Эпигенетика - [23]

В совокупности эти регуляторные возможности наделяют хроматин неким организующим геномы началом, которое известно как «эпигенетика» и которое является предметом этой книги. В некоторых случаях паттерны эпигенетического индексирования оказываются наследующимися в ходе клеточных делений, обеспечивая тем самым клеточную «память», которая может расширять потенциал наследуемой информации, заключенный в генетическом (ДНК) коде. Таким образом, в узком смысле слова эпигенетику можно определять как изменения в транскрипции генов, обусловленные модуляциями хроматина, которые не являются результатом изменений в нуклеотидной последовательности ДНК.

В этом обзоре мы объясняем основные концепции, связанные с хроматином и эпигенетикой, и обсуждаем, каким образом эпигенетический контроль может дать нам ключ для решения некоторых давнишних тайн — таких как клеточная идентичность, опухолевый рост, пластичность стволовых клеток, регенерация и старение. По мере того, как читатели будут «продираться» через последующие главы, мы советуем им обратить внимание на широкий спектр экспериментальных моделей, которые, по-видимому, имеют эпигенетическую (неДНКовую) основу. Выраженное в механистических терминах понимание того, как функционирует эпигенетика, будет, вероятно, иметь важные и далеко идущие последствия для биологии и болезней человека в эту «постгеномную» эру.

1. Генетика vs. эпигенетика

Определение структурных деталей двойной спирали ДНК явилось одним из ключевых открытий всей биологии. ДНК является главной макромолекулой, хранящей генетическую информацию (Avery et al. 1944), и она передает эту запасенную информацию следующему поколению через зародышевый путь. На базе этого и других открытий возникла «центральная догма» современной биологии. Эта догма в краткой форме выражает процессы, связанные с поддержанием и транслированием генетической матрицы и необходимые для жизни. Существенными этапами являются (1) самовоспроизведение ДНК путем полуконсервативной репликации; (2) однонаправленная (от 5’ — к 3’-концу) транскрипция — матричный процесс, определяемый генетическим кодом (ДНК); образование промежуточного соединения — информационной РНК (иРНК); (3) трансляция иРНК и образование полипептидов, состоящих из линейных (от амино- к карбоксильной группе) цепочек аминокислот, колинеарных с 5’—3’-последовательностью ДНК. Говоря простыми словами: ДНК → РНК → белок. Центральная догма обеспечивает обратную связь от РНК к ДНК на основе процесса обратной транскрипции, сопровождающейся интеграцией в существующую ДНК (что демонстрируется ретровирусами и ретротранспозонами). Однако эта догма не признает наличие обратной связи от белка к ДНК, хотя новым поворотом в судьбе генетической догмы явился тот факт, что редкие белки, известные как прионы, могут наследоваться в отсутствие матриц ДНК или РНК. Таким образом, эти специализированные самоаггрегирующиеся белки обладают свойствами самой ДНК, в том числе механизмом репликации и хранения информации (Cohen and Prusiner, 1998; Shorter and Lundquist, 2005). Кроме того, новые данные заставляют предполагать, что очень большая часть нашего генома транскрибируется в «некодирующие» РНК. Функция этих некодирующих РНК (т. е. не кодирующих белки, не считая tRNAs, rRNAs, snoRNAs) интенсивно исследуется и лишь начинает проясняться в ограниченном числе случаев.

Происхождение эпигенетики берет свое начало в давнишних исследованиях внешне аномальных (т. е. неменделевских) и ни с чем не сравнимых паттернов наследования у многих организмов (см. исторический обзор в главах 1 и 2). Классическое менделевское наследование фенотипических признаков (например, окраски горошин, числа пальцев или недостаточности гемоглобина) является результатом аллельных различий, вызываемых мутациями в нуклеотидной последовательности ДНК. В совокупности мутации лежат в основе определения фенотипических признаков, которые вносят вклад в детерминацию видовых границ. Эти границы затем формируются давлением естественного отбора, как объясняет дарвинова теория эволюции. Подобные концепции помещают мутации в самую сердцевину классической генетики. Напротив, неменделевское наследование (например, изменчивость эмбрионального роста, мозаичная окраска меха, случайная инактивация Х-хромосомы, парамутация у растений) (рис. 3.1) может быть, например, проявлением экспрессии только одной (из двух) аллелей в одном и том же ядерном окружении. Важно, что в этих обстоятельствах нуклеотидная последовательность ДНК не изменяется. Это отличается от другого паттерна, также относимого к неменделевской наследственности, который является результатом материнского наследования митохондрий (Birky, 2001). Потребность в эпигенетическом исследовании возникает в связи с избирательной регуляцией одной аллели внутри ядра. Чем различаются две идентичные аллели и каков механизм, посредством которого это различие устанавливается и поддерживается в последовательных клеточных поколениях? Что лежит в основе различий, наблюдаемых у монозиготных («идентичных») близнецов и делающих их не полностью идентичными? На эпигенетику иногда ссылаются как на одно из возможных объяснений различий во внешних признаках за счет перевода влияния внешней среды, диеты и других внешних источников влияния в экспрессию генома (Юаг, 2004; см. главы 23 и 24). Выяснение того, какие компоненты затрагиваются на молекулярном уровне и как изменения в этих компонентах влияют на биологию и заболевания человека — главный вызов для будущих исследований.