Епигенетична модификация. Епигенетика: мутации без промяна на ДНК

Епигенетиката е сравнително нов клон на биологичната наука и все още не е толкова широко известен като генетиката. Разбира се като клон на генетиката, който изучава наследствени промени в генната активност по време на развитието на организма или клетъчното делене.

Епигенетичните промени не са придружени от пренареждане на нуклеотидната последователност в дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК).

В тялото има различни регулаторни елементи в самия геном, които контролират функционирането на гените, включително в зависимост от вътрешни и външни фактори. Дълго време епигенетиката не беше призната, тъй като имаше малко информация за природата на епигенетичните сигнали и механизмите на тяхното прилагане.

Структура на човешкия геном

През 2002 г., в резултат на дългогодишни усилия на голям брой учени от различни страни, беше завършено дешифрирането на структурата на човешкия наследствен апарат, който се съдържа в основната молекула на ДНК. Това е едно от изключителните постижения на биологията в началото на 21 век.

ДНК, която съдържа цялата наследствена информация за даден организъм, се нарича геном. Гените са отделни региони, които заемат много малка част от генома, но в същото време формират неговата основа. Всеки ген е отговорен за предаването на данни за структурата на рибонуклеиновата киселина (РНК) и протеина в човешкото тяло. Структурите, които предават наследствена информация, се наричат ​​кодиращи последователности. Проектът Genome представи данни, според които човешкият геном съдържа повече от 30 000 гена. Понастоящем, поради появата на нови резултати от масовата спектрометрия, се оценява, че геномът съдържа около 19 000 гена.

Генетичната информация на всеки човек се съдържа в клетъчното ядро ​​и е разположена в специални структури, наречени хромозоми. Всяка соматична клетка съдържа два пълни комплекта (диплоидни) хромозоми. Всеки отделен набор (хаплоид) съдържа 23 хромозоми - 22 обикновени (автозоми) и по една полова хромозома - X или Y.

ДНК молекулите, съдържащи се във всички хромозоми на всяка човешка клетка, са две полимерни вериги, усукани в правилна двойна спирала.

И двете вериги се държат заедно от четири бази: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тиамин (Т). Нещо повече, основата A на една верига може да се свърже само с основата T на друга верига и по подобен начин основата G може да се свърже с основата C. Това се нарича принцип на сдвояване на бази. В други варианти сдвояването нарушава цялата цялост на ДНК.

ДНК съществува в интимен комплекс със специализирани протеини и заедно те изграждат хроматина.

Хистоните са нуклеопротеини, които са основните съставки на хроматина. Те се характеризират с образуването на нови вещества чрез свързване на два структурни елемента в комплекс (димер), което е характеристика за последваща епигенетична модификация и регулация.

ДНК, която съхранява генетичната информация, се самовъзпроизвежда (удвоява) с всяко делене на клетката, тоест прави точни копия на себе си (репликация). По време на клетъчното делене връзките между двете вериги на двойната спирала на ДНК се разкъсват и нишките на спиралата се разделят. След това върху всяка от тях се изгражда дъщерна верига ДНК. В резултат молекулата на ДНК се удвоява и се образуват дъщерни клетки.

ДНК служи като матрица, върху която се извършва синтеза на различни РНК (транскрипция). Този процес (репликация и транскрипция) се извършва в клетъчното ядро ​​и започва с област на гена, наречена промотор, където протеиновите комплекси се свързват за копиране на ДНК, за да образуват информационна РНК (mRNA).

От своя страна, последният служи не само като носител на ДНК информация, но и като носител на тази информация за синтеза на протеинови молекули върху рибозомите (процес на транслация).

Понастоящем е известно, че протеин-кодиращите области на човешкия ген (екзони) заемат само 1,5% от генома. По-голямата част от генома не е свързана с гени и е инертна по отношение на трансфера на информация. Идентифицираните генни области, които не кодират протеини, се наричат ​​интрони.

Първото копие на иРНК, произведено от ДНК, съдържа целия набор от екзони и интрони. След това специализирани протеинови комплекси премахват всички интронни последователности и свързват екзони заедно. Този процес на редактиране се нарича снаждане.

Епигенетиката обяснява един механизъм, чрез който клетката е в състояние да контролира синтеза на протеина, който произвежда, като първо определя колко копия на иРНК могат да бъдат направени от ДНК.

И така, геномът не е замразено парче ДНК, а динамична структура, хранилище на информация, която не може да бъде сведена само до гени.

Развитието и функционирането на отделните клетки и на организма като цяло не са автоматично програмирани в един геном, а зависят от много различни вътрешни и външни фактори. С натрупването на знания става ясно, че в самия геном има множество регулаторни елементи, които контролират функционирането на гените. Сега това се потвърждава от много експериментални изследвания върху животни.

Когато се делят по време на митоза, дъщерните клетки могат да наследят от своите родители не само пряка генетична информация под формата на ново копие на всички гени, но и определено ниво на тяхната активност. Този тип унаследяване на генетична информация се нарича епигенетично унаследяване.

Епигенетични механизми на генна регулация

Предметът на епигенетиката е изучаването на унаследяването на генната активност, която не е свързана с промени в първичната структура на тяхната ДНК. Епигенетичните промени са насочени към адаптиране на тялото към променящите се условия на неговото съществуване.

Терминът „епигенетика“ е предложен за първи път от английския генетик Уодингтън през 1942 г. Разликата между генетичните и епигенетичните механизми на наследяване се състои в стабилността и възпроизводимостта на ефектите.

Генетичните черти се фиксират за неопределено време, докато настъпи мутация в гена. Епигенетичните модификации обикновено се отразяват в клетките в рамките на живота на едно поколение на организма. Когато тези промени се предадат на следващите поколения, те могат да се възпроизведат в 3-4 поколения и след това, ако стимулиращият фактор изчезне, тези трансформации изчезват.

Молекулярната основа на епигенетиката се характеризира с модификация на генетичния апарат, т.е. активиране и потискане на гени, които не засягат първичната последователност на ДНК нуклеотидите.

Епигенетичната регулация на гените се извършва на ниво транскрипция (време и естество на генната транскрипция), по време на селекцията на зрели иРНК за транспортиране в цитоплазмата, по време на селекцията на иРНК в цитоплазмата за транслация на рибозоми, дестабилизиране на определени типове на иРНК в цитоплазмата, селективно активиране, инактивиране на белтъчни молекули след техния синтез.

Колекцията от епигенетични маркери представлява епигенома. Епигенетичните трансформации могат да повлияят на фенотипа.

Епигенетиката играе важна роля във функционирането на здравите клетки, осигурявайки активирането и потискането на гените, в контрола на транспозоните, т.е. участъци от ДНК, които могат да се движат в генома, както и в обмена на генетичен материал в хромозомите.

Епигенетичните механизми участват в геномния импринтинг, процес, при който експресията на определени гени възниква в зависимост от това от кой родител идват алелите. Импринтирането се осъществява чрез процеса на метилиране на ДНК в промотори, в резултат на което се блокира генната транскрипция.

Епигенетичните механизми осигуряват инициирането на процеси в хроматина чрез хистонови модификации и метилиране на ДНК. През последните две десетилетия идеите за механизмите на регулиране на транскрипцията при еукариотите се промениха значително. Класическият модел предполага, че нивото на експресия се определя от транскрипционни фактори, които се свързват с регулаторните региони на гена, които инициират синтеза на информационна РНК. Хистоните и нехистоновите протеини играят ролята на пасивна опаковъчна структура, за да осигурят компактно опаковане на ДНК в ядрото.

Последващите проучвания демонстрираха ролята на хистоните в регулирането на транслацията. Открит е така нареченият хистонов код, т.е. модификация на хистони, която е различна в различните области на генома. Модифицираните хистонови кодове могат да доведат до активиране и потискане на гени.

Различни части от структурата на генома са обект на модификации. Метилови, ацетилови, фосфатни групи и по-големи протеинови молекули могат да бъдат прикрепени към крайните остатъци.

Всички модификации са обратими и за всяка има ензими, които ги инсталират или премахват.

ДНК метилиране

При бозайниците метилирането на ДНК (епигенетичен механизъм) е изследвано по-рано от други. Доказано е, че корелира с генната репресия. Експерименталните данни показват, че метилирането на ДНК е защитен механизъм, който потиска значителна част от генома с чуждо естество (вируси и др.).

Метилирането на ДНК в клетката контролира всички генетични процеси: репликация, възстановяване, рекомбинация, транскрипция и инактивиране на Х хромозомата. Метиловите групи нарушават взаимодействията ДНК-протеин, предотвратявайки свързването на транскрипционните фактори. ДНК метилирането засяга структурата на хроматина и блокира транскрипционните репресори.

Наистина, повишаването на нивото на метилиране на ДНК корелира с относителното увеличение на съдържанието на некодираща и повтаряща се ДНК в геномите на висшите еукариоти. Експерименталните доказателства предполагат, че това се случва, защото метилирането на ДНК служи предимно като защитен механизъм за потискане на значителна част от генома с чужд произход (репликирани транслокиращи елементи, вирусни последователности, други повтарящи се последователности).

Профилът на метилиране - активиране или инхибиране - се променя в зависимост от факторите на околната среда. Ефектът на метилирането на ДНК върху структурата на хроматина е от голямо значение за развитието и функционирането на здрав организъм, за да се потисне значителна част от генома с чужд произход, т.е. репликирани преходни елементи, вирусни и други повтарящи се последователности.

Метилирането на ДНК става чрез обратима химическа реакция на азотната основа, цитозин, което води до добавяне на СН3 метилова група към въглерода, за да се образува метилцитозин. Този процес се катализира от ензими ДНК метилтрансфераза. Метилирането на цитозин изисква гуанин, което води до образуването на два нуклеотида, разделени от фосфат (CpG).

Клъстери от неактивни CpG последователности се наричат ​​CpG острови. Последните са неравномерно представени в генома. Повечето от тях се откриват в генни промотори. Метилирането на ДНК се случва в генни промотори, в транскрибирани региони, а също и в междугенни пространства.

Хиперметилираните острови причиняват инактивиране на ген, което нарушава взаимодействието на регулаторните протеини с промоторите.

ДНК метилирането има дълбоко въздействие върху генната експресия и в крайна сметка върху функцията на клетките, тъканите и тялото като цяло. Установена е пряка връзка между високото ниво на метилиране на ДНК и броя на репресираните гени.

Отстраняването на метиловите групи от ДНК в резултат на отсъствието на метилазна активност (пасивно деметилиране) настъпва след репликация на ДНК. Активното деметилиране включва ензимна система, която превръща 5-метилцитозин в цитозин независимо от репликацията. Профилът на метилиране се променя в зависимост от факторите на средата, в която се намира клетката.

Загубата на способността да се поддържа метилирането на ДНК може да доведе до имунна недостатъчност, злокачествени заболявания и други заболявания.

Дълго време механизмът и ензимите, участващи в процеса на активно деметилиране на ДНК, остават неизвестни.

Ацетилиране на хистони

Има голям брой посттранслационни модификации на хистони, които образуват хроматин. През 60-те години на миналия век Винсънт Алфри идентифицира ацетилиране и фосфорилиране на хистони от много еукариоти.

Ензимите за ацетилиране и деацетилиране на хистони (ацетилтрансферази) играят роля по време на транскрипцията. Тези ензими катализират ацетилирането на локалните хистони. Хистоновите деацетилази потискат транскрипцията.

Ефектът от ацетилирането е отслабването на връзката между ДНК и хистоните поради промяна в заряда, което води до това, че хроматинът става достъпен за транскрипционни фактори.

Ацетилирането е добавянето на химична ацетилова група (аминокиселината лизин) към свободно място на хистона. Подобно на метилирането на ДНК, ацетилирането на лизин е епигенетичен механизъм за промяна на генната експресия, без да се засяга оригиналната генна последователност. Моделът, според който възникват модификации на ядрените протеини, се нарича хистонов код.

Хистоновите модификации са фундаментално различни от метилирането на ДНК. ДНК метилирането е много стабилна епигенетична интервенция, която е по-вероятно да се установи в повечето случаи.

По-голямата част от хистоновите модификации са по-променливи. Те засягат регулирането на генната експресия, поддържането на структурата на хроматина, клетъчната диференциация, канцерогенезата, развитието на генетични заболявания, стареенето, възстановяването на ДНК, репликацията и транслацията. Ако хистоновите модификации са от полза за клетката, те могат да продължат доста дълго време.

Един от механизмите на взаимодействие между цитоплазмата и ядрото е фосфорилирането и/или дефосфорилирането на транскрипционните фактори. Хистоните са сред първите протеини, за които е открито, че са фосфорилирани. Това става с помощта на протеин кинази.

Гените са под контрола на фосфорилиращи транскрипционни фактори, включително гени, които регулират клетъчната пролиферация. При такива модификации настъпват структурни промени в хромозомните протеинови молекули, което води до функционални промени в хроматина.

В допълнение към пост-транслационните модификации на хистоните, описани по-горе, има по-големи протеини, като убиквитин, SUMO и т.н., които могат да се прикрепят чрез ковалентни връзки към амино страничните групи на целевия протеин, засягайки тяхната активност.

Епигенетичните промени могат да бъдат наследени (трансгенеративно епигенетично наследяване). Но за разлика от генетичната информация, епигенетичните промени могат да се възпроизведат в 3-4 поколения и при липса на фактор, стимулиращ тези промени, те изчезват. Трансферът на епигенетична информация се осъществява по време на процеса на мейоза (разделяне на клетъчното ядро ​​с намаляване наполовина на броя на хромозомите) или митоза (клетъчно делене).

Хистоновите модификации играят основна роля в нормалните процеси и заболявания.

Регулаторни РНК

РНК молекулите изпълняват много функции в клетката. Един от тях е регулирането на генната експресия. Регулаторните РНК, които включват антисенс РНК (aRNA), микроРНК (miRNA) и малка интерферираща РНК (siRNA), са отговорни за тази функция.

Механизмът на действие на различните регулаторни РНК е подобен и се състои в потискане на генната експресия, което се осъществява чрез комплементарното добавяне на регулаторна РНК към иРНК, образувайки двойноверижна молекула (dsRNA). Самото образуване на dsRNA води до нарушаване на свързването на mRNA към рибозомата или други регулаторни фактори, потискайки транслацията. Също така, след образуването на дуплекс, може да се прояви феноменът на РНК интерференция - ензимът Dicer, след като е открил двойноверижна РНК в клетката, я „нарязва“ на фрагменти. Една от веригите на такъв фрагмент (siRNA) е свързана от протеиновия комплекс RISC (RNA-induced silencing complex).

В резултат на RISC активността, едноверижен РНК фрагмент се свързва с комплементарната последователност на иРНК молекула и кара иРНК да бъде разрязана от протеин от семейството Argonaute. Тези събития водят до потискане на експресията на съответния ген.

Физиологичните функции на регулаторните РНК са разнообразни - те действат като основни непротеинови регулатори на онтогенезата и допълват „класическата“ схема на генна регулация.

Геномно отпечатване

Човек има две копия на всеки ген, едното наследено от майката, а другото от бащата. И двете копия на всеки ген имат потенциал да бъдат активни във всяка клетка. Геномният импринтинг е епигенетично селективна експресия само на един от алелните гени, наследени от родителите. Геномното отпечатване засяга както мъжкото, така и женското потомство. По този начин, отпечатан ген, който е активен върху майчината хромозома, ще бъде активен върху майчината хромозома и ще „мълчи“ върху бащината хромозома при всички мъжки и женски деца. Гените, обект на геномно отпечатване, кодират предимно фактори, които регулират ембрионалния и неонаталния растеж.

Отпечатването е сложна система, която може да се разпадне. Имринтинг се наблюдава при много пациенти с хромозомни делеции (загуба на част от хромозомите). Известни са заболявания, които възникват при хората поради дисфункция на механизма за отпечатване.

Приони

През последното десетилетие вниманието беше привлечено от приони, протеини, които могат да причинят наследствени фенотипни промени, без да променят нуклеотидната последователност на ДНК. При бозайниците прионният протеин се намира на повърхността на клетките. При определени условия нормалната форма на прионите може да се промени, което модулира активността на този протеин.

Wikner изрази увереност, че този клас протеини е един от многото, които представляват нова група епигенетични механизми, които изискват по-нататъшно проучване. Може да бъде в нормално състояние, но в променено състояние прионните протеини могат да се разпространят, т.е. да станат инфекциозни.

Първоначално прионите са открити като инфекциозни агенти от нов тип, но сега се смята, че те представляват общ биологичен феномен и са носители на нов тип информация, съхранявана в конформацията на протеина. Прионният феномен е в основата на епигенетичното наследяване и регулиране на генната експресия на пост-транслационно ниво.

Епигенетиката в практическата медицина

Епигенетичните модификации контролират всички етапи от развитието и функционалната активност на клетките. Нарушаването на механизмите за епигенетична регулация е пряко или косвено свързано с много заболявания.

Болестите с епигенетична етиология включват импринтингови заболявания, които от своя страна се делят на генетични и хромозомни, като в момента има общо 24 нозологии.

При заболявания на генно отпечатване се наблюдава моноалелна експресия в хромозомните локуси на един от родителите. Причината са точкови мутации в гени, които се експресират различно в зависимост от майчиния и бащиния произход и водят до специфично метилиране на цитозиновите бази в молекулата на ДНК. Те включват: синдром на Prader-Willi (делеция в бащината хромозома 15) - проявява се с краниофациален дисморфизъм, нисък ръст, затлъстяване, мускулна хипотония, хипогонадизъм, хипопигментация и умствена изостаналост; Синдром на Angelman (заличаване на критичен регион, разположен на 15-та майчина хромозома), основните симптоми на който са микробрахицефалия, уголемена долна челюст, изпъкнал език, макростомия, редки зъби, хипопигментация; Синдром на Beckwitt-Wiedemann (нарушение на метилирането в късото рамо на хромозома 11), проявяващ се от класическата триада, включваща макрозомия, омфалоцеле, макроглосия и др.

Най-важните фактори, влияещи върху епигенома, включват хранене, физическа активност, токсини, вируси, йонизираща радиация и др. Особено чувствителен период към промени в епигенома е пренаталният период (особено обхващащ два месеца след зачеването) и първите три месеца след раждането . По време на ранната ембриогенеза геномът премахва повечето от епигенетичните модификации, получени от предишни поколения. Но процесът на препрограмиране продължава през целия живот.

Болестите, при които нарушаването на генната регулация е част от патогенезата, включват някои видове тумори, захарен диабет, затлъстяване, бронхиална астма, различни дегенеративни и други заболявания.

Епигонът при рак се характеризира с глобални промени в метилирането на ДНК, модификация на хистони, както и промени в профила на експресия на модифициращи хроматин ензими.

Туморните процеси се характеризират с инактивиране чрез хиперметилиране на ключови супресорни гени и чрез хипометилиране чрез активиране на редица онкогени, растежни фактори (IGF2, TGF) и мобилни повтарящи се елементи, разположени в региони на хетерохроматин.

По този начин, в 19% от случаите на хипернефроидни тумори на бъбреците, ДНК на CpG островите е хиперметилирана, а при рак на гърдата и недребноклетъчен белодробен карцином е открита връзка между нивата на ацетилиране на хистони и експресията на туморен супресор - колкото по-ниски са нивата на ацетилиране, толкова по-слаба е генната експресия.

Понастоящем вече са разработени и въведени в практиката противотуморни лекарства, базирани на потискане на активността на ДНК метилтрансферазите, което води до намаляване на метилирането на ДНК, активиране на туморни супресорни гени и забавяне на пролиферацията на туморни клетки. По този начин, за лечение на миелодиспластичен синдром, лекарствата децитабин (децитабин) и азацитидин (азацитидин) се използват в комплексната терапия. От 2015 г. Panibinostat, инхибитор на хистон деацетилаза, се използва в комбинация с класическа химиотерапия за лечение на мултиплен миелом. Тези лекарства, според клиничните проучвания, имат подчертан положителен ефект върху преживяемостта и качеството на живот на пациентите.

Промени в експресията на определени гени могат да възникнат и в резултат на действието на факторите на околната среда върху клетката. Така наречената „хипотеза за пестелив фенотип“ играе роля в развитието на захарен диабет тип 2 и затлъстяването, според която липсата на хранителни вещества по време на ембрионалното развитие води до развитие на патологичен фенотип. В животински модели е идентифициран ДНК регион (Pdx1 локус), в който под въздействието на недохранване нивото на ацетилиране на хистони намалява, докато забавянето на деленето и нарушената диференциация на В-клетките на островите на Лангерханс и развитието на състояние, подобно на захарен диабет тип 2.

Активно се развиват и диагностичните възможности на епигенетиката. Появяват се нови технологии, които могат да анализират епигенетични промени (ниво на метилиране на ДНК, експресия на микроРНК, пост-транслационни модификации на хистони и др.), като хроматинова имунопреципитация (CHIP), поточна цитометрия и лазерно сканиране, което дава основание да се смята, че биомаркерите ще да бъдат идентифицирани в близко бъдеще за изследване на невродегенеративни заболявания, редки, мултифакторни заболявания и злокачествени неоплазми и въведени като лабораторни диагностични методи.

Така че епигенетиката в момента се развива бързо. Напредъкът в биологията и медицината е свързан с него.

Литература

1. Езкурдия И., Хуан Д., Родригес Х. М.и др. Множество доказателства предполагат, че може да има само 19 000 гена, кодиращи човешки протеин // Човешка молекулярна генетика. 2014, 23 (22): 5866-5878.
2. Международен консорциум за секвениране на човешки геном. Първоначално секвениране и анализ на човешкия геном // Nature. 2001, фев. 409 (6822): 860-921.
3. Суан Д., Хан К., Ту К.и др. Епигенетична модулация при пародонтит: Взаимодействие на адипонектин и оста JMJD3-IRF4 в макрофагите // Journal of Cellular Physiology. 2016, май; 231(5):1090-1096.
4. Waddington C.H. Epigenotpye // Endeavour. 1942 г.; 18-20.
5. Бочков Н. П.Клинична генетика. М.: Геотар.Мед, 2001.
6. Jenuwein T., Allis C.D.Превеждане на хистоновия код // Science. 2001, 10 август; 293 (5532): 1074-1080.
7. Коваленко Т. Ф.Метилиране на генома на бозайници // Молекулярна медицина. 2010. № 6. С. 21-29.
8. Алис Д., Генувайн Т., Рейнберг Д.Епигенетика. М.: Техносфера, 2010.
9. Тейлър П. Д., Постън Л.Програмиране на развитието на затлъстяването при бозайници // Експериментална физиология. 2006. № 92. С. 287-298.
10. Люин Б.Гени. М.: БИНОМ, 2012.
11. Plasschaert R. N., Bartolomei M. S.Геномно отпечатване в развитието, растежа, поведението и стволовите клетки // Развитие. 2014, май; 141 (9): 1805-1813.
12. Wickner R. B., Edskes H. K., Ross E. D.и др. Прионна генетика: нови правила за нов вид ген // Annu Rev Genet. 2004 г.; 38: 681-707.
13. Мутовин Г. Р.Клинична генетика. Геномика и протеомика на наследствената патология: учебник. надбавка. 3-то издание, преработено. и допълнителни 2010 г.
14. Романцова Т. И.Епидемия от затлъстяване: очевидни и вероятни причини // Затлъстяване и метаболизъм. 2011, № 1, стр. 1-15.
15. Бегин П., Надо К. К.Епигенетична регулация на астма и алергични заболявания // Allergy Asthma Clin Immunol. 2014 г., 28 май; 10(1):27.
16. Martínez JA, Milagro F. I., Claycombe K. J., Schalinske K. L.Епигенетика в мастната тъкан, затлъстяване, загуба на тегло и диабет // Напредък в храненето. 2014, 1 януари; 5 (1): 71-81.
17. Доусън М. А., Кузаридес Т.Епигенетика на рака: от механизма до терапията // Cell. 2012, 6 юли; 150 (1): 12-27.
18. Каминскас Е., Фарел А., Ейбрахам С., Беърд А.Резюме на одобрението: азацитидин за лечение на подтипове на миелодиспластичен синдром // Clin Cancer Res. 2005, 15 май; 11 (10): 3604-3608.
19. Laubach J.P., Moreau P., San-Miguel J.F., Richardson P.G.Панобиностат за лечение на множествена миелома // Clin Cancer Res. 2015, 1 ноември; 21 (21): 4767-4773.
20. Bramswig N.C., Kaestner K.H.Епигенетика и лечение на диабет: нереализирано обещание? // Тенденции Endocrinol Metab. 2012, юни; 23 (6): 286-291.
21. Sandovici I., Hammerle C.M., Ozanne S.E., Constância M.Епигенетично програмиране на развитието и околната среда на ендокринния панкреас: последствия за диабет тип 2 // Cell Mol Life Sci. 2013, май; 70 (9): 1575-1595.
22. Szekvolgyi L., Imre L., Minh D. X.и др. Поточни цитометрични и лазерно сканиращи микроскопски подходи в епигенетичните изследвания // Методи Mol Biol. 2009 г.; 567:99-111.

В. В. Смирнов 1, Доктор на медицинските науки, професор
Г. Е. Леонов

Федерална държавна бюджетна образователна институция на Руския национален изследователски университет им. Н. И. Пирогова, Министерство на здравеопазването на Руската федерация,Москва

Организъм с неговата среда по време на формирането на фенотип. Тя изучава механизмите, чрез които на базата на генетична информация, съдържаща се в една клетка (зигота), поради различна генна експресия в различните видове клетки, може да се осъществи развитието на многоклетъчен организъм, състоящ се от диференцирани клетки. Трябва да се отбележи, че много изследователи все още са скептични по отношение на епигенетиката, тъй като в нейните рамки се допуска възможността за негеномно наследяване като адаптивен отговор към промените в околната среда, което противоречи на доминиращата в момента геноцентрична парадигма.

Примери

Един пример за епигенетични промени в еукариотите е процесът на клетъчна диференциация. По време на морфогенезата тотипотентните стволови клетки образуват различните плурипотентни клетъчни линии на ембриона, които от своя страна пораждат напълно диференцирани клетки. С други думи, една оплодена яйцеклетка - зиготата - се диференцира в различни видове клетки, включително: неврони, мускулни клетки, епител, съдов ендотел и т.н., чрез множество деления. Това се постига чрез активиране на някои гени и в същото време инхибиране на други чрез използване на епигенетични механизми.

Втори пример може да се демонстрира при полевки. През есента, преди студеното време, те се раждат с по-дълга и по-дебела коса, отколкото през пролетта, въпреки че вътрематочното развитие на „пролетните“ и „есенните“ мишки протича при почти еднакви условия (температура, продължителност на деня, влажност и др.) . Проучванията показват, че сигналът, който предизвиква епигенетични промени, водещи до увеличаване на дължината на косата, е промяна в градиента на концентрацията на мелатонин в кръвта (той намалява през пролетта и се увеличава през есента). По този начин се предизвикват епигенетични адаптивни промени (увеличаване на дължината на косата) още преди настъпването на студеното време, адаптирането към което е полезно за организма.

Етимология и определения

Терминът "епигенетика" (както и "епигенетичен ландшафт") е предложен от Конрад Уодингтън през 1942 г. като производно на думите генетика и епигенеза. Когато Уодингтън измисли термина, физическата природа на гените не беше напълно известна, така че той го използва като концептуален модел за това как гените могат да взаимодействат с околната среда, за да произведат фенотип.

Робин Халидей дефинира епигенетиката като „изследване на механизмите на времеви и пространствен контрол на генната активност по време на развитието на организмите“. По този начин терминът "епигенетика" може да се използва за описание на всякакви вътрешни фактори, които влияят върху развитието на даден организъм, различни от самата ДНК последователност.

Съвременната употреба на думата в научния дискурс е по-тясна. Гръцката представка епи- в думата предполага фактори, които действат „над“ или „в допълнение към“ генетичните фактори, което означава, че епигенетичните фактори действат в допълнение или в допълнение към традиционните молекулярни фактори на наследствеността.

Сходството с думата „генетика“ е довело до много аналогии в използването на термина. „Епигеном“ е аналогичен на термина „геном“ и дефинира общото епигенетично състояние на клетката. Метафората на "генетичен код" също е адаптирана и терминът "епигенетичен код" се използва за описание на набор от епигенетични характеристики, които създават различни фенотипове в различни клетки. Терминът „епимутация“ е широко използван, който се отнася до промяна в нормалния епигеном, причинена от спорадични фактори, предавани през редица клетъчни поколения.

Молекулярни основи на епигенетиката

Молекулярната основа на епигенетиката е доста сложна, въпреки че не засяга структурата на ДНК, но променя активността на определени гени. Това обяснява защо диференцираните клетки на многоклетъчния организъм експресират само гените, необходими за техните специфични дейности. Специална характеристика на епигенетичните промени е, че те продължават чрез клетъчно делене. Известно е, че повечето епигенетични промени се случват само в рамките на живота на един организъм. В същото време, ако настъпи промяна в ДНК в сперма или яйцеклетка, тогава някои епигенетични прояви могат да се предават от едно поколение на друго. Това повдига въпроса, могат ли епигенетичните промени в един организъм действително да променят основната структура на неговата ДНК? (Виж Еволюция).

В рамките на епигенетиката широко се изучават процеси като парамутация, генетично маркиране, геномно отпечатване, инактивиране на X хромозома, позиционен ефект, майчини ефекти, както и други механизми на регулиране на генната експресия.

Епигенетичните изследвания използват широк набор от техники на молекулярна биология, включително имунопреципитация на хроматин (различни модификации на ChIP-on-chip и ChIP-Seq), in situ хибридизация, чувствителни към метилиране рестрикционни ензими, ДНК аденин метилтрансферазна идентификация (DamID) и бисулфитно секвениране В допълнение, използването на биоинформационни методи (компютърна епигенетика) играе все по-важна роля.

Механизми

Метилиране на ДНК и ремоделиране на хроматин

Епигенетичните фактори влияят върху експресионната активност на определени гени на няколко нива, което води до промени във фенотипа на клетка или организъм. Един от механизмите на това влияние е ремоделирането на хроматина. Хроматинът е комплекс от ДНК с хистонови протеини: ДНК се навива върху хистонови протеини, които са представени от сферични структури (нуклеозоми), което води до нейното уплътняване в ядрото. Интензивността на генната експресия зависи от плътността на хистоните в активно експресираните области на генома. Ремоделирането на хроматина е процес на активна промяна на „плътността“ на нуклеозомите и афинитета на хистоните към ДНК. Това се постига по два начина, описани по-долу.

ДНК метилиране

Най-добре проученият епигенетичен механизъм до момента е метилирането на цитозиновите ДНК бази. Интензивните изследвания на ролята на метилирането в регулацията на генетичната експресия, включително по време на стареенето, започват още през 70-те години на миналия век с пионерската работа на Б. Ф. Ванюшин и Г. Д. Бердишев и др. Процесът на метилиране на ДНК включва добавянето на метилова група към цитозина като част от CpG динуклеотид в позиция С5 на цитозиновия пръстен. ДНК метилирането е характерно главно за еукариотите. При хората около 1% от геномната ДНК е метилирана. Три ензима, наречени ДНК метилтрансферази 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a и DNMT3b), са отговорни за процеса на ДНК метилиране. Предполага се, че DNMT3a и DNMT3b са de novo метилтрансферази, които образуват модела на ДНК метилиране в ранните етапи на развитие, а DNMT1 извършва ДНК метилиране в по-късните етапи от живота на организма. Функцията на метилирането е да активира/деактивира ген. В повечето случаи метилирането води до потискане на генната активност, особено когато неговите промоторни региони са метилирани, а деметилирането води до неговото активиране. Доказано е, че дори незначителни промени в степента на метилиране на ДНК могат значително да променят нивото на генетична експресия.

Хистонови модификации

Въпреки че модификациите на аминокиселините в хистоните се срещат в цялата протеинова молекула, модификациите на N-опашките се срещат много по-често. Тези модификации включват: фосфорилиране, убиквитилиране, ацетилиране, метилиране, сумоилиране. Ацетилирането е най-изследваната модификация на хистони. По този начин, ацетилирането на хистонови H3 опашни лизини от ацетилтрансфераза К14 и К9 корелира с транскрипционната активност в тази област на хромозомата. Това се случва, защото ацетилирането на лизин променя неговия положителен заряд на неутрален, което прави невъзможно свързването му с отрицателно заредените фосфатни групи в ДНК. В резултат на това хистоните се отделят от ДНК, което води до кацане върху "голата" ДНК на комплекса SWI/SNF и други транскрипционни фактори, които задействат транскрипцията. Това е „цис“ модел на епигенетична регулация.

Хистоните са в състояние да запазят своето модифицирано състояние и да действат като шаблон за модификация на нови хистони, които се свързват с ДНК след репликация.

Механизмът на възпроизвеждане на епигенетични белези е по-добре проучен за ДНК метилиране, отколкото за хистонови модификации. Така ензимът DNMT1 има висок афинитет към 5-метилцитозин. Когато DNMT1 открие „хемиметилирано място“ (място, където цитозинът само на една ДНК верига е метилиран), той метилира цитозина на втората верига на същото място.

Приони

МикроРНК

Напоследък много внимание се обръща на изучаването на ролята на малка интерферираща РНК (si-RNA) в процесите на регулиране на генетичната активност. Интерфериращите РНК могат да променят стабилността и транслацията на иРНК чрез моделиране на функцията на полизома и структурата на хроматина.

Значение

Епигенетичното наследство в соматичните клетки играе критична роля в развитието на многоклетъчен организъм. Геномът на всички клетки е почти еднакъв, в същото време многоклетъчният организъм съдържа различно диференцирани клетки, които възприемат сигналите от околната среда по различни начини и изпълняват различни функции. Именно епигенетичните фактори осигуряват „клетъчната памет“.

Лекарство

Както генетичните, така и епигенетичните явления имат значително въздействие върху човешкото здраве. Има няколко известни заболявания, които възникват поради нарушено генно метилиране, както и поради хемизиготност за ген, обект на геномно отпечатване. За много организми е доказана връзка между активността на ацетилиране/деацетилиране на хистони и продължителността на живота. Може би същите тези процеси влияят върху продължителността на човешкия живот.

Еволюция

Въпреки че епигенетиката се разглежда предимно в контекста на клетъчната памет, има и редица трансгенеративни епигенетични ефекти, при които генетичните промени се предават на потомството. За разлика от мутациите, епигенетичните промени са обратими и вероятно могат да бъдат насочени (адаптивни). Тъй като повечето от тях изчезват след няколко поколения, те могат да бъдат само временни адаптации. Активно се обсъжда и възможността епигенетиката да повлияе на честотата на мутациите в даден ген. Доказано е, че семейството APOBEC/AID от цитозин дезаминазни протеини участва както в генетичното, така и в епигенетичното наследяване, използвайки подобни молекулярни механизми. Повече от 100 случая на трансгенеративни епигенетични явления са открити в много организми.

Епигенетични ефекти при хора

Геномно отпечатване и свързани заболявания

Някои човешки заболявания са свързани с геномно отпечатване, феномен, при който едни и същи гени имат различни модели на метилиране в зависимост от пола на родителя, от който произлизат. Най-известните случаи на заболявания, свързани с отпечатването, са синдромът на Ангелман и синдромът на Прадер-Уили. И двете са причинени от частично изтриване в областта 15q. Това се дължи на наличието на геномно отпечатване в този локус.

Трансгенеративни епигенетични ефекти

Marcus Pembrey и съавторите откриха, че внуците (но не и внучките) на мъже, които са били изложени на глад в Швеция през 19 век, са имали по-малка вероятност да имат сърдечно-съдови заболявания, но по-вероятно да имат диабет, което според автора е пример за епигенетика наследство.

Рак и нарушения в развитието

Много вещества имат свойствата на епигенетични канцерогени: те водят до увеличаване на честотата на тумори, без да проявяват мутагенен ефект (например: диетилстилбестрол арсенит, хексахлоробензен и никелови съединения). Много тератогени, по-специално диетилстилбестрол, имат специфични ефекти върху плода на епигенетично ниво.

Промените в ацетилирането на хистони и метилирането на ДНК водят до развитие на рак на простатата чрез промяна на активността на различни гени. Генната активност при рак на простатата може да бъде повлияна от диета и начин на живот.

През 2008 г. Националният здравен институт на САЩ обяви, че 190 милиона долара ще бъдат изразходвани за епигенетични изследвания през следващите 5 години. Според някои от изследователите, инициирали финансирането, епигенетиката може да играе по-голяма роля в лечението на човешки заболявания, отколкото генетиката.

Епигеном и стареене

През последните години се натрупаха все повече доказателства, че епигенетичните процеси играят важна роля в по-късния живот. По-специално, широко разпространени промени в моделите на метилиране настъпват със стареенето. Предполага се, че тези процеси са под генетичен контрол. Обикновено най-голям брой метилирани цитозинови бази се наблюдава в ДНК, изолирана от ембриони или новородени животни, и това количество постепенно намалява с възрастта. Подобно намаляване на нивата на метилиране на ДНК е установено в култивирани лимфоцити от мишки, хамстери и хора. То е систематично, но може да бъде тъканно и генно специфично. Например, Tra et al. (Tra et al., 2002) при сравняване на повече от 2000 локуса в Т-лимфоцити, изолирани от периферната кръв на новородени, както и на хора на средна възраст и по-възрастни, установиха, че 23 от тези локуса претърпяват хиперметилиране и 6 хипометилиране с възрастта, и Подобни промени в моделите на метилиране са открити и в други тъкани: панкреас, бели дробове и хранопровод. Установени са тежки епигенетични изкривявания при пациенти с прогирия на Hutchinson-Gilford.

Предполага се, че деметилирането с възрастта води до хромозомни пренареждания чрез активиране на мобилни генетични елементи (MGE), които обикновено се потискат от ДНК метилиране (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематичното свързано с възрастта намаляване на нивата на метилиране може, поне отчасти, да е отговорно за много сложни заболявания, които не могат да бъдат обяснени с помощта на класическите генетични концепции. Друг процес, който протича в онтогенезата успоредно с деметилирането и засяга процесите на епигенетична регулация, е кондензацията на хроматина (хетерохроматинизация), което води до намаляване на генетичната активност с възрастта. В редица проучвания са доказани епигенетични промени в зависимост от възрастта и в зародишните клетки; посоката на тези промени изглежда е специфична за гена.

Литература

• Неса Кери. Епигенетика: Как съвременната биология пренаписва нашето разбиране за генетиката, болестите и наследствеността. - Ростов на Дон: Феникс, 2012. - ISBN 978-5-222-18837-8.

Бележки

1. Нови изследвания свързват общата модификация на РНК със затлъстяването
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Епигенетична епидемиология на заболявания, свързани с възрастта
4. Holliday, R., 1990. Механизми за контрол на генната активност по време на развитие. Biol. Rev. Cambr. Филос. Soc. 65, 431-471
5. Епигенетика. Bio-Medicine.org. Посетен на 21 май 2011 г.
6. В.Л. Чандлър (2007). „Парамутация: От царевица до мишки“. Клетка 128 (4): 641–645. doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. PMID 17320501.
7. Ян Сап, Отвъд гена. 1987 Oxford University Press. Ян Сап, „Концепции за организация: влиянието на ресничестите протозои“. В изд. S. Gilbert, Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229-258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology Oxford University Press, 2003.
8. Ояма, Сюзън; Пол Е. Грифитс, Ръсел Д. Грей (2001). MIT Press. ISBN 0-26-265063-0.
9. Вердел и др., 2004 г
10. Matzke, Birchler, 2005
11. О.Дж. Рандо и К. Дж. Верстрепен (2007). „Времеви мащаби на генетично и епигенетично наследство“. Клетка 128 (4): 655–668. doi:10.1016/j.cell.2007.01.023. PMID 17320504.
12. Яблонка, Ева; Гал Раз (юни 2009 г.). „Трансгенерационно епигенетично наследство: Разпространение, механизми и последици за изследването на наследствеността и еволюцията.“ Тримесечният преглед на биологията 84 (2): 131-176. doi:10.1086/598822. PMID 19606595.
13. J.H.M. Knoll, R.D. Nicholls, R.E. Магенис, Дж.М. Греъм младши, М. Лаланд, S.A. Latt (1989). "Синдромите на Ангелман и Прадер-Уили споделят обща хромозомна делеция, но се различават по родителския произход на делецията." American Journal of Medical Genetics 32 (2): 285-290. doi:10.1002/ajmg.1320320235. PMID 2564739.
14. Pembrey ME, Bygren LO, Kaati G, et al.. Специфични за пола трансгенерационни реакции по мъжка линия при хора. Eur J Hum Genet 2006; 14: 159-66. PMID 16391557. Робърт Уинстън се позовава на това изследване в лекция; вижте също дискусията в университета в Лийдс тук

4910 0

През последните години медицинската наука все повече насочва вниманието си от изучаването на генетичния код към мистериозните механизми, чрез които ДНК реализира своя потенциал: тя е пакетирана и взаимодейства с протеините в нашите клетки.

Така наречените епигенетични фактори са наследствени, обратими и играят огромна роля за запазване здравето на цели поколения.

Епигенетичните промени в клетката могат да предизвикат рак, неврологични и психични заболявания, автоимунни заболявания – не е изненадващо, че епигенетиката привлича вниманието на лекари и изследователи от различни области.

Не е достатъчно вашите гени да кодират правилната последователност от нуклеотиди. Експресията на всеки ген е невероятно сложен процес, който изисква перфектна координация на действията на няколко участващи молекули.

Епигенетиката поставя допълнителни предизвикателства пред медицината и науката, които тепърва започваме да разбираме.

Всяка клетка в нашето тяло (с малки изключения) съдържа една и съща ДНК, дарена от родителите ни. Въпреки това, не всички части на ДНК могат да бъдат активни едновременно. Някои гени работят в клетките на черния дроб, други в клетките на кожата, а трети в нервните клетки - поради което нашите клетки са поразително различни една от друга и имат своя собствена специализация.

Епигенетичните механизми гарантират, че клетка от определен тип ще работи с код, уникален за този тип.

През целия човешки живот определени гени могат да „спят“ или внезапно да се активират. Тези неясни промени са повлияни от милиарди житейски събития - преместване в нов район, развод с жена ви, ходене на фитнес, махмурлук или развален сандвич. Почти всички събития в живота, големи и малки, могат да повлияят на дейността на определени гени в нас.

Определение за епигенетика

Епигенетичните промени са наследствени промени в генната експресия и клетъчния фенотип, които не засягат самата ДНК последователност. Под фенотип се разбира целият набор от характеристики на клетка (организъм) - в нашия случай това е структурата на костната тъкан, биохимични процеси, интелект и поведение, тон на кожата и цвят на очите и др.

Разбира се, фенотипът на организма зависи от неговия генетичен код. Но колкото повече учените навлизаха в проблемите на епигенетиката, толкова по-очевидно ставаше, че някои характеристики на тялото се наследяват през поколенията без промени в генетичния код (мутации).

За мнозина това беше откровение: тялото може да се променя, без да променя гените, и да предава тези нови черти на потомците.

Епигенетичните изследвания през последните години доказаха, че факторите на околната среда - живот сред пушачи, постоянен стрес, лоша диета - могат да доведат до сериозни смущения във функционирането на гените (но не и в тяхната структура) и че тези смущения лесно се предават на бъдещите поколения. Добрата новина е, че те са обратими и в някое N-то поколение могат да се разтворят без следа.

За да разберем по-добре силата на епигенетиката, нека си представим живота си като дълъг филм.

Нашите клетки са актьори и актриси, а нашето ДНК е предварително подготвен сценарий, в който всяка дума (ген) дава необходимите команди на актьорския състав. В този филм епигенетиката е режисьор. Сценарият може да е същият, но режисьорът има властта да премахва определени сцени и части от диалози. Така че в живота епигенетиката решава какво и как ще каже всяка клетка от огромното ни тяло.

Епигенетика и здраве

Най-изследваният аспект на епигенетиката е метилирането. Това е процесът на добавяне на метилови (CH3-) групи към ДНК.

Обикновено метилирането засяга генната транскрипция - копирането на ДНК в РНК или първата стъпка в репликацията на ДНК.

Проучване от 1969 г. е първото, което показва, че метилирането на ДНК може да промени дългосрочната памет на индивида. Оттогава ролята на метилирането в развитието на множество заболявания стана по-добре разбрана.

Болести на имунната система

Други учени са убедени, че метилирането на ДНК е истинската причина за развитието на ревматоиден артрит.

Невропсихиатрични заболявания

Ролята на метилирането на ДНК в развитието на болестта на Алцхаймер вече е практически доказана. Голямо проучване установи, че дори при липса на клинични симптоми, гените в нервните клетки при пациенти, предразположени към болестта на Алцхаймер, се метилират по различен начин, отколкото в нормалните мозъци.

Теорията за ролята на метилирането в развитието на аутизма е предложена отдавна. Многобройни аутопсии, изследващи мозъците на болни хора, потвърждават, че техните клетки нямат достатъчно протеин MECP2 (метил-CpG-свързващ протеин 2). Това е изключително важно вещество, което свързва и активира метилираните гени. При липса на MECP2 мозъчната функция е нарушена.

Онкологични заболявания

През 1983 г. ракът стана първото човешко заболяване, свързано с епигенетиката. Тогава учените откриха, че колоректалните ракови клетки са много по-малко метилирани от нормалните чревни клетки. Липсата на метилови групи води до нестабилност в хромозомите и започва онкогенезата. От друга страна, излишъкът от метилови групи в ДНК „приспива“ някои гени, отговорни за потискането на рака.

Тъй като епигенетичните промени са обратими, по-нататъшните изследвания проправиха пътя за иновативна терапия на рака.

В Оксфордското списание Carcinogenesis през 2009 г. учените пишат: „Фактът, че епигенетичните промени, за разлика от генетичните мутации, са потенциално обратими и могат да бъдат възстановени до нормално състояние, прави епигенетичната терапия обещаваща възможност.“

Епигенетиката все още е млада наука, но благодарение на многостранното въздействие на епигенетичните промени върху клетките, нейните успехи вече са невероятни. Жалко е, че не по-рано от 30-40 години нашите потомци ще могат напълно да осъзнаят колко много означава това за здравето на човечеството.

: магистър-фармацевт и професионален медицински преводач

Епигенетиката е сравнително нов клон на генетиката, който се нарича едно от най-важните биологични открития след откриването на ДНК. Преди се смяташе, че наборът от гени, с които се раждаме, необратимо определя живота ни. Сега обаче е известно, че гените могат да бъдат включени или изключени и могат да бъдат изразени повече или по-малко под влиянието на различни фактори на начина на живот.

сайтът ще ви каже какво е епигенетиката, как работи и какво можете да направите, за да увеличите шансовете си да спечелите „здравна лотария“.

Епигенетика: Промените в начина на живот са ключът към промяната на гените

Епигенетика - наука, която изучава процеси, които водят до промени в генната активност, без да променят ДНК последователността. Просто казано, епигенетиката изучава ефектите на външни фактори върху генната активност.

Проектът за човешкия геном идентифицира 25 000 гена в човешката ДНК. ДНК може да се нарече кодът, който организмът използва, за да се изгради и възстанови. Самите гени обаче се нуждаят от „инструкции“, чрез които определят необходимите действия и времето за тяхното изпълнение.

Епигенетичните модификации са самите инструкции.

Има няколко вида такива модификации, но двата основни са тези, които засягат метиловите групи (въглерод и водород) и хистоните (протеини).

За да разберете как работят модификациите, представете си, че един ген е електрическа крушка. Метиловите групи действат като светлинен превключвател (т.е. ген), а хистоните действат като светлинен регулатор (т.е. регулират нивото на генната активност). И така, смята се, че човек има четири милиона от тези превключватели, които се активират под влияние на начина на живот и външни фактори.

Ключът към разбирането на влиянието на външните фактори върху генната активност беше наблюдението на живота на еднояйчни близнаци. Наблюденията показват колко силни могат да бъдат промените в гените на такива близнаци, водещи различен начин на живот при различни външни условия.

Предполага се, че еднояйчните близнаци имат „общи“ заболявания, но това често не е така: алкохолизъм, болест на Алцхаймер, биполярно разстройство, шизофрения, диабет, рак, болест на Crohn и ревматоиден артрит могат да се появят само при един близнак, в зависимост от различни фактори. Причината за това е епигенетичен дрейф- свързани с възрастта промени в генната експресия.

Тайните на епигенетиката: Как факторите на начина на живот влияят на гените

Изследванията в епигенетиката показват, че само 5% от генните мутации, свързани със заболяването, са напълно детерминистични; останалите 95% могат да бъдат повлияни чрез хранене, поведение и други фактори на околната среда. Програмата за здравословен начин на живот ви позволява да промените активността на 4000 до 5000 различни гени.

Ние не сме просто сбор от гените, с които сме родени. Човекът е този, който използва, той е този, който контролира своите гени. В същото време не е толкова важно какви „генетични карти” ви е дала природата – важното е какво правите с тях.

Епигенетиката е в начален стадий и остава много да се учи, но съществуват знания за основните фактори на начина на живот, които влияят на генната експресия.

1. Хранене, сън и упражнения

Не е изненадващо, че храненето може да повлияе на състоянието на ДНК. Диета, богата на преработени въглехидрати, кара ДНК да бъде атакувана от високи нива на глюкоза в кръвта. От друга страна, увреждането на ДНК може да бъде обърнато чрез:

• сулфорафан (съдържа се в броколите);
• куркумин (съдържа се в куркума);
• епигалокатехин-3-галат (намира се в зеления чай);
• ресвератрол (съдържа се в гроздето и виното).

Що се отнася до съня, само една седмица лишаване от сън се отразява негативно върху дейността на повече от 700 гена. Генната експресия (117) се повлиява положително от упражненията.

1. Стрес, връзки и дори мисли

Епигенетиците твърдят, че не само „материални“ фактори като диета, сън и упражнения влияят върху гените. Както се оказва, стресът, взаимоотношенията с хората и вашите мисли също са важни фактори, влияещи върху генната експресия. Така:

• медитацията потиска експресията на провъзпалителни гени, помагайки в борбата с възпалението, т.е. предпазва от болестта на Алцхаймер, рак, сърдечни заболявания и диабет; Освен това ефектът от такава практика е видим след 8 часа тренировка;
• 400 научни изследвания показват, че изразяването на благодарност, доброта, оптимизъм и различни техники, които ангажират ума и тялото, имат положителен ефект върху генната експресия;
• Липсата на активност, лошото хранене, постоянните негативни емоции, токсините и лошите навици, както и травмите и стресът предизвикват негативни епигенетични промени.

Трайност на епигенетичните промени и бъдещето на епигенетиката

Едно от най-вълнуващите и противоречиви открития е, че епигенетичните промени се предават на следващите поколения, без да се променя генната последователност. Д-р Мичъл Гейнор, автор на The Gene Therapy Blueprint: Take Control of Your Genetic Destiny Throu Nutrition and Lifestyle, вярва, че генната експресия също се предава по наследство.

Епигенетиката, казва д-р Ранди Джъртъл, показва, че ние също сме отговорни за целостта на нашия геном. Преди вярвахме, че всичко зависи от гените. Епигенетиката ни позволява да разберем, че нашето поведение и навици могат да повлияят на експресията на гените в бъдещите поколения.

Епигенетиката е сложна наука с огромен потенциал. Експертите все още имат много работа, за да определят точно какви фактори на околната среда влияят на нашите гени, как можем (и дали) можем да обърнем болестите или да ги предотвратим възможно най-ефективно.

Епигенетиката е клон на генетиката, който сравнително наскоро се появи като независима област на изследване. Но днес тази млада динамична наука предлага революционен поглед върху молекулярните механизми на развитие на живите системи.

Една от най-смелите и вдъхновяващи епигенетични хипотези, че активността на много гени е обект на външно влияние, сега се потвърждава в много експерименти върху животински модели. Изследователите предпазливо коментират своите резултати, но не изключват това Хомо сапиенсне зависи напълно от наследствеността, което означава, че може целенасочено да й влияе.

В бъдеще, ако учените се окажат прави и успеят да намерят ключовете към механизмите за контрол на гените, хората ще могат да контролират физическите процеси, протичащи в тялото. Стареенето може да е един от тях.

На фиг. механизъм на РНК интерференция.

Молекулите dsRNA могат да бъдат РНК с фиби или две сдвоени допълващи се вериги на РНК.
Дългите dsRNA молекули се нарязват (обработват) в клетката на къси от ензима Dicer: един от неговите домейни специфично свързва края на dsRNA молекулата (маркирана със звездичка), докато другата произвежда прекъсвания (маркирани с бели стрелки) в и двете dsRNA вериги.

В резултат на това се образува двойноверижна РНК с дължина 20-25 нуклеотида (siRNA) и Dicer преминава към следващия цикъл на разрязване на dsRNA, свързвайки се с нейния новообразуван край.

Тези siPHK могат да бъдат включени в комплекс, съдържащ протеина Argonaute (AGO). Една от siRNA веригите, в комплекс с AGO протеина, открива комплементарни информационни РНК (mRNA) молекули в клетката. AGO разрязва таргетните иРНК молекули, причинявайки разграждане на иРНК или спира транслацията на иРНК върху рибозомата. Късите РНК могат също да потиснат транскрипцията (синтезата на РНК) на ген, хомоложен на тях по нуклеотидна последователност в ядрото.
(рисунка, диаграма и коментар / сп. Природа № 1, 2007 г.)

Възможни са и други, все още неизвестни механизми.
Разликата между епигенетичните и генетичните механизми на наследяване е тяхната стабилност и възпроизводимост на ефектите. Генетично обусловените черти могат да се възпроизвеждат неограничено дълго време, докато настъпи определена промяна (мутация) в съответния ген.
Епигенетичните промени, предизвикани от определени стимули, обикновено се възпроизвеждат в поредица от клетъчни поколения в рамките на живота на един организъм. Когато се предават на следващите поколения, те могат да се възпроизвеждат не повече от 3-4 поколения и след това, ако изчезне стимулът, който ги е предизвикал, те постепенно изчезват.

Как изглежда това на молекулярно ниво? Епигенетични маркери, както обикновено се наричат ​​тези химически комплекси, не са разположени в нуклеотидите, които образуват структурната последователност на ДНК молекулата, но те директно улавят определени сигнали?

Абсолютно прав. Епигенетичните маркери наистина не са ВЪРХУ нуклеотидите, а ВЪРХУ тях (метилиране) или ИЗВЪН тях (ацетилиране на хроматинови хистони, микроРНК).
Какво се случва, когато тези маркери се предават на следващите поколения, най-добре се обяснява с помощта на аналогията с коледната елха. Преминавайки от поколение на поколение, „играчките“ (епигенетични маркери) се отстраняват напълно от него по време на образуването на бластоциста (8-клетъчен ембрион), а след това, по време на процеса на имплантиране, те се „поставят“ на същите места където са били преди. Това се знае отдавна. Но това, което стана известно наскоро и което напълно революционизира нашето разбиране за биология, е свързано с епигенетичните модификации, придобити по време на живота на даден организъм.

Например, ако тялото е под въздействието на определено въздействие (топлинен шок, гладуване и т.н.), възниква стабилна индукция на епигенетични промени („купуване на нова играчка“). Както се предполагаше по-рано, такива епигенетични маркери са напълно изтрити по време на оплождането и формирането на ембриона и по този начин не се предават на потомството. Оказа се, че това не е така. В голям брой изследвания през последните години, епигенетични промени, предизвикани от екологичен стрес при представители на едно поколение, са открити в представители на 3-4 последващи поколения. Това показва възможността за унаследяване на придобити характеристики, което доскоро се смяташе за абсолютно невъзможно.

Кои са най-важните фактори, причиняващи епигенетични промени?

Това са все фактори, които действат по време на чувствителни етапи на развитие. При хората това е целият период на вътрематочно развитие и първите три месеца след раждането. Най-важните включват храненето, вирусните инфекции, пушенето на майката по време на бременност, недостатъчното производство на витамин D (поради излагане на слънце) и стреса на майката.
Тоест те повишават адаптацията на тялото към променящите се условия. И все още никой не знае какви „пратеници“ съществуват между факторите на околната среда и епигенетичните процеси.

Но освен това има доказателства, че най-„чувствителният“ период, през който са възможни големи епигенетични модификации, е периконцептуалният (първите два месеца след зачеването). Възможно е опитите за целенасочена намеса в епигенетичните процеси още преди зачеването, тоест върху зародишните клетки дори преди образуването на зигота, да са ефективни. Въпреки това, епигеномът остава доста пластичен дори след края на етапа на ембрионално развитие, някои изследователи се опитват да го коригират при възрастни.

Например Min Ju Fan ( Минг Джу Фанг) и нейните колеги от университета Rutgers в Ню Джърси (САЩ) установиха, че при възрастни, използването на определен компонент на зеления чай (антиоксидантът епигалокатехин галат (EGCG)) може да активира туморни супресорни гени чрез деметилиране на ДНК.

В момента в САЩ и Германия вече се разработват около дузина лекарства, чието създаване се основава на резултатите от последните проучвания на епигенетиката при диагностицирането на рак.
Кои са ключовите въпроси в епигенетиката сега? Как тяхното решение може да ускори изучаването на механизмите (процеса) на стареене?

Вярвам, че процесът на стареене е присъщо епигенетичен („като етап от онтогенезата“). Изследванията в тази област са започнали едва през последните години, но ако са успешни, човечеството може да разполага с нов мощен инструмент за борба с болестите и удължаване на живота.
Ключовите въпроси сега са епигенетичният характер на заболяванията (например рак) и разработването на нови подходи за тяхната превенция и лечение.
Ако можем да изследваме молекулярните епигенетични механизми на свързаните с възрастта заболявания, ще бъде възможно успешно да се противодейства на тяхното развитие.

В края на краищата, например, една пчела работничка живее 6 седмици, а пчелната майка живее 6 години.
С пълна генетична идентичност те се различават само по това, че бъдещата пчелна майка се храни с пчелно млечице няколко дни повече по време на развитието си, отколкото обикновената пчела работничка.

В резултат на това представителите на тези пчелни касти развиват малко по-различни епигенотипове. И въпреки външното и биохимичното сходство, продължителността на живота им се различава 50 пъти!

По време на изследвания през 60-те години е доказано, че той намалява с възрастта. Но дали учените са постигнали някакъв напредък в отговора на въпроса: защо се случва това?

Има много работа, която показва, че характеристиките и скоростта на стареене зависят от условията на ранната онтогенеза. Повечето свързват това с корекцията на епигенетичните процеси.

Метилирането на ДНК наистина намалява с възрастта; защо се случва това все още не е известно. Една от версиите е, че това е следствие от адаптация, опит на тялото да се адаптира както към външен стрес, така и към вътрешен „супер стрес“ - стареене.

Възможно е ДНК, „включена“ по време на свързаното с възрастта деметилиране, да е допълнителен адаптивен ресурс, едно от проявленията на процеса витаукт (както го нарича изключителният геронтолог Владимир Вениаминович Фролкис) - физиологичен процес, който противодейства на стареенето.

За да се направят промени на генно ниво, е необходимо да се идентифицира и замени мутиралата „буква“ на ДНК, може би част от гени. Засега най-обещаващият начин за извършване на подобни операции е биотехнологичният. Но това все още е експериментална посока и все още няма големи пробиви в нея. Метилирането е по-гъвкав процес, по-лесно се променя, включително с помощта на фармакологични лекарства. Възможно ли е да се научим да контролираме избирателно? Какво още остава да се направи за това?

Метилирането е малко вероятно. Тя е неспецифична, засяга всичко „на едро“. Можете да научите маймуна да удря клавишите на пиано и тя ще издава силни звуци от него, но е малко вероятно да изпълни „Лунната соната“. Въпреки че има примери, когато с помощта на метилиране е възможно да се промени фенотипът на даден организъм. Най-известният пример е с мишки - носители на мутантния ген агути (вече го цитирах). Връщането към нормален цвят на козината е настъпило при тези мишки, защото „дефектният“ ген е „изключен“ поради метилиране.

Но е възможно селективно да се повлияе на генната експресия и интерфериращите РНК, които действат силно специфично, само върху „своите собствени“, са отлични за това. Такава работа вече се извършва.

Например американски изследователи наскоро трансплантираха човешки туморни клетки в мишки, чиято имунна система е била потисната, които могат свободно да се размножават и метастазират в имунодефицитни мишки. Учените са успели да идентифицират тези, експресирани в метастазиращи клетки и, като синтезират съответната интерферираща РНК и я инжектират в мишки, блокират синтеза на "ракова" информационна РНК и, съответно, потискат растежа на тумора и метастазите.

Тоест, въз основа на съвременните изследвания, можем да кажем, че епигенетичните сигнали са в основата на различни процеси, протичащи в живите организми. Какво са те? Какви фактори влияят върху тяхното формиране? Могат ли учените да дешифрират тези сигнали?

Сигналите могат да бъдат много различни. По време на развитие и стрес това са сигнали предимно от хормонално естество, но има доказателства, че дори въздействието на нискочестотно електромагнитно поле с определена честота, чийто интензитет е милион (!) пъти по-малък от естественото електромагнитно поле, може да доведе до експресия на гени на протеини от топлинен шок (HSP70) в полета на клетъчни култури. В този случай това поле, разбира се, не действа „енергийно“, а е един вид сигнален „тригер“, който „стартира“ генната експресия. Тук все още има много мистерия.

Например, наскоро отворен ефект на страничен наблюдател(„ефект на страничен наблюдател“).
Накратко същността му е следната. Когато облъчваме клетъчна култура, те изпитват широк спектър от реакции, от хромозомни аберации до радиоадаптивни реакции (способността да издържат на високи дози радиация). Но ако премахнем всички облъчени клетки и прехвърлим други, необлъчени клетки в останалата хранителна среда, те ще проявят същите реакции, въпреки че никой не ги е облъчвал.

Предполага се, че облъчените клетки освобождават определени епигенетични "сигнални" фактори в околната среда, които причиняват подобни промени в необлъчените клетки. Все още никой не знае какво е естеството на тези фактори.

Големите очаквания за подобряване на качеството и продължителността на живот са свързани с научния напредък в областта на изследването на стволовите клетки. Ще успее ли епигенетиката да изпълни обещанието си за препрограмиране на клетки? Има ли сериозни предпоставки за това?

Ако бъде разработена надеждна техника за „епигенетично препрограмиране“ на соматични клетки в стволови клетки, това със сигурност ще бъде революция в биологията и медицината. Засега са направени само първите стъпки в тази посока, но те са обнадеждаващи.

Добре известна максима: човек е това, което яде. Какво влияние има храната върху живота ни? Например генетиците от университета в Мелбърн, които изучават механизмите на клетъчната памет, откриха, че след приемане на еднократна доза захар, клетката съхранява съответния химичен маркер в продължение на няколко седмици.

Дори има специален раздел за епигенетиката - Хранителна епигенетика, занимаващи се конкретно с въпроса за зависимостта на епигенетичните процеси от хранителните характеристики. Тези характеристики са особено важни в ранните етапи от развитието на организма. Например, когато бебето се храни не с майчино мляко, а със сухи формули на базата на краве мляко, в клетките на тялото му настъпват епигенетични промени, които, фиксирани чрез механизма на импринтинга, водят с течение на времето до началото на автоимунен процес в бета клетките на панкреаса и, като следствие, диабет тип I.

На фиг. развитие на диабет (цифрата се увеличава при щракване с курсора). При автоимунни заболявания като диабет тип 1, имунната система на човек атакува собствените му органи и тъкани.
Някои автоантитела започват да се произвеждат в тялото много преди появата на първите симптоми на заболяването. Идентифицирането им може да помогне при оценката на риска от развитие на заболяването.
(рисунка от списание „В СВЕТА НА НАУКАТА”, юли 2007 г. № 7)

А неадекватното (ограничено в броя на калориите) хранене по време на развитието на плода е пряк път към затлъстяването в зряла възраст и диабет тип II.

Означава ли това, че човек все още е отговорен не само за себе си, но и за своите потомци: деца, внуци, правнуци?

Да, разбира се, и то в много по-голяма степен, отколкото се смяташе досега.

Какъв е епигенетичният компонент в така наречения геномен импринтинг?

При геномно отпечатване един и същ ген се появява фенотипно по различен начин в зависимост от това дали се предава на потомството от бащата или майката. Тоест, ако генът е наследен от майката, той вече е метилиран и не се експресира, докато ген, наследен от бащата, не е метилиран и се експресира.

Най-активно се изучава геномният импринтинг в развитието на различни наследствени заболявания, които се предават само от предци от определен пол. Например, ювенилната форма на болестта на Хънтингтън се проявява само когато мутантният алел е наследен от бащата, а атрофичната миотония - от майката.
И това въпреки факта, че самите заболявания, които причиняват тези заболявания, са абсолютно еднакви, независимо дали са наследени от бащата или майката. Разликите се крият в „епигенетичната предистория“, причинена от присъствието им в майчините или, обратно, бащините организми. С други думи, те носят „епигенетичния отпечатък“ на пола на родителя. Когато се намират в тялото на предшественик от определен пол, те са метилирани (функционално потиснати), а на друг - деметилирани (съответно експресирани) и в същото състояние се наследяват от потомците, водещи (или не водещи) до появата на определени заболявания.

Вие сте изучавали ефектите на радиацията върху тялото. Известно е, че ниските дози радиация имат положителен ефект върху продължителността на живота на плодовите мушици плодови мушици. Възможно ли е да се тренира човешкото тяло с ниски дози радиация?Александър Михайлович Кузин, изразен от него още през 70-те години на миналия век, дози, които са приблизително с порядък по-големи от фоновите, водят до стимулиращ ефект.

В Керала, например, фоновото ниво не е 2, а 7,5 пъти по-високо от нивото на „средния индиец“, но нито заболеваемостта от рак, нито смъртността от него се различава от общото индийско население.

(Вижте например най-новото по тази тема: Nair RR, Rajan B, Akiba S, Jayalekshmi P, Nair MK, Gangadharan P, Koga T, Morishima H, Nakamura S, Sugahara T. Фонова радиация и заболеваемост от рак в Керала, Индия-Кохортно проучване на Karanagappally. Здравна физ. 2009 януари;96(1):55-66)

В едно от вашите изследвания вие анализирахте данни за датите на раждане и смърт на 105 хиляди жители на Киев, починали между 1990 и 2000 г. Какви изводи бяха направени?

Най-голяма се оказва продължителността на живота на хората, родени в края на годината (особено през декември), а най-къса - на родените през април-юли. Разликите между минималната и максималната средномесечна стойност се оказват много големи и достигат 2,6 години за мъжете и 2,3 години за жените. Нашите резултати показват, че колко дълго ще живее човек до голяма степен зависи от сезона на годината, в който е роден.

Възможно ли е да се приложи получената информация?

Какви биха могли да бъдат препоръките? Например, трябва ли децата да се зачеват през пролетта (за предпочитане през март), за да бъдат потенциално дълголетни? Но това е абсурдно. Природата не дава всичко на едни и нищо на други. Така е и със „сезонното програмиране“. Например, в проучвания, проведени в много страни (Италия, Португалия, Япония), беше разкрито, че учениците и студентите, родени в края на пролетта - началото на лятото (според нашите данни - „краткотрайни“), имат най-високи интелектуални способности. Тези проучвания показват безполезността на „приложните“ препоръки за раждане на деца през определени месеци от годината. Но тези работи, разбира се, са сериозна причина за по-нататъшни научни изследвания на механизмите, които определят „програмирането“, както и търсенето на средства за целенасочена корекция на тези механизми с цел удължаване на живота в бъдеще.

Един от пионерите на епигенетиката в Русия, професорът от Московския държавен университет Борис Ванюшин, в своя труд „Материализация на епигенетиката или Малки промени с големи последствия” пише, че миналият век е векът на генетиката, а сегашният е векът на епигенетика.

Какво ни позволява да оценим позицията на епигинетиката толкова оптимистично?

След завършването на програмата за човешкия геном научната общност беше шокирана: оказа се, че информация за структурата и функционирането на човек се съдържа в приблизително 30 хиляди гена (според различни оценки това е само около 8-10 мегабайта от информация). Експертите, които работят в областта на епигенетиката, я наричат ​​„втората информационна система“ и вярват, че дешифрирането на епигенетичните механизми, които контролират развитието и функционирането на тялото, ще доведе до революция в биологията и медицината.

Например, редица изследвания вече са успели да идентифицират типични модели в такива рисунки. Въз основа на тях лекарите могат да диагностицират образуването на рак на ранен етап.
Но осъществим ли е такъв проект?

Да, разбира се, въпреки че е много скъпо и трудно може да се приложи по време на криза. Но в дългосрочен план - доста.

През 1970 г. групата на Ванюшин в сп "природа"публикувани данни за това какво регулира клетъчната диференциация, което води до разлики в генната експресия. И ти говори за това. Но ако всяка клетка на един организъм съдържа един и същ геном, тогава всеки тип клетка има свой собствен епигеном и съответно ДНК се метилира по различен начин. Като се има предвид, че в човешкото тяло има около двеста и петдесет вида клетки, количеството информация може да бъде колосално.

Ето защо проектът за човешки епигеном е много труден (макар и не безнадежден) за изпълнение.

Той вярва, че най-малките явления могат да окажат огромно влияние върху живота на човек: „Ако околната среда играе такава роля в промяната на нашия геном, тогава трябва да изградим мост между биологичните и социалните процеси. Това абсолютно ще промени начина, по който гледаме на нещата.”

Толкова ли е сериозно?

Със сигурност. Сега, във връзка с най-новите открития в областта на епигенетиката, много учени говорят за необходимостта от критично преосмисляне на много положения, които изглеждаха непоклатими или завинаги отхвърлени, и дори за необходимостта от промяна на основните парадигми в биологията. Такава революция в мисленето със сигурност може да има значително въздействие върху всички аспекти на живота на хората, от техния мироглед и начин на живот до експлозия от открития в биологията и медицината.

Информацията за фенотипа се съдържа не само в генома, но и в епигенома, който е пластичен и може, променяйки се под въздействието на определени стимули от околната среда, да повлияе на експресията на гените - ПРОТИВОРЕЧИЕ С ЦЕНТРАЛНАТА ДОГМА НА МОЛЕКУЛАРНАТА БИОЛОГИЯ, СПОРЕД ДО КОЕТО ИНФОРМАЦИОННИЯТ ПОТОК МОЖЕ ДА МИНЕ САМО ОТ ДНК КЪМ ПРОТЕИНИ, НО НЕ И ОТВЪД ОКЕАН.
Епигенетичните промени, предизвикани в ранната онтогенеза, могат да бъдат записани чрез механизма на импринтинга и да променят цялата последваща съдба на човек (включително психотип, метаболизъм, предразположение към заболявания и др.) - ЗОДИАКАЛНА АСТРОЛОГИЯ.
Причината за еволюцията, в допълнение към случайните промени (мутации), избрани от естествения подбор, са насочени, адаптивни промени (епимутации) - КОНЦЕПЦИЯТА ЗА ТВОРЧЕСКАТА ЕВОЛЮЦИЯ от френския философ (нобелов лауреат за литература, 1927) Анри БЕРГСОН.
Епимутациите могат да се предават от предците към потомците - НАСЛЕДЯВАНЕ НА ПРИДОБИТИ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЛАМАРХИЗЪМ.

На какви належащи въпроси ще трябва да се отговори в близко бъдеще?

Как протича развитието на многоклетъчен организъм, каква е природата на сигналите, които толкова точно определят времето на възникване, структурата и функциите на различни органи на тялото?

Възможно ли е да се променят организмите в желаната посока чрез въздействие върху епигенетичните процеси?

Възможно ли е да се предотврати развитието на епигенетично обусловени заболявания, като диабет и рак, чрез коригиране на епигенетичните процеси?

Каква е ролята на епигенетичните механизми в процеса на стареене, възможно ли е да се удължи животът с тяхна помощ?

Възможно ли е понастоящем неразбираемите модели на еволюция на живите системи (недарвинистка еволюция) да се обясняват с участието на епигенетични процеси?

Естествено, това е само моят личен списък, може да е различен за други изследователи.