются. Они остаются в отключенном состоянии на протяжении всей жизни человека. Однако в клетках, порождающих красные кровяные тельца, эти гены не метилируются, и гемоглобин преспокойно синтезируется. Зато в этих клетках при помощи эпигенетического механизма отключаются гены, кодирующие рецепторы нейротрансмиттеров.

Метилирование ДНК — процесс, приводящий к довольно стойким изменениям. Удалить модифицирующие группы на удивление трудно. Это хорошо — если вашим клеткам нужно на протяжении долгих периодов поддерживать определенные гены в отключенном состоянии. Однако зачастую наши клетки вынуждены откликаться на кратковременные изменения в своем окружении: скажем, если мы пьем алкогольные напитки или вымотались после собеседования при устройстве на работу. Тогда организм обращается к другой системе. Клетки добавляют модификации к гистонам, расположенным рядом с генами. Этот процесс тоже может отключать гены, однако такие модификации сравнительно легко удалить, а значит, при необходимости клетка сумеет быстро включить гены вновь. Гистонные модификации также могут применяться для модулирования экспрессии гена: его можно включить слегка, посильнее, очень сильно, на всю катушку. Метилирование ДНК в этом смысле подобно выключателю, а модификации гистонов — регулятору громкости.

Гистонные модификации могут выступать как механизм тонкой настройки генетической экспрессии благодаря тому, что таких модификаций множество. Если ДНК сравнить с черно-белым изображением (возможно, разбавленным некоторыми оттенками серого в зависимости от уровня метилирования), то гистонные модификации — это яркая цветная картинка. В гистонах есть множество аминокислот, способных подвергаться модификации. К этим многообразным аминокислотам могут пристраиваться по меньшей мере 60 различных химических групп. Это выводит нас на невероятный уровень сложности, поскольку для каждого гена (или для одного и того же гена в разных типах клеток) существуют тысячи возможных комбинаций гистонных модификаций. Клетка интерпретирует их по-разному, поскольку эти модификации будут привлекать различные комплексы белков, контролирующие генетическую экспрессию и картину ее распределения. Одни комбинации будут усиливать экспрессию генов, другие — ослаблять ее.

Отыскать местечко в геноме

Но ученых годами терзала одна загадка. Ферменты, пристраивающие модификации к гистонам, не различают особенностей ДНК-последовательности. Они не связываются с ДНК и не умеют отличать одну ДНК-последовательность от другой. Однако выяснилось, что в присутствии определенного стимула (для разных ферментов он может быть разным) ферменты с высокой точностью модифицируют определенные гистоны. Они добавляют модифицирующие группы к гистонам, расположенным на нужных генах (или удаляют из них модифицирующие группы), игнорируя близлежащие гистоны, связанные с генами, которые их не интересуют.

Современные исследования вроде бы показывают, что одна из функций длинных некодирующих РНК — выступать в роли своего рода молекулярного клейкого вещества, привлекающего гистономодифицирующие ферменты в окрестности выбранных генов. Одно из указаний на это получено при изучении функций определенных длинных некодирующих РНК в эмбриональных клетках человека (мы говорили об этих клетках в главе 8). Ученые показали, что примерно треть исследованных длинных некодирующих РНК соединяется с белковыми комплексами, в состав которых входят и гистономодифицирующие ферменты. Чтобы выяснить, имеет ли какие-то функциональные последствия такое связывание длинных некодирующих РНК с белками, исследователи подавляли экспрессию гистономодифицирующего фермента, который входит в состав комплекса. Почти в половине случаев изучаемые воздействия на клетку и на экспрессию генов оказывались такими же, как если бы экспериментаторы подавляли самую длинную некодирующую РНК. Это позволило предположить, что длинная некодирующая РНК и ферменты, модифицирующие гистоны, действительно ведут в клетке совместную деятельность2.

Многие исследователи взаимодействия между длинными некодирующими РНК и эпигенетическими системами обращают главное внимание на определенный эпигенетический фермент. Он производит особую гистонную модификацию, которую с высокой вероятностью связывают с отключением генов. Будем называть этот фермент главным репрессором[24]. Оказалось, он взаимодействует со множеством различных длинных некодирующих РНК.

Длинная некодирующая РНК этого гена нацеливается на главный репрессор этого гена, а он затем создает на гистонах репрессивные модификации, тем самым заглушая экспрессию генов. Эти репрессивные модификации привлекают к себе другие белки, которые связываются с данным геном и подавляют его еще сильнее.

Такой контроль, осуществляемый главным эпигенетическим ферментом-репрессором, часто используется для управления генами, которые кодируют другие эпигенетические ферменты. Нередко такие гены оказывают противоположное воздействие на главный репрессор, то есть они склонны не отключать, а включать гены. Суммарный эффект таков: главный репрессор оказывает сильное влияние на общий характер генетической экспрессии3. Он подавляет гены не только напрямую, но и при косвенном воздействии — препятствуя экспрессии эпигенетических ферментов, которые обычно отключают другие гены. Получается двойной эпигенетический удар.

Как правило, это совершенно нормальная составляющая процессов контроля генетической экспрессии в наших клетках. Система делает в точности то, что должна делать: обеспечивает синхронную работу всех сложных клеточных механизмов. Но если в этом комплексном взаимодействии между некодирующими РНК и эпигенетической аппаратурой что-то пойдет не так, могут возникнуть проблемы.

К сожалению, именно это, по-видимому, происходит при некоторых формах рака. При определенных разновидностях онкологических заболеваний главный репрессор претерпевает сверхэкспрессию (скажем, при различных видах рака простаты4 и рака груди5). Такая сверхэкспрессия считается негативным прогностическим фактором для больных. При некоторых видах рака крови главный репрессор мутирует, что делает его аномально активным6. Похоже, в каждом из таких случаев подавляется «не тот» ген. Отсюда дисбаланс: белки, побуждающие клетку размножаться, «обгоняют» те белки, которые обычно действуют как тормоз. Так клетку подталкивают к раковому состоянию. А препараты, ингибирующие активность главного репрессора, пока еще находятся на ранних стадиях клинических испытаний7.