В детстве многие любили книгу «Остров сокровищ», где был эпизод, когда пирату принесли черную метку. Наверняка при прочтении возникло чувство тревоги, предчувствие чего-то очень опасного, пусть даже не для самого положительного героя книги. Когда человек подвергается негативным влияниям среды, включая не только некачественную еду, токсины, радиацию, но и стрессовую нагрузку от негативных мыслей (мыслей-«тараканов»), то ему как бы приносят «черную метку эпигенетики». Черная метка – это угроза, которую нельзя игнорировать. Есть ли возможности эту метку уничтожить? Об этом чуть позже.
На самом деле не все метильные метки «черные». «Черными» они становятся тогда, когда угрожают здоровью. На самом деле они нейтральные, или просто метки. В норме у млекопитающих и человека в том числе метилировано около 60–70 % всех CpG-динуклеотидов, то есть на них стоят метки (-СН3). Неметилированные CpG-динуклеотиды сгруппированы в CpG-островки, которые присутствуют в 5'-регуляторных областях многих генов. Различные заболевания, например рак, сопровождаются начальным ненормальным снижением метилирования – гипометилированием ДНК и последующим сверхактивным метилированием – гиперметилированием CpG-островков в промоторных областях генов, что приводит к устойчивому угнетению процесса транскрипции.
Метилирование ДНК происходит при помощи ферментов ДНК-метилтрансфераз (DNMT, англ.). Они принадлежат к некоторым семействам – 1, 2, 3.
Наиболее изученным на сегодня ферментом системы метилирования ДНК у позвоночных является ДНК-метилтрансфераза 1 (DNMT1), которая поддерживает метилированное состояние ДНК, присоединяя метильные группы к одной из цепей ДНК в точках, где другая, комплементарная ей цепь, метилирована.
ДНК-метилтрансфераза 3 семейства DNMT3 (DNMT3A и DNMT3B), экспрессия которой координируется белком DNMT3L (Gowheretal.,2005), лимфоидспецифичной геликазой Lsh (Zhu et al., 2006), микроРНК (Fabbri et al., 2007) и piРНК (Aravin et al., 2008), осуществляет метилирование de novo (de novo-метилирование осуществляет модификацию прежде неметилированных последовательностей ДНК), а функции ДНК-метилтрансферазы 2 до сих пор до конца не изучены.
Хроматин. Ковалентные модификации ядерных белков (гистонов), входящих в состав хроматина
Другим механизмом эпигенетической регуляции является ковалентная модификация ядерных белков-гистонов. В настоящее время известны различные виды модификаций:
• метилирование;
• фосфорилирование;
• рибозилирование;
• убиквитинирование;
• ацетилирование.
Все они происходят в посттранскрипционной фазе и главным образом в аминокислотных остатках лизина, аргинина и треонина. Данные биохимические процессы катализируются и регулируются соответствующими ферментами и гормонами.
К каждому остатку лизина может присоединяться до трех метильных групп, в результате чего лизин может быть монометилированным, диметилированным или триметилированным. Аргинины, в отличие от лизинов, могут быть только моно– и диметилированными.
Ацетилирование гистонов связано с добавлением ацильной группы (-COCH3) к лизину ацетилтрансферазами, в то время как деацетилирование заключается в удалении ацильной группы деацетилазами. Ацетилирование лизина связано с активацией транскрипции.
Механизм изменения генной активности связан с модификацией упаковки ДНК в нуклеосомах, то есть степени ее прилегания к белковым субъединицам. Соответственно, от насыщенности гистоновых мономеров остатками фосфорной или уксусной кислоты, рибозы или небольшого консервативного белка убиквитина зависит степень «компактности» упаковки ДНК, от которой, в свою очередь, зависит степень вероятности транскрипции определенных участков генома. Этот процесс осуществляется широким набором соответствующих ферментов, также регулируемых гормонами. В данном случае механизм изменения активности генов связан с модификацией упаковки ДНК в нуклеосомах, то есть степенью ее прилегания к белковым субъединицам.
В детстве у нас были резиночки, которыми мы стреляли друг в друга, растягивая их и отпуская рядом с рукой товарища (друг был недоволен, так как резинка била по руке весьма ощутимо).
Рис. 14. Два основных механизма эпигенетической регуляции – метилирование ДНК и модификация гистонов
Если представить, что у нас в руках такая длинная резинка (наша молекула ДНК), а рядом лежат несколько катушек из-под разноцветных ниток (каждая катушка символизирует октамер – 8 белков-гистонов, мономеров, соединенных вместе). Мы наматываем немного резинки на одну катушку, придерживаем ее, берем следующую, на которую тоже наматывается часть резинки (той же самой), потом еще и еще на оставшиеся катушки… У нас получится связанная вместе конструкция, в которой катушки будут плотно прижаты друг к другу благодаря резинке. Но в случае необходимости мы сможем немного увеличить расстояние между катушками, так как резинка эластичная и может растягиваться. Напомним, что наши катушки были с разноцветными нитками, концы которых свисают их этой общей конструкции. Разный цвет этих ниток – метафора о различных химических соединениях, которыми насыщены гистоновые мономеры.
Чем более гистоновые мономеры насыщены остатками фосфорной или уксусной кислоты, рибозы или небольшого консервативного белка убиквитина (разного цвета нитки в нашем примере), тем менее компактизирована (менее сжата) ДНК и более вероятна транскрипция определенных участков генома.
То есть, чтобы рассмотреть катушку, надо растянуть резинку. Существуют различные ферменты, которые могут регулировать процесс модификации гистонов.
МикроРНК. Интерференция РНК
Третий известный механизм управления работой наших генов осуществляется с помощью микроРНК (по англ. miR). Они некодирующие, но участвуют в процессе так называемой интерференции РНК (в 2007 г. за открытие интерференции РНК была получена Нобелевская премия). Представьте себе две волны, которые идут навстречу друг другу. Когда они встречаются, обе волны исчезают, происходит интерференция (снижение амплитуды волн, их гашение). А теперь представьте, что к вам бежит маленькая волна из моря на пляж, а ее догоняет волна побольше, и в момент их слияния она становится огромной. Это тоже интерференция (увеличение амплитуды волны). Но в случае интерференции РНК нам важен именно первый пример. Итак, микроРНК может гасить активность других РНК, которые участвуют в производстве белка, таким образом влияя на экспрессию генов.
РНК-интерференция – это механизм подавления экспрессии/активности гена на стадии трансляции (синтез белка из аминокислот) либо нарушение транскрипции (перенос информации с ДНК на РНК) определенных генов. В системе РНК-интерференции принимают участие два типа малых молекул РНК – микроРНК и малые интерферирующие РНК (siRNA (англ.)). Малые РНК связываются со специфическими последовательностями других молекул РНК и повышают или снижают их биологическую активность.
