Эпигене́тика (др.-греч.ἐπι- — приставка, обозначающая пребывание на чём-либо или помещение на что-либо) — раздел генетики. Эпигенетика изучает наследуемые изменения активности генов во время роста и деления клеток (Эпигенетическое наследование) — изменения синтеза белков, вызванных механизмами, не изменяющими последовательность нуклеотидов в ДНК. Эпигенетические изменения сохраняются в ряде митотических деленийсоматических клеток, а также могут передаваться следующим поколениям. Регуляторы синтеза белка (активности генетических последовательностей) — метилирование и деметилирование ДНК, ацетилирование и деацетилирование гистонов, фосфорилирование и дефосфорилирование транскрипционных факторов и другие внутриклеточные механизмы[1].
Эпигеномом называется множество молекулярных меток, регулирующих активность генов, но не изменяющих первичную структуру ДНК[2].
В рамках эпигенетики исследуются такие процессы как: парамутация, генетический букмаркинг, геномный импринтинг, инактивация X-хромосомы, эффект положения, материнские эффекты, репрограммирование, а также другие механизмы регуляции экспрессии генов. В 2011 году было показано, что метилирование мРНК также играет роль в предрасположенности к диабету, что дало начало новой отрасли — РНК-эпигенетике[3].
В эпигенетических исследованиях используется широкий спектр методов молекулярной биологии, в том числе — иммунопреципитация хроматина (различные модификации ChIP-on-chip и ChIP-Seq), гибридизация in situ, чувствительные к метилированию рестриктазы, идентификации ДНК-аденин-метилтрансферазы (DamID), бисульфитное секвенирование. Кроме того, всё большую роль играет использование методов биоинформатики (компьютерная эпигенетика).
Одним из примеров эпигенетических изменений у эукариот является процесс клеточной дифференцировки. Во время морфогенеза плюрипотентные стволовые клетки формируют различные полипотентные клеточные линии эмбриона, которые в свою очередь дают начало полностью дифференцированным клеткам. Другими словами, одна оплодотворённая яйцеклетка — зигота — даёт начало различным типам клеток: нейронам, мышечным клеткам, эпителиям, сосудам. При этом в ряду последовательных делений клеток происходит активация одних генов, а также ингибирование других при помощи эпигенетических механизмов[4].
Второй пример может быть продемонстрирован на полёвках. Осенью, перед похолоданием, они рождаются с более длинной и густой шерстью, чем весной, хотя внутриутробное развитие «весенних» и «осенних» мышей происходит на фоне практически одинаковых условий (температуры, длины светового дня, влажности и т. д.). Исследования показали, что сигналом, запускающим эпигенетические изменения, приводящие к увеличению длины шерсти, является изменение градиента концентрации мелатонина в крови (весной он снижается, а осенью — повышается). Таким образом, эпигенетические адаптивные изменения (увеличение длины шерсти) индуцируются ещё до наступления холодов, адаптация к которым выгодна для организма.
Эпигенетика играет большую роль в увеличении роста заболеваемостью аллергией, как и состав различных микробиомов — полости носа, кишечника и кожи[5].
Происхождение термина
Термин «эпигенетика» (как и «эпигенетический ландшафт») был предложен, как производное от слов «генетика» и аристотелевского слова «эпигенез». Автором гипотезы об «эпигенетических изменениях хромосом» является русский биолог Николай Константинович Кольцов[a][6][7][8], подкрепивший её своей ранней гипотезой о метилировании генома (1915)[9]. Экспериментально явление моделировал ученик Кольцова И. А. Рапопорт (1941)[b]. Популяризировал термин «эпигенетика» английский биолог Конрад Уоддингтон[c][2]. Кроме того психолог Эрик Эриксон использовал термин «эпигенетика» в своей теории психосоциального развития, однако, его определение не имеет прямой связи с биологической терминологией[10].
Определения
В 1930-е и 1940-е годы, когда этот термин вошел в научный обиход[8], физическая природа генов не была до конца известна, поэтому он использовал его в качестве концептуальной модели того, как гены могут взаимодействовать со своим окружением при формировании фенотипа.
Робин Холлидэй (Robin Holliday) определил эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в процессе развития организмов»[11]. Таким образом, термин «эпигенетика» может быть использован, чтобы описать любые внутренние факторы, которые влияют на развитие организма, за исключением самой последовательности ДНК.
Современное использование этого слова в научном дискурсе является более узким.
Греческий префикс epi- в слове, подразумевает факторы, которые влияют «поверх» или «в дополнение к» генетическим, а значит эпигенетические факторы воздействуют вдобавок или помимо традиционных генетических факторов наследственности.
Наиболее часто использующееся в настоящее время определение эпигенетики было введено А. Риггсом (Arthur D. Riggs) в 1990-х годах и формулируется как «изучение митотически и/или мейотически наследуемых изменений в функции генов, которые не могут быть объяснены изменениями в последовательности ДНК»[12].
Сходство со словом «генетика» породило много аналогий в использовании термина. «Эпигеном» является аналогом термина «геном» и определяет общее эпигенетическое состояние клетки. Метафора «генетический код» была также адаптирована, а термин «эпигенетический код» используется, чтобы описать набор эпигенетических особенностей, которые создают разнообразные фенотипы в различных клетках. Широко используется термин «эпимутация», которым обозначают вызванное спорадическими факторами изменение нормального эпигенома, передающееся в ряде клеточных поколений.
Молекулярные основы эпигенетики
Молекулярная основа эпигенетики сложна, причём она не затрагивает первичную структуру ДНК, а изменяет активность определённых генов[13][2]. Это объясняет, почему в дифференцированных клетках многоклеточного организма экспрессируются только гены, необходимые для их специфической деятельности. Особенностью эпигенетических изменений является то, что они сохраняются при клеточном делении. Известно, что большинство эпигенетических изменений проявляется только в пределах жизни одного организма. В то же время, если изменение в ДНК произошло в сперматозоиде или яйцеклетке, то некоторые эпигенетические проявления могут передаваться от одного поколения к другому[14].
Наиболее хорошо изученным к настоящему времени эпигенетическим механизмом является метилирование цитозиновых оснований ДНК. Начало интенсивным исследованиям роли метилирования в регуляции генетической экспрессии, в том числе при старении, было положено ещё в 70-е годы XX века пионерскими работами Б. Ф. Ванюшина и Г. Д. Бердышева с соавторами. Процесс метилирования ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции C5 цитозинового кольца. Метилирование ДНК, в основном, присуще эукариотам. У человека метилировано около 1 % геномной ДНК. За процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a и DNMT3b). Предполагают, что DNMT3a и DNMT3b — это de novo метилтрансферазы, которые формируют профиль метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а DNMT1 поддерживает метилирование ДНК на более поздних этапах жизни организма. Фермент DNMT1 имеет высокое сродство с 5-метилцитозином. Когда DNMT1 находит «полуметилированный сайт» (сайт, в котором метилирован цитозин только в одной цепи ДНК), он метилирует цитозин на второй нити в том же сайте. Функция метилирования заключается в активации/инактивации гена. В большинстве случаев, метилирование промоторных областей гена приводит к подавлению активности гена. Показано, что даже незначительные изменения в степени метилирования ДНК могут существенно изменять уровень экспрессии генов.
Хотя модификации аминокислот в гистонах происходят на всей молекуле белка, модификации N-хвостов происходят значительно чаще. Эти модификации включают: фосфорилирование, убиквитинирование, ацетилирование, метилирование, сумоилирование, а также β-гидроксибутирилирование. К примеру, β-гидроксибутирилирование — это эпигенетический регуляторный маркер, который связывает метаболизм с транскрипцией генов.[15]. Ацетилирование является наиболее изученной модификацией гистонов. Так, ацетилирование ацетилтрансферазой 14-го и 9-го лизинов гистона H3 (H3K14ac и H3K9ac, соответственно) коррелирует с транскрипционной активностью в данном районе хромосомы. Это происходит из-за того, что ацетилирование лизина меняет его положительный заряд на нейтральный, что делает невозможным его связь с отрицательно заряженными фосфатными группами в ДНК. В результате происходит отсоединение гистонов от ДНК, что приводит к посадке на «голую» ДНК комплекса SWI/SNF и других транскрипционных факторов которые запускают транскрипцию. Это «цис»-модель эпигенетического регулирования.
Гистоны способны поддерживать своё модифицированное состояние и выступать матрицей для модификации новых гистонов, которые связываются с ДНК после репликации.
Эпигенетические факторы влияют на активность экспрессии определенных генов на нескольких уровнях, что приводит к изменению фенотипа клетки или организма. Одним из механизмов такого влияния является ремоделирование хроматина. Хроматин — это комплекс ДНК с белками, прежде всего, с белками-гистонами. Гистоны формируют нуклеосому, вокруг которой накручивается ДНК, в результате чего обеспечивается её компактизация в ядре. От густоты расположения нуклеосом в активно экспрессирующихся участках генома зависит интенсивность экспрессии генов. Хроматин без нуклеосом называется открытым хроматином. Ремоделирование хроматина — это процесс активного изменения «густоты» нуклеосом и сродства гистонов с ДНК.
Прионы
Прионные белки обладают аномальной трёхмерной структурой и способны катализировать структурное превращение гомологичных им нормальных белков в себе подобный (прионный) белок, присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои. Прионы — единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Они осуществляют единственный известный путь передачи информации от белка к белку.
Системы структурной наследственности
У генетически идентичных клеток инфузорий, таких как Tetrahymena и Paramecium, показано наследование различий в характере организации рядов ресничек на поверхности клетки. Экспериментально изменённый узор может быть передан дочерним клеткам. Вероятно, существующие структуры выступают в качестве шаблонов для новых структур. Механизмы такого наследования не ясны, но существуют причины полагать, что у многоклеточных организмов также есть системы структурной наследственности[16][17].
В последнее время большое внимание привлечено к изучению роли в процессах регуляции генетической активности малых некодирующих РНК (miRNA)[18][19]. МикроРНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путём комплементарного связывания с 3'-нетранслируемым участком мРНК.
Значение
Эпигенетическое наследование в соматических клетках играет важнейшую роль в развитии многоклеточного организма. Геном всех клеток почти одинаков, в то же время многоклеточный организм содержит различно дифференцированные клетки, которые по-разному воспринимают сигналы окружающей среды и выполняют различные функции. Именно эпигенетические факторы обеспечивают «клеточную память»[13].
Медицина
Как генетические, так и эпигенетические явления оказывают значительное влияние на здоровье человека. Известно несколько заболеваний, которые возникают из-за нарушения метилирования генов, а также из-за гемизиготности по гену, подверженному геномному импринтингу. В настоящее время разрабатывается эпигенетическая терапия, направленная на лечение этих заболеваний посредством воздействия на эпигеном и коррекции нарушений. Для многих организмов доказана связь активности ацетилирования/деацетилирования гистонов с продолжительностью жизни. Возможно, эти же процессы влияют и на продолжительность жизни людей.
Хотя эпигенетику в основном рассматривают в контексте соматической клеточной памяти, существует также ряд трансгенеративных эпигенетических эффектов, при которых генетические изменения передаются потомкам. В отличие от мутаций эпигенетические изменения обратимы и, возможно, могут быть направлены (адаптивны)[13]. Поскольку большинство из них исчезает через несколько поколений, они могут носить характер лишь временных адаптаций. Также активно обсуждается вопрос о возможности влияния эпигенетики на частоту мутаций в определенном гене[20].
Было показано, что семейство белков цитозин-дезаминаз APOBEC/AID принимает участие как в генетической, так и в эпигенетической наследственности, используя схожие молекулярные механизмы. У многих организмов было обнаружено более 100 случаев трансгенеративных эпигенетических явлений[21].
Эпигенетические эффекты у человека
Геномный импринтинг и связанные с ним заболевания
Некоторые заболевания человека связаны с геномным импринтингом, феноменом, при котором аллели гена имеют разный профиль метилирования в зависимости от того, от родителя какого пола они получены. Самыми известными случаями заболеваний, связанных с импринтингом, являются синдром Ангельмана и синдром Прадера — Вилли. Причиной развития обоих является частичная делеция в регионе 15q[22]. Это связано с наличием геномного импринтинга в данном локусе.
Трансгенеративные эпигенетические эффекты
Маркус Пембри (Marcus Pembrey) с соавторами установили, что внуки (но не внучки) мужчин, которые были подвержены голоду в Швеции в XIX веке, менее склонны к сердечно-сосудистым заболеваниям, но сильнее подвержены диабету, что, как считает автор, является примером эпигенетической наследственности[23].
Рак и нарушения развития
Многие вещества имеют свойства эпигенетических канцерогенов: они приводят к увеличению частоты возникновения опухолей, не проявляя при этом мутагенного эффекта (например, диэтилстилбестрола арсенит, гексахлорбензол, соединения никеля).
Многие тератогены, в частности диэтилстилбестрол, оказывают специфическое воздействие на плод на эпигенетическом уровне[24][25][26].
Изменения в ацетилировании гистонов и метилировании ДНК приводят к развитию рака простаты путём изменения активности различных генов. На активность генов при раке может влиять питание и образ жизни[27].
В 2008 году Национальный Институт Здоровья США объявил, что 190 миллионов долларов будет потрачено на изучение эпигенетики в течение следующих 5 лет. По мнению некоторых исследователей, которые стали инициаторами выделения средств, эпигенетика может играть бо́льшую роль в лечении заболеваний человека, чем генетика.
В последние годы накоплено большое количество доказательств того, что эпигенетические процессы играют важную роль на поздних этапах жизни. В частности, при старении происходят широкомасштабные изменения профилей метилирования[2]. Предполагается, что эти процессы находятся под генетическим контролем. Обычно наибольшее количество метилированых цитозиновых оснований наблюдается в ДНК, выделенной из эмбрионов или новорождённых животных, и это количество постепенно уменьшается с возрастом. Подобное снижение уровня метилирования ДНК обнаружено в культивируемых лимфоцитах мышей, хомяков и людей. Оно имеет систематический характер, но может быть ткане- и геноспецифичным. Например, Tra с соавт. (Tra et al., 2002) при сопоставлении более чем 2000 локусов в T-лимфоцитах, изолированных из периферической крови новорожденных, а также людей среднего и старшего возраста, выявили, что 23 из этих локусов с возрастом подвергаются гиперметилированию и 6 — гипометилированию, причём сходные изменения характера метилирования выявлены и в других тканях: поджелудочной железе, легких и пищеводе. Выраженные эпигенетические искажения выявлены у больных прогерией Гетчинсона-Гилфорда.
Предполагается, что деметилирование с возрастом приводит к хромосомным перестройкам за счёт активации мобильных генетических элементов (МГЭ), которые обычно подавляются при помощи метилирования ДНК (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Систематическое возрастное снижение уровня метилирования может, по крайней мере отчасти, быть причиной возникновения многих комплексных заболеваний, которые нельзя объяснить с помощью классических генетических воззрений.
Ещё одним процессом, происходящим в онтогенезе параллельно с деметилированием и влияющим на процессы эпигенетического регулирования, является конденсация хроматина (гетерохроматинизация), приводящая с возрастом к снижению генетической активности. В ряде работ возраст-зависимые эпигенетические изменения были продемонстрированы также в половых клетках; направление этих изменений, по всей видимости, является геноспецифичным.
Важным доказательством значимости метилирования ДНК стала разработка эпигенетических часов, с помощью которых стало возможным не только с невероятной точностью вычислять биологический возраст организма, независимо от его физиологических показателей, но и выявлять в нем патологические изменения[28].
↑Кольцов первым предложил молекулярные механизмы, как своей матричной гипотезы, так и понятия эпигенетических механизмов, изменяющих эту матрицу в соответствии с меняющейся средой (Koltzoff N.K.Physikalisch-chemische Grundlage der Morphologie //Biol. Zbl.1928. Bd.48. S.345-369. Koltzoff N.K. Physiologie du de’velopment et genetique // Actualites scientifiques et industrielles. # 254. Paris: Hermann et C-ie. 1935.)
↑Кольцов назвал этот феномен «генотипическими фенокопиями» (Рапопорт И.А. Феногенетический анализ дискретности // Журн. общ. биологии. 1941. Т.2, №3. С. 431-444.)
↑Если Кольцов использовал термин “эпигенетическое явление”, то у Уоддингтона он выглядит как существительное – “эпигенетика”. Читал ли он работу своего предшественника? Скорее всего, да. Ведь он цитировал в другой публикации (Waddington, 1969) работу Кольцова “Наследственные молекулы”. Эта работа вышла брошюрой в том же французском издательстве Hermann в 1939 г. (Koltzoff, 1939). Позже Уоддингтон признавал Кольцова в ряду европейских основателей молекулярной биологии (Waddington, 1969).
↑Riggs A. D., Martienssen R. F., Russo V. E. A.Introduction // Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation / V. E. A. Russo et al. — N. Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press. — С. 1—4.
↑Jan Sapp, Beyond the Gene. 1987 Oxford University Press. Jan Sapp, «Concepts of organization: the leverage of ciliate protozoa» . In S. Gilbert ed., Developmental Biology: A Comprehensive Synthesis, (New York: Plenum Press, 1991), 229—258. Jan Sapp, Genesis: The Evolution of Biology. — Oxford: Oxford University Press, 2003.
Эпигенетика / С. М. Закиян, В. В. Власов, Е. В. Дементьева. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. — 592 с. — 300 экз. — ISBN 978-5-7692-1227-7.
Несса Кэри. Эпигенетика: как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности. — Ростов н/Д.: Феникс, 2012. — ISBN 978-5-222-18837-8.
Тереза Макфейл. Аллергия. Жестокие игры иммунитета = Theresa MacPhail. Allergic: Our Irritated Bodies in a Changing World. — М.: Альпина Паблишер, 2024. — С. 448. — ISBN 978-5-9614-3272-5.
Александр Вайсерман (2018). Эпигенетика. Видеолекция. Искать на канале youtube по ссылке DzyR5MlvzHM
Zsidó, B. Z., & Hetényi, C. (2020). Molecular Structure, Binding Affinity, and Biological Activity in the Epigenome. International Journal of Molecular Sciences, 21(11), 4134. doi:10.3390/ijms21114134PMC7311975PMID32531926
Смирнов, В. В.Эпигенетика : теоретические аспекты и практическое значение : [арх. 25 января 2017] / В. В. Смирнов, Г. Е. Леонов // Лечащий врач : журн. — 2016. — № 12.
