Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает - Эстейер Манель

И еще одно не менее важное последствие заключалось в том, что эти открытия и их распространение способствовали контактам и обмену информацией между исследовательскими группами, которые работали параллельно над отдельными областями: метилирование ДНК и его влияние на болезни человека, рак и исследования хроматина, — объединяя под общим знаменем ученых из разных университетов и стран.

Таким образом произошло открытие метилирования ДНК как эпигенетического изменения, позволяющего клетке модулировать экспрессию генов, на которые было оказано воздействие, и как механизма изменения структуры хроматина.

Тогда следующий шаг (да, как мы знаем, в науке одно открытие никогда не дает ответа на все вопросы, всегда что-то остается…) заключался в решении, что же определяет метилирование ДНК и как оно передается от одного поколения к следующему.

Ответ не так прост: метилирование ДНК возникает как следствие действий целого специального механизма и является продуктом деятельности некоторых ферментов, называемых ДНК-метилтрансферазами (DNMT). Этот механизм занимается размещением метильных групп на цитозины, как будто он авто корректор, который ставит точки над «ё» в словах после того, как они уже написаны.

DNMT занимаются переносом метильных групп из молекулы, называемой SAM (S-аденозилметионин), на аденин и особенно на цитозин ДНК. И как будто этого мало, DNMT бросают вызов догме молекулярной биологии, потому что внедряют в ДНК наследуемую информацию, которая не закодирована в последовательности нуклеотидов.

Напомним, что дупликация или репликация ДНК должна происходить до деления клетки. ДНК реплицируется благодаря комплементарности оснований. В процессе используются свойства цепей, которые составляют ДНК, чтобы копировать их. При репликации 5-метилцитозин ведет себя точно так же, как цитозин без метильной группы. В результате репликации одна из цепей метилирована (на некоторых из своих цитозинах, как и первоначальная модель), а другая нет (рисунок 6).

Рис. 6. Репликация ДНК, начиная с которой каждая дочерняя цепочка генерирует цепочку, ей комплементарную (на рисунке А соответствует А, Т — Т, G — Г, С — Ц)

Необходим дополнительный механизм, или, как показано выше, автоматический корректор, занимающийся расстановкой ударений в комплементарной цепи, которая сформировалась заново и которая сейчас не метилирована. А также очень важно, чтобы как минимум одна из цепей осталась метилированной в дочерней цепочке ДНК. A DNMT (белки, которые гарантируют, что эта новая цепочка ДНК метилировалась) поддерживают метилирование в дочерних клетках, расставляя ударения, или метильные группы, на цитозин в паре CpG, комплементарной метилированным CpG.

Итак, существует другой тип DNMT: они известны под именем DNMT de novo и являются главными ответственными за метилирование пар CpG.

На сегодняшний день все еще неизвестно, кто отдает приказы, чтобы эти DNMT de novo приходили в движение, но, тем не менее, уже доказано, что их дисфункция катастрофична для клетки, потому что метилирование CpG-островков, которые не должны быть метилированы, заставляет выключаться транскрипцию генов. Этот феномен называется «транскрипционный сайленсинг».

Хроматин

А сейчас поговорим немного об одном важном процессе, о котором не стоит забывать, и раз уж он так важен, мы используем метафору, которая, надеемся, будет достаточно наглядна. Наша ДНК не раздета, она стыдливо, но элегантно прикрыта оболочкой из белков, которые формируют то, что мы называем хроматином. Он похож на бусы из жемчужин-белков, нанизанных на нить ДНК.

Традиционно хроматин (другими словами, наши прекрасные жемчужные бусы) считался статичным образованием с исключительно структурирующей ролью, так что открытие деталей механизмов, которые связывают метилирование ДНК с клеточными механизмами, модифицирующими хроматин, стало событием особой важности, так как дало новый импульс в исследовании активной роли хроматина в контроле деятельности генов.

А дело все в том, что, как мы уже говорили, один из существующих типов белков в хроматине — гистоны — отвечает в основном за упаковку ДНК в ядре клетки.

И эта доминирующая роль хроматина, как и его функция, были неизвестны еще несколько лет назад: изначально хроматин казался просто скелетом, а гистоны — белками, которые создают структуры шарообразной формы, вокруг которых оборачивается ДНК. Именно по этой причине микроскопическая картинка очень похожа на жемчужные бусы, то есть на статичную структуру, монотонную и повторяющуюся.

В этих особых бусах структурная единица хроматина, то есть жемчужина, получила название нуклеосомы. Каждая нуклеосома формирует, в свою очередь, группу из восьми гистонов четырех разных типов, окруженных фрагментом ДНК из 147 оснований. Большая часть гистонов находится внутри этой структуры, но их хвосты остаются снаружи.

В 1970-е годы прогресс в исследованиях структуры хроматина был заметен невооруженным глазом. Эти исследования сформировали представление о статичной модели хроматина, и возможно, поэтому в последующие годы интерес к ним сильно ослабел. И так продолжалось целое десятилетие, пока в начале 1990-х годов результаты новых исследований структуры хроматина не активизировали работу по его изучению.

Два открытия оказались основополагающими. Первое — структурный мотив, присутствующий во многих транскрипционных факторах и отвечающий за взаимодействие гистонов друг с другом и с ДНК. Второе — сложные механизмы, занимающиеся модификациями хроматина; механизмы, являющиеся частью самого хроматина и отвечающие за то, чтобы он выстраивался в различные структуры, которые делают его сочетающимся или несочетающимся с транскрипционной активностью.

Далее остановимся немного на этих механизмах.

Два типа механизмов

Существует два типа механизмов, модифицирующих хроматин: первый состоит из групп белков, которые используют выделяемую некоторыми молекулами энергию, чтобы изменить структуру хроматина. Эти группы получили название комплексов ремоделирования хроматина, и они помогают нуклеосомам скользить по ДНК в движении, позволяющем определенным последовательностям, которые блокируются наличием нуклеосом, стать доступными для ядерных факторов, и наоборот.

Поэтому деятельность комплексов ремоделирования специализируется на регуляторной части конкретного гена. Во многих случаях это движение делает последовательности доступными для транскрипционных механизмов, а соответственно, и для синтеза РНК. В других случаях комплексы ремоделирования хроматина, наоборот, производят более компактную структуру хроматина, которая затрудняет доступ транскрипционных механизмов.

Второй тип механизмов, которые модифицируют хроматин, состоит из ферментов — модификаторов гистонов. Речь идет о ферментах, которые действуют непосредственно на гистоны, добавляя группы, их модифицирующие. В этом случае ударения ставятся на гистоны, то есть знак, который воздействует на деятельность ДНК, был поставлен не на самой ДНК, а на ее оболочке. Речь идет об одном очень хитром маневре: дело в том, что природа нашла способ отмечать такие связки — хроматин. Таким образом ядро клетки может распознавать эти помеченные связки и специально распутывать те, которые нужно использовать. Просто экономия места.

С другой стороны, в отличие от модификации ДНК, существует много типов модификаций гистонов, и это означает, что существуют различные способы помечать гистоны таким образом, что каждый класс модификаций имеет свое значение.