От чего зависит реализация генетической информации в клетке какие механизмы осуществляют регуляцию

Обновлено: 30.06.2024

Изучение динамических процессов, происходящих в клетке во время жизни, является по-прежнему одной из наиболее трудных и увлекательных областей исследований современной науки. Она содержит множество тайн, и каждая раскрытая тайна спасает сотни тысяч жизней, поскольку дает ключ к созданию уникальных способов сохранения здоровья и улучшения самочувствия человека. Именно поэтому над раскрытием тайн природы, заложенных в клетке, сегодня трудятся не только биологи и генетики, но и биофизики, биохимики, системные аналитики, специалисты в области информатики, лингвистики и других областей знаний.

Клетка является сложной физической системой. В один и тот же момент времени в ней происходят десятки тысяч разнообразных динамических процессов. Для их изучения ученые используют модели. Модель клетки должна отражать свойства и функции живой клетки. Например, свойство клетки приспосабливаться при изменении параметров внешней среды (температуры, давления, влажности воздуха и других). Однако ни в какой модели нельзя учесть все свойства реальной клетки. Даже если бы нам и удалось встроить в модель значительную часть этих свойств, то задача получилась бы столь сложной, что решение ее было бы чрезвычайно затруднено или даже вовсе невозможно.

Тем не менее, ученые постоянно трудятся над созданием различных моделей, обладающих свойствами живой системы. По совокупности процессов, происходящих в клетке, ее можно сравнить с биороботом, наделенным, с точки зрения современной науки, фантастически совершенными свойствами: самовоспроизведения, самообучения и самонастройки.

В технике робот представляет собой информационно-вычислительный комплекс. Систему его функционирования можно разделить условно на пять основных подсистем: техническую, программную, лингвистическую, информационную и организационную. В свою очередь данные подсистемы можно разделить на два класса. Первый класс включает техническую подсистему, представляющую собой материальные средства комплекса (специалисты называют их “железом”), и второй класс – остальные четыре подсистемы, отвечающие за организацию информационного процесса.

Аналогом технической подсистемы в клетке являются ее биологическая субстанция, имеющая определенную форму и строение. В качестве строительного материала в ней используются органические вещества (биополимеры). Подробно об этом написано в разделе 1.3.2. Второй класс объединяет подсистемы, отвечающие за организацию динамических процессов – информационную жизнь клетки. Устройство клетки является настолько сложным, что воспроизвести искусственно подобную ей систему не по силам ни одной лаборатории мира.

В последние полвека ученые создали немало моделей разных искусственных систем: самолетов, ядерных реакторов, роботов. Более сложным оказалось моделирование природных явлений. Одним из таких примеров является моделирование процессов, позволяющее предсказывать погоду. Опыт, накопленный при проведении таких работ, позволил разработать общую теорию систем, обобщающую и раскрывающую фундаментальные свойства сложных объектов.

Для упрощения понимания протекания внутриклеточных процессов используем разные подходы к рассмотрению динамических процессов (биофизических, биохимических, энергетических, информационных). При этом мы будем вынуждены в большей или меньшей степени идеализировать свойства описываемой системы, учитывая только те решающие факторы, которые определяют черты поведения, обусловленные конкретным видом динамических процессов. Данный подход к рассмотрению вопроса позволит представить нам общие свойства клеток, тканей, органов или систем органов, организма в целом как системы.

Клетка является сложной открытой динамической системой, содержащей множество входов и выходов (смотри рисунок 1.4.1).

Рисунок 1.4.1. Системная модель клетки. Общие входы и выходы

В процессе жизнедеятельности клетка выполняет две основные задачи: обеспечивает поддержание стабильности жизнеобеспечения клеточной системы и реализует специфические функции, присущие определенному виду клеток (смотри рисунок 1.4.2).

Рисунок 1.4.2. Системная модель клетки. Разделение функций клетки

Основные функции клетки =
поддержание стабильности
подсистемы жизнеобеспечения +
выполнение специфических функций

Поддержание стабильности подсистемы жизнеобеспечения происходит за счет выработки энергии, трансмембранного переноса вещества, синтеза клеточных и тканевых структур, размножения клеток.

Выработка необходимой для жизни клетки и организма в целом энергии происходит в процессе протекания процессов распада клеточных и тканевых структур (катаболизма), а также сложных соединений, содержащих энергию.

Трансмембранный перенос веществ обеспечивает поступление на входы клетки необходимых веществ и выведение через ее выходы продуктов обмена и веществ, используемых другими клетками организма.

В процессе синтеза тканевых и клеточных структур, а также необходимых для жизнедеятельности соединений (анаболизма) энергия расходуется и накапливается. С пищей питательные вещества поступают, как правило, в виде продуктов, образующихся в результате гидролиза белков, жиров и углеводов. К ним относятся моносахара, аминокислоты, жирные кислоты и моноглицериды. Процесс синтеза обеспечивает восстановление структур клетки, подвергающихся распаду.

Размножение клеток в организме обеспечивает его рост и развитие, восстановление клеточных структур, способствует сохранению целостной структуры и нормальному функционированию организма.

Жизнедеятельность самой клетки обеспечивается взаимодействием всех ее органелл и клеточной мембраны. Как было сказано ранее в разделе 1.3.2, клеточные органеллы находятся в гиалоплазме, состоящей из воды и находящихся в ней различных ионов и органических веществ (глюкозы, аминокислот, белков, фосфолипидов и других). Гиалоплазма составляет внутреннюю среду клетки, обеспечивающую взаимодействие всех клеточных структур посредством транспорта веществ, потребляемых и синтезируемых клеткой. Гиалоплазма также хранит гликоген, липиды, пигменты. Большинство внутренних органелл имеют свои мембраны (ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы). Они построены по тому же принципу, что и клеточные мембраны. Некоторые внутриклеточные органеллы не имеют собственной мембраны (рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты). Каждая органелла выполняет свои специфические функции (таблица 1.4.1).

Таблица 1.4.1. Структура и функции основных клеточных элементов

Специфические функции характеризуются выполнением каждой клеткой определенной задачи, которая, в свою очередь, определяется генетически запрограммированным алгоритмом. Например, работа нервных клеток заключается в восприятии сигнала, его передаче, переработке и хранении информации. Возбуждение мембраны нейрона заканчивается выбросом медиатора в синаптическую щель. Таким образом, путем трансформации электрического импульса в химический сигнал происходит передача информации по всем звеньям нервной системы. Каждая секреторная клетка осуществляет синтез и выделение специфических веществ, важных для функционирования организма. В результате секреции выделяются слюна, желудочный и кишечный сок, желчь, молоко, гормоны и другие биологически активные соединения. Секреторные клетки участвуют в работе и регулировании функций многих органов: желудка, поджелудочной железы, щитовидной железы и других. Мышечные клетки в организме выполняют сократительную функцию: сокращения клеток поперечнополосатой мускулатуры обеспечивают работу опорно-двигательного аппарата, гладкой мускулатуры – работу внутренних органов.

В реальности организм человека существует, постоянно подвергаясь воздействию самых разнообразных и изменчивых внешних факторов. К ним могут быть отнесены температура окружающей среды, давление и влажность воздуха, концентрация в атмосфере вредных для организма веществ и так далее. Они могут меняться во времени как закономерным, так и случайным образом. На клеточном уровне схема внешних воздействий приведена на рисунке 1.4.3.

Рисунок 1.4.3. Системная модель клетки. Воздействие внешних факторов

Работа подсистемы жизнеобеспечения характеризуется поддержанием на генетически определенном уровне набора параметров: температура, концентрация белков, содержания воды, уровень кислотно-щелочного равновесия внутри клетки, ее мембранный потенциал и множество других. В процессе эволюции клетка научилась сохранять благоприятную внутреннюю среду, несмотря на изменение внешних условий. Главный механизм клетки как самоорганизующейся системы, способствующий поддержанию определенных величин в физиологически допустимых границах и заложенный в основу подсистемы жизнеобеспечения, называется гомеостатом. Само свойство клетки поддерживать постоянство внутренней среды на генетически заданном уровне называется гомеостазом. Клетка хранит информацию о значениях всех параметров, обеспечивающих ее жизнедеятельность и выполнение свойственных ей функций. Гомеостаз реализуется за счет использования механизма обратной связи (смотри рисунок 1.4.4). Более подробно об этом будет рассказано в разделе “Принципы и алгоритмы регуляции функций организма (информационный подход)”.

Рисунок 1.4.4. Системная модель клетки. Механизм обратной связи

Каждое мгновение жизни клетки характеризуется набором значений текущих параметров (показателей): температурой внутри клетки, концентрацией питательных веществ и других. Совокупность значений этих параметров в некоторый момент времени определяет состояние клетки как системы. Одни из данных параметров поддерживаются на неизменном уровне, другие могут меняться без потери устойчивости системы в целом.

Сам по себе известен и хорошо понятен принцип работы механизма обратной связи. Схема регулирования параметров клетки изображена на рисунке 1.4.4. Но, как внутри клетки одновременно и слаженно (синхронно) работают тысячи таких механизмов, и при этом происходит сравнение их текущих параметров с генетически заданными? Это остается загадкой природы.

Благодаря приспособительным (адаптационным) механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность клетки, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий.

Зоны устойчивости характеризуются пределами изменений значений параметров входных сигналов подсистемы жизнеобеспечения, при которых процессы в клетке протекают нормально. В качестве входных сигналов можно рассматривать количество питательных веществ, содержание кислорода, углекислого газа, гормонов в крови и другие. Внутриклеточные параметры, например показатель кислотно-щелочного равновесия (рН), поддерживаются на заданном относительно постоянном уровне.

В цитоплазме клеток рН составляет 6,7-7,3 (разница, определяющая зону устойчивости, составляет 0,6). Более строгими являются требования к изменению этого показателя со стороны крови: рН крови может изменяться только в пределах 7,35-7,45 (зона устойчивости составляет 0,1, что в 6 раз меньше, чем для рН цитоплазмы клеток).

При отклонении значений этих параметров за пределы зон устойчивости изменяется скорость протекания биохимических реакций, вплоть до торможения. Активность большинства клеточных ферментов зависит от показателя рН, так как при его повышении внутри клеток нарушается структура белка и, в частности, ферментов. Считается, что увеличение рН внутри клеток поджелудочной железы служит одним из сигналов начала реакций запрограммированной их гибели (апоптоза).

Постоянство температуры внутри клетки также способствует оптимальному течению в ней химических реакций. Организм человека удерживает температуру тела на определенном уровне. Жизненные процессы в организме протекают в узких температурных границах: при температуре от 22 °C до 43 °C. Повышение температуры живых тканей выше 45-47 °С сопровождается необратимыми изменениями и прекращением жизни из-за свертывания белков и инактивации ферментов. При температуре ниже 22 °C наступает торможение работы клетки, обусловленное значительным замедлением обмена веществ и энергии.

Функционирование подсистемы, обеспечивающей выполнение специальных функций, также невозможно без механизма обратной связи, поддерживающего гомеостаз в клетке. Например, в системе гормональной регуляции постоянный уровень, в частности, кортикостероидов поддерживается благодаря такому механизму. Гипофиз отслеживает концентрацию данных гормонов в крови и при ее уменьшении выделяет в кровь адренкортикотропный гормон (АКТГ). АКТГ стимулирует образование кортикостероидов в корковом веществе надпочечников, концентрация гормонов увеличивается. При повышенном уровне гормонов, наоборот, идет сигнал на прекращение выработки АКТГ.

Существуют диапазоны колебаний внешних воздействий (температуры окружающей среды, уровня электромагнитных излучений и других), в пределах которых клетка остается устойчивой и работоспособной независимо от времени их воздействия. Приведем несколько примеров зон устойчивости при внешних воздействиях. Зимой и летом, при температуре окружающего воздуха в диапазоне от –70 до +50 °С температура тела человека остается практически постоянной, изменяясь всего на несколько долей градуса. В жаркий день даже небольшое повышение температуры тела дает сигнал к усилению активности потовых желез, кожа становится влажной, испарение воды с ее поверхности способствует охлаждению тела. И напротив, в холодную погоду поверхностные сосуды сужаются, потеря тепла уменьшается, а выработка – увеличивается, возникает защитная реакция – дрожь, “мурашки”.

Внутренние параметры клетки остаются в норме после прекращения действия возмущающего фактора, если он не превысил допустимые пределы. Таким образом, можно выделить допустимые интервалы внешних параметров (температуры, влажности, атмосферного давления, ионизирующего излучения и других), при которых система клеточного гомеостаза поддерживает относительное постоянство внутренней среды то есть возвращает параметры в нормальное состояние, при условии, что внешние воздействия не выводят их значения за пределы зон устойчивости.

Устойчивость в малом, но неустойчивость в большом. Будем говорить, что система устойчива в малом, но неустойчива в большом, если ограниченное изменение входного сигнала (набора входных сигналов) ведет к изменению в ограниченном диапазоне значений выходного сигнала (набора выходных сигналов).

Существование клетки в определенном диапазоне значений параметров хорошо прослеживается при воздействии радиации, или радиоактивного облучения. Учитывая, что каждый человек подвергается воздействию природной радиации, можно проследить, как ионизирующее излучение оказывает воздействие на клетку. Основу этого воздействия составляет передача энергии радиации клеткам организма.

На Земле всегда есть природный радиоактивный фон, который создают космическое излучение и радионуклиды, рассеянные в окружающей среде и всегда находящиеся в живых организмах. Радиация непрерывно воздействует на все живые организмы, в том числе на каждую клетку. Но ее уровень чрезвычайно мал, в среднем 0,2 сГрэй в год для человека, что в миллион раз меньше вредной для организма дозы облучения. Данный природный радиоактивный фон необходим для нормального существования клеточной системы.

Однако случайное облучение радиацией большой мощности способно привести к разрушению, повреждению и изменению определенных клеточных структур (белков, ДНК, РНК и их комплексов), гибели клеток. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления клеток.

К примеру, доказано, что кожа не выдерживает радиоактивного облучения или длительного и интенсивного облучения солнечным светом, так как разрушаются соединительнотканные структуры (коллаген и эластин), обеспечивающие плотность и упругость кожи, появляются признаки преждевременного старения.

Таким образом, если действует внешнее воздействие, при котором клетка теряет устойчивость, и нарушаются допустимые параметры ее существования, то возникает ряд патологических процессов, приводящих к гибели системы клетки в целом.

Управляемость клеточной системы. Каждая система, в том числе и система клетки, в любой момент времени находится в определенном состоянии, характеризуемом набором конкретных значений ряда параметров. Например, на мембранах нервных клеток существует определенная разность потенциалов, изменение которой приводит к возникновению и распространению нервного импульса по аксону. Переход из одного состояния системы в другое осуществляется за счет изменения значений параметров входных сигналов с учетом внешних воздействий. Так поступление внешнего стимула (света, шума) на рецепторную клетку приводит к изменению ее состояния (возбуждению), активации различных биохимических процессов. Будем говорить о том, что система управляема, если за счет изменения значений входных сигналов мы можем перевести ее состояние из начального в заранее определенное. Например, при избыточном поступлении кислорода в организм, происходит увеличение содержания кислорода в крови и соответствующая активация некоторых процессов в клетке (например, дыхания). Клетка начинает усиленно работать. Таким образом, управляемость системы – это способность перевода из текущего состояния в другие запланированные.

В данном разделе были отмечены и рассмотрены общие характеристики клетки как системы. Жизнедеятельность клетки связана с биофизическими, биохимическими, информационными и энергетическими процессами.

Обзор

Автор

Редакторы

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Младшая сестра генетики

Со времени первых открытий в области генетики и до недавних пор в науке прочно укоренилось представление о том, что структура ДНК — это единственный носитель наследственной информации. Благодаря крупномасштабным расшифровкам геномов, в том числе человеческого [2], была раскрыта природа гена и мутаций — нарушений генетической записи, — поняты принципы организации ДНК, изучены последовательности нуклеотидов, обусловливающие наследственные патологии. Было установлено, что генетическая информация человека хранится в 23 парах хромосом, содержащих 20–25 тысяч генов (оказалось, что точно определить их количество тоже не очень-то просто [3]), или три миллиарда пар нуклеотидов, несущих азотистые основания преимущественно четырех типов: аденин, тимин, гуанин, цитозин (сокращенно — А, Т, Г, Ц). Однако роль внешних факторов в механизмах реализации генетической информации была сведена к минимуму. Проще говоря, ученые считали: что записано в генόм, того не вырубишь топором [4].

Со временем ученые пришли к выводу, что активность многих генов непостоянна: они включаются (экспрессируются) и выключаются (репрессируются) в зависимости от воздействия внешних факторов. Это изменение активности генов, не затрагивающее первичную структуру ДНК, но влияющее на проявление тех или иных свойств и признаков, и составило предмет изучения эпигенетики.

Эпигенетика — сравнительно молодое направление науки. Впервые этот термин в 1942 году употребил английский ученый Конрад Уоддингтон. Изучая ряд закономерностей, научное сообщество пришло к выводу, что функции живого организма не обусловлены одной только закодированной в генах информацией, а во многом служат ответом на сигналы из окружающей среды. То, как происходит эпигенетически обусловленное включение и выключение определенных генов, стало одним из важных открытий современности, за что в 2006 году американским исследователям присудили Нобелевскую премию [10].

Рассмотрим самую известную и самую важную модификацию — метилирование ДНК. Это единственная химическая модификация ДНК, задействованная во многих генетических процессах у эукариот. Метилирование — добавление СН₃-группы к цитозину ферментами ДНК-метилтрансферазами (рис. 1), что приводит к инактивации целого гена, в состав которого входит этот модифицированный нуклеотид.

Рисунок 1. Модификация цитозина в 5-метилцитозин с участием ДНК-метилаз и S-аденозилметионина

Что же происходит, когда к цитозину, входящему в состав того или иного гена, присоединяется метильная группа? Оказывается, такая модификация провоцирует присоединение белков, изменяющих состояние хроматина. Чаще всего эпигенетическая регуляция осуществляется именно путем дифференциального метилирования цитозина в специфических участках генома. Формально ген никуда не девается, он продолжает находиться на своем месте, но никак себя не проявляет. Ген словно выключен, он не может производить продукт. В таком выключенном состоянии ген способен наследоваться. Передача потомству признаков, приобретенных организмами в течение жизни, в том числе посредством метилирования, называется эпигенетической наследственностью. Это наследование сохраняется у нескольких клеточных поколений или нескольких поколений живых существ.

Но всегда ли плохо то, что гены выключаются? Если представить, к примеру, что путем такой нехитрой модификации происходит выключение каких-либо вредоносных генов, вызывающих развитие патологий, наследственных аномалий или онкотрансформацию клеток, это же будет хорошо. Однако эпигеном может и навредить организму, инактивируя нужные гены. Еще до конца не изучено, как поддерживаются и воспроизводятся те или иные эпигенетические состояния [1].

Как уже упоминалось, метилирование ДНК влияет на многие генетические процессы у эукариот. Оно контролирует экспрессию генов, задействовано в пререкомбинационных событиях (предшествующих рекомбинации — процессу перераспределения генов между участками хромосом), выполняет функцию защиты от встраивания экзогенных нуклеотидных последовательностей, ограничивает перемещение транспозонов (особых участков ДНК, способных передвигаться по геному). Метилирование связано в основном с репрессией генов, инактивацией чужеродных последовательностей, регулировкой развития и организации генома. Регуляторные эпигенетические механизмы могут вызывать перемены в генетической активности. Метилирование цитозина в ДНК эукариот относится к ключевым факторам их развития. Оно оказывает влияние на структурно-функциональную организацию генома, принимая участие в регуляции конформационных изменений хроматина, что способствует изменениям в соответствующих локусах (местах локализации гена на хромосоме). ДНК в разных типах клеток организма метилирована по-разному. Это связано с расхождениями в выполняемых функциях, степени дифференцировки клеток и свойственной им экспрессии генов [13–15].

На страже спокойствия генома. Метилирование как защитный механизм

Метилирование как функция защиты генетического материала от встраивания вирусных и других чужеродных нуклеотидных последовательностей встречается даже у таких примитивных живых организмов, как бактерии. Осуществляется это за счет системы рестрикции-модификации. Чужеродная ДНК, попав в бактерию, расщепляется рестриктазами (специальными ферментами, разрезающими ДНК в определенных участках). Однако те же самые последовательности собственной ДНК бактерии защищены от расщепления метильными метками [17].

Рисунок 2. Метильные группы в регуляторной области гена препятствуют транскрипции. Механизм — прямое ингибирование.

Старость — не радость, а эпигенетическая программа

Эпигеном — пластичная система, функционирующая в соответствии с программой развития и реагирующая на воздействие внешних факторов. Считается, что существует эпигенетически обусловленный каскад изменений, охватывающих процессы старения и реакции на стрессовые факторы [26–28]. Поэтому одним из важных направлений современных исследований является выяснение роли метилирования цитозина в регуляции экспрессии генов в механизмах стрессового ответа и возрастной деградации. Понимание аспектов эпигенетического контроля старения поможет прояснить, что служит отправной точкой этого процесса.

С возрастом снижается экспрессия генов поддержания клеточного равновесия, в результате чего начинается свойственная старению деградация тканей и органов. Происходит увеличение числа разрывов в ДНК и сшивок ДНК с белком, снижаются активности ферментов поддержания структуры хромосом и количество 5-метилцитозина, накапливаются структурные дефекты. Процесс старения сопровождается транскрипцией определенных генов и синтезом ряда белков. Этот каскад сурово скоординированных событий подчинен некой программе. Переход к каждой новой стадии онтогенеза (индивидуального развития) характеризуется изменениями эпигенетического статуса, который обеспечивает активацию или репрессию специфического набора генов. С помощью воздействия на эпигеном можно некоторым образом корректировать генетическую программу развития живых организмов [36], [39–41].

Все перечисленные процессы действуют в направлении ухудшения состояния и функционирования генетического аппарата. А реализуются они под действием внешних и внутренних факторов. Старение — это результат изменения надгеномных процессов, которые на определенном этапе онтогенеза запускают деструктивные механизмы по двум направлениям. С одной стороны, происходит индукция генетической программы деградации структур и функций, которая репрессирует гены поддержки клеточного гомеостаза и активирует гены, отвечающие за реакции распада. С другой стороны, запускается механизм ослабления деятельности защитных систем, что делает клетку восприимчивой к повреждающему действию стрессовых факторов. Несмотря на эффективную репарационную машину, в структуре ДНК с возрастом накапливаются разрывы и другие дефекты, всё меньше и меньше индуцируются защитные белки теплового шока, в делящихся клетках сильно сокращается длина теломер (защитных концевых участков хромосом). Всё это — элементы единого многосложного процесса надгеномной регуляции процессов старения. Согласно некоторым гипотезам, множественность механизмов старения эукариот может быть обусловлена тем, что природа страхуется от появления долгоживущих видов и особей [42], [43].

Молекулярные механизмы старения сегодня интенсивно изучаются, тем не менее предложенные концепции не позволяют создать общую картину, объяснить многочисленные противоречия, закономерности индукции этого процесса и причины, обусловливающие тождественность старения у различных организмов . Однако можно сделать несколько гипотетических выводов: почти все многоклеточные организмы подвержены старению, но принцип функционального обеспечения этого процесса неизвестен; старение необратимо и затрагивает все системы, что в какой-то мере затрудняет поиск программ, отвечающих за его развитие; старение не может быть обусловлено одним специальным механизмом, иначе спонтанное нарушение его работы приводило бы к преодолению видового лимита продолжительности жизни; молекулярная природа старения основывается на взаимодействии генетических и эпигенетических путей регуляции, что делает процесс старения надежным, стабильно развивающимся и невосприимчивым к радикальной коррекции извне. Одна из задач эпигенетики — исследование того, как изменение образа жизни человека может повлиять на гены и способствовать продлению жизни индивида [1], [29], [31].

Метки смерти на генах. Метилирование и онкогенез

Недостаточное метилирование (гипометилирование) генома было одним из первых выявленных эпигенетических маркеров онкозаболеваний. Гипометилирование ведет к активации генов, которые в норме должны молчать. В случае опухолей это индивидуальные онкогены, пребывающие в здоровой клетке в метилированном (неактивном) состоянии. Понижение тотального уровня метилирования генома выражается в снятии естественных репрессивных меток с онкогенов, что вызывает каскад разрушительных событий. Попутно гипометилирование больших участков генома активирует транспозоны, за счет чего увеличивается хромосомная нестабильность и растет число аномалий. Эти два процесса ставят клетку на путь онкологической трансформации. Во многих лабораториях именно тотальное гипометилирование ДНК диагностируется как основной признак раковых клеток [15], [47], [48].

Рисунок 4. CpG-островок промоторной области гена. а — Транскрипционно активный (неметилированный) островок. б — Сайленсированный (метилированный) островок.

Как видим, рак не обходится без эпигенетических событий. Как недостаток метилирования, так и его избыток в равной мере способствуют раковому перерождению здоровой клетки. Нарушенное метилирование ведет к аномалиям развития и опухолеобразованию. Как тут не вспомнить о том, что всё хорошо в меру. Онкогенез — это многофакторный и многоэтапный процесс, включающий в себя как активацию онкогенов, так и молчание генов-онкосупрессоров. Каждое из этих нарушений эпигенома для опухолевой прогрессии имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, то есть служит эпигенетическим эквивалентом генетической мутации [50]. Изменение нормальных паттернов (шаблонов) метилирования ДНК неизбежно ведет к отрицательным последствиям. А сохранение здорового статуса метилирования генома является основным условием нормального развития организма.

Выходит, что рак — это не только генетически обусловленное заболевание, как считалось раньше, а заболевание, в основе которого лежит ряд еще во многом не изученных эпигенетических изменений. При этом нельзя считать, что неправильное метилирование — всего лишь маркер онкозаболевания; зачастую оно выступает причиной последнего. Так, например:

Гиперметилирование промоторов, обусловливающее инактивацию генов-онкосупрессоров, в 70% случаев способствует развитию таких онкопатологий, как гепатокарцинома и аденокарцинома поджелудочной железы.
Гиперметилирование CpG-островков гена рецептора эстрогена (ER) обнаруживается в опухолях толстой кишки и молочной железы.
Ген транскрипционного фактора MyoD, специфичного для мышечной ткани, гиперметилируется при раке мочевого пузыря и толстой кишки.
Ген кальцитонина гиперметилирован по CpG-островку, что наблюдается при лимфомах и раке легкого.
Опухоли молочной железы вызываются инактивацией генов BRCA1, MYOD и ER посредством их метилирования.
Аберрантное метилирование промотора гена тканевого ингибитора металлопротеиназы характерно для разных опухолей: немелкоклеточного рака легкого — в 19% случаев, рака молочной железы и толстой кишки — в 27%, карциномы почки — в 78%, глиобластомы — в 26% [51], [52].
Гиперметилирование промоторной области играет ключевую роль в инактивации гена-онкосупрессора HIC1, что вызывает развитие опухолевых процессов в различных органах. Замечено, что обработка клеток опухоли деметилирующими агентами вызывает восстановление экспрессии этого гена, вследствие чего опухоль претерпевает обратное развитие [52], [53].

Здесь стоит отметить, что активация гена, наступающая вследствие деметилирования определенных сайтов, может происходить только в том случае, если в клетке присутствует специфический транскрипционный фактор. Этим объясняется ограниченное количество генов, активированных в опухолях посредством гипометилирования [50].

Однако нельзя забывать, что недостаток метилирования ДНК так же опасен, как и его избыток, и так же служит причиной ряда онкопатологий. К примеру, при хроническом лимфолейкозе наблюдается тотальное деметилирование ДНК в раковых клетках на фоне высокой ДНК-метилтрансферазной активности. Тотальное снятие метильных меток оказывает значительное дестабилизирующее действие на геном эукариот, меняет структуру хроматина, степень его конденсации, время репликации, что может вызывать нарушения экспрессии различных генов [15], [54].

Вместе с тем не менее опасна и спонтанная потеря сайтов метилирования. Спонтанное дезаминирование (потеря аминогрупп) 5-метилцитозина приводит к возникновению остатка тимина и образованию неканонической пары оснований Г:Т, которая становится мишенью для системы репарации. Репаративные ферменты удаляют тимин из этой пары и восстанавливают исходную последовательность Г:Ц, однако иногда возникают мутации, выражающиеся в замене пары Г:Ц на А:Т. Именно нестабильность 5-метилцитозина и спонтанные замены Г:Ц на А:Т привели в ходе эволюции к низкому уровню CpG-динуклеотидов в геноме млекопитающих. Таким образом, спонтанный мутагенез, происходящий в животной клетке при отсутствии экзогенных и эндогенных агентов, нарушает структуру многих генов, в том числе и онкосупрессоров. Этот механизм играет не последнюю роль в процессах онкологической трансформации [55].

Помимо аберрантного метилирования промоторов генов-онкосупрессоров, в опухолевых клетках обнаруживается и нестабильность микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК), при которой микросателлитные маркеры представлены одновременно многими разными аллелями, дополнительными к двум родительским [52], [56]. Сателлитные ДНК в геноме человека в норме высоко метилированы. В процессе опухолеобразования наблюдается микросателлитная нестабильность, резкое гипер- или гипометилирование (в зависимости от вида опухоли). В качестве примера здесь можно упомянуть ген MLH1, продукт которого участвует в репарации ошибок спаривания нуклеотидов. Гиперметилирование промотора этого гена и микросателлитная нестабильность ассоциированы с опухолями желудочно-кишечного тракта и некоторых других органов [52].Изменчивость микросателлитных последовательностей по-разному проявляется на разных стадиях развития и зависит от состояния дифференцировки и типа ткани [57].

Однако не все гены задействованы в эпигенетических событиях канцерогенеза. Ген белка р53 не содержит в своей промоторной области CpG-островков и не поддается метилированию. Нарушение функций р53 наблюдаются во многих случаях рака, но инактивация его гена обусловлена не эпигенетическими, а генетическими механизмами. В кодирующей части гена присутствуют одиночные метилированные CpG-динуклеотиды, которые в силу спонтанного дезаминирования 5-метилцитозина мутируют с заменой комплементарных пар [50], [52].

Перспективы изучения эпигенома

Общая черта, присущая как метилированию, так и мутациям — это наследуемость, хотя в отличие от большинства мутаций метилирование — процесс обратимый. Контроль модификации ДНК интересен прежде всего для биотехнологической отрасли. Воздействуя на эпигеном, можно не только вылечить ряд заболеваний, но и добиться промышленной выгоды. К примеру, направленная регуляция экспрессии генов у растений способна увеличить их продуктивность. Замечено, что в результате обработки 5-азацитидином наблюдается увеличение белка в зерновках пшеницы за счет активации генов запасных белков. Причем индуцированные химическим агентом признаки сохраняются в течение трех поколений. Какие механизмы отвечают за возвращение к исходному паттерну метилирования, соответственно, и к исходному фенотипу — пока неизвестно [60], [61].

Как отмечалось выше, эпигеном — система пластичная, что позволяет в перспективе подобраться к рычагам управления эпигенетическими модификациями, минимизировать действие неблагоприятных факторов и обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Ключ к разгадке наследственных патологий, продлению жизни, управлению полезными свойствами живых организмов — всё это сулит эпигенетика. Уже сегодня можно без преувеличения сказать, что открытия в области эпигенетики в скором времени поднимут биологическую науку на качественно новый уровень развития, и это кардинальным образом изменит саму человеческую цивилизацию.

Читайте также: