Эпигенетика

Глава 15. Зеленая революция

В англоязычных странах большой популярностью пользуется викторина «Животное, растение или минерал». В самом названии этой игры заложено допущение, что растения и животные принципиально отличаются друг от друга. Действительно, и те, и другие представляют собой живые организмы, но на этом их сходство, по-видимому, и заканчивается. Мы могли бы взять на вооружение предположение, что когда-то давным-давно, на заре эволюции люди и микроскопические черви имели некоего общего предка. Но насколько часто мы задумываемся о том, имеем ли мы что-то общее с растениями? Почему нам никогда не приходит в голову считать гвоздики своими дальними родственницами?

Тем не менее, животные и растения во многом удивительно похожи. И это сходство проявляется наиболее ярко, когда мы рассматриваем самые сложные из наших «зеленых родственников» — цветковые растения. К ним относятся травы и злаки, на которые мы полагаемся в первую очередь как на главный и основной источник пищи, и широколистные растения от капусты до дуба, от рододендрона до кресс-салата.

Животные и цветковые растения состоят из множества клеток и поэтому называются многоклеточными организмами. Многие из этих клеток специализированны для выполнения определенных функций. У цветковых растений к ним принадлежат клетки, переносящие воду или сахара по растению, клетки, обеспечивающие фотосинтез в листьях, и клетки, хранящие питательные вещества в корнях. Подобно животным, растения имеют специализированные клетки, участвующие в половом размножении. Ядра спермия переносятся пыльцой и оплодотворяют крупную яйцеклетку, из которой в результате этого получается зигота и возникает новое самостоятельное растение.

Сходства между растениями и животными более фундаментальны, чем эти очевидные признаки. У растений есть много генов, эквивалентных тем, которыми обладают животные. Для нашей же темы главное то, что растения также имеют и высокоразвитую эпигенетическую систему. Они способны модифицировать гистоновые белки и ДНК практически так же, как это делают животные, и во многих случаях используют эпигенетические ферменты, очень подобные тем, которые встречаются у животных и даже у человека.

Эти генетические и эпигенетические сходства заставляют предположить, что животные и растения имеют общих предков. Именно благодаря некому общему прародителю мы унаследовали похожий генетический и эпигенетический инструментарий.

Разумеется, между растениями и животными существуют и глобальные различия. Растения способны сами создавать для себя пищу, тогда как животные этого не умеют. Растения поглощают основные химические вещества из окружающей среды, главным образом воду и углекислый газ. Используя энергию солнечного света, растения способны преобразовывать эти простые химические вещества в сложные сахара, такие как глюкоза. Практически вся жизнь на нашей планете зависит прямо или косвенно от этого удивительного процесса фотосинтеза.

Есть еще два аспекта, в которых растения и животные разительно отличаются друг от друга. Большинству садоводов известно, что если взять от растущего растения отводок — пусть даже маленький побег, — то из него можно вырастить совершенно новое растение. Способных на то же самое животных очень мало, и их никак нельзя причислить к высшим. Действительно, если ящерица определенного вида теряет хвост, то она сможет отрастить себе новый. Но в противоположном направлении процесс развиваться не будет. У нас не получится вырастить ящерицу из отброшенного другим животным кусочка хвоста.

Невозможно это по той причине, что у большинства взрослых животных единственными действительно плюрипотентными стволовыми клетками являются жестко контролируемые клетки зародышевой линии, из которых образуются яйцеклетки или сперматозоиды. Но активные плюрипотентные стволовые клетки — совершенно нормальное явление для растений. У них эти плюрипотентные стволовые клетки находятся на кончиках стеблей и корней. В подходящих условиях эти стволовые клетки могут продолжать делиться, что позволяет растению расти. А в других условиях стволовые клетки будут дифференцироваться в специализированные типы клеток, такие как цветки. Как только какая-либо из таких клеток «примет решение» стать частью, например, лепестка, она больше не сможет превратиться опять в стволовую клетку. Даже клетки растений в конечном итоге скатываются на дно уоддингтоновского эпигенетического ландшафта.

Еще одно различие между растениями и животными совершенно очевидно. Растения не могут передвигаться. Когда условия окружающей среды меняются, растения вынуждены адаптироваться к ним или погибнуть. Они не способны убежать или улететь из неблагоприятного для них климата. Растениям приходится искать способы реагирования на то и дело возникающие раздражители окружающей среды. Они должны быть уверены, что проживут достаточно долго, чтобы возродиться в нужное время года, чтобы их юные отпрыски могли иметь наибольшие шансы вырасти в полноценные и самостоятельные растения.

Сравните это с образом жизни такого вида как ласточка-касатка (Hirundo rusticа), которая зимует в Южной Африке. По мере приближения лета, когда условия для нее становятся невыносимыми, ласточка отправляется в свое кругосветное путешествие. Она пролетает через всю Африку и Европу, чтобы провести лето в Великобритании, где выхаживает птенцов. А через шесть месяцев она опять возвращается в Южную Африку.

Многие реакции растений на условия окружающей среды непосредственно связаны с изменением программы клеток. В число таких изменений входит и превращение плюрипотентной стволовой клетки в окончательно дифференцированную клетку, становящуюся частью цветка, для обеспечения полового размножения. Эпигенетические процессы играют важную роль в обоих этих случаях и взаимодействуют с другими происходящими в клетке явлениями для максимального повышения шансов на то, что размножение окажется успешным.

Не все растения прибегают к одним и тем же эпигенетическим стратегиям. Одной из наиболее тщательно изученных модельных систем является довольно невзрачное небольшое цветковое растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Оно принадлежит к семейству горчичных и внешне похоже на любой другой неприметный сорняк, который можно легко повстречать на пустыре. Большинство его листьев растут у самой земли в форме розетки. Есть у него и маленькие белые цветочки, увенчивающие стебли высотой около 20-25 сантиметров. Это растение представляет собой весьма удобную модельную систему для исследователей, так как обладает очень компактным геномом, благодаря чему относительно легко определить его последовательность и идентифицировать гены. Существуют также и эффективные техники для генетического модифицирования Arabidopsis thaliana. Они позволяют ученым без особого труда подвергать гены этого растения мутациям, чтобы исследовать выполняемые ими функции.

В природе семена Arabidopsis thaliana обычно созревают в начале лета. Рассада прорастает и создает новые розетки листьев. Это называется вегетативной фазой роста растения. Для того чтобы произвести потомство, резуховидка Таля выпускает цветки. Именно в цветках содержатся особые структуры, из которых сформируются новые яйцеклетки и спермии; из них, в свою очередь, образуются новые зиготы, которые распределяются по семенам.

Но это растение подстерегает одна проблема. Если оно зацветет ближе к окончанию года, то его семена будут нежизнеспособными по той причине, что неблагоприятные погодные условия не позволят им созреть. Но даже если семенам и удастся каким-то образом достигнуть стадии созревания, то нежные маленькие ростки с большой долей вероятности будет уничтожена заморозками.

Взрослой Arabidopsis thaliana приходится бдительно следить за тем, чтобы порох в ее пороховницах оставался сухим. У ее многочисленных отпрысков будет значительно больше шансов выжить, если она дождется наступления следующей весны и лишь тогда зацветет. Взрослое растение сумеет пережить зимние холода, которые погубили бы его рассаду, и Arabidopsis thaliana именно так и поступает. Она ждет весны, чтобы зацвести.

Говоря языком науки, это называется яровизацией. Этот термин подразумевает, что растение должно пережить длительный холодный период (обычно зиму), прежде чем сможет зацвести. Это очень распространенное явление для растений с годичным жизненным циклом, особенно в регионах с умеренным климатом, где времена года выражены явно. Яровизация присуща не только широколистным растениям, таким как Arabidopsis thaliana. Она характерна и для многих злаков, особенно для таких зерновых культур как озимый ячмень и озимая пшеница. Во многих случаях для цветения растений необходимо, чтобы за продолжительным холодным периодом следовало увеличение длины светового дня. Именно сочетание этих двух факторов гарантирует, что цветение начнется в наиболее благоприятное для этого время года.

Яровизация имеет несколько довольно интересных особенностей. С момента, когда растение впервые чувствует наступление холодной погоды и начинает реагировать на него, до начала цветения могут пройти многие недели или даже месяцы. В холодный период растение может продолжать расти вегетативно — с помощью деления клеток. Когда после яровизации родительского растения на нем появляются семена, они подвергаются «перезагрузке». Новым растениям, которые вырастут из этих семян, тоже придется пройти через холодное время года, прежде чем они сами смогут зацвести[274].

Эти особенности яровизации очень напоминают эпигенетические феномены у животных. А именно:

1. Растение обладает некой формой молекулярной памяти, поскольку раздражитель и конечная реакция на него отделены друг от друга неделями или месяцами. Мы можем сравнить это с аномальными реакциями на стресс взрослых крыс, испытавших в младенчестве пренебрежительное отношение со стороны родителей.

2. Эта память сохраняется даже после деления клеток. Это можно сравнить с тем, как клетки животных продолжают вести себя определенным образом уже после того, как родительская клетка испытала на себе действие некоего раздражителя, как это происходит при нормальном развитии или раке.

3. Эта память утрачивается в следующем поколении (у семян). Это сопоставимо с тем, как у животных бесследно стирается большинство изменений в соматических тканях, так что наследование по Ламарку является исключением, а не правилом.

Итак, как феномен, яровизация выглядит очень похожей на эпигенетику. За последние годы ряд лабораторий сумел подтвердить, что в основе яровизации, на уровне модифицирования хроматина, лежат именно эпигенетические процессы.

Ключевой ген, ответственный за яровизацию, называется FLOWERING LOCUS С или, сокращенно, FLC. FLC кодирует белок, называемый транскрипционным репрессором. Он присоединяется к другим генам и не позволяет им активироваться. Для цветения Arabidopsis thaliana особенно важны три гена — FT, SOC1 и FD. На рисунке 15.1 показано, как FLC взаимодействует с этими генами и какие последствия это имеет для цветения. Здесь же продемонстрировано, как меняется эпигенетический статус FLC после окончания продолжительного периода холодов.

^{Рис. 15.1. Эпигенетические модификации регулируют экспрессию гена FLC, репрессирующего гены, способствующие цветению, Эпигенетические модификации на гене FLC контролируются температурой}

До наступления зимы промотор гена FLC несет на себе множество гистоновых модификаций, которые включают экспрессию гена. По этой причине ген FLC экспрессируется чрезвычайно активно, и белок, который он кодирует, связывается с генами-мишенями и репрессирует их. Благодаря этому растение существует в нормальной для себя вегетативной фазе роста. После зимы гистоновые модификации на промоторе гена FLC меняются на репрессивные и подавляют ген FLC. Уровни белка FLC падают, в результате чего активность генов-мишеней восстанавливается. Увеличение продолжительности светового дня при наступлении весны активирует экспрессию гена FT. Очень важно, чтобы к началу этой стадии уровни белка FLC понизились, поскольку, если они останутся высокими, гену FT будет крайне сложно реагировать на раздражитель солнечного света[275].

Эксперименты с мутировавшими версиями эпигенетических ферментов показали, что изменения гистоновых модификаций на гене FLC имеют принципиальное значение для контролирования реакции на цветение. Например, ген под названием SDG27 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 4 на гистоне H3, то есть этот ген является эпигенетическим кодировщиком. Это метилирование связано с экспрессией активного гена. В лабораторных условиях ген SDG27 может быть подвергнут мутации, в результате чего он перестанет кодировать активный белок. Растения с этой мутацией имеют меньше таких активных гистоновых модификаций на промоторе гена FLC. Они вырабатывают меньше белка FLC и потому не столь успешно репрессируют гены, инициирующие цветение. Растения с мутировавшим геном SDG27 зацветают раньше, нежели нормальные растения[276]. Это свидетельствует о том, что эпигенетические модификации на промоторе гена FLC не просто отражают уровни активности гена, а на самом деле меняют его экспрессию. Именно эти модификации и вызывают изменение экспрессии.

Холодная погода стимулирует в растениях белок под названием VIN3. Этот белок может связываться с промотором FLC. VIN3 принадлежит к типу белков, которые называются реконструкторами хроматина. Они способы менять степень закрученности хроматина. Когда VIN3 связывается с промотором FLC, он меняет локальную структуру хроматина, делая ее более доступной для других белков. Часто подобное раскрытие хроматина приводит к повышению экспрессии генов. Однако в данном случае VIN3 притягивает еще один фермент, который может добавлять метиловые группы к гистоновым белкам. Но именно этот фермент добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта модификация репрессирует экспрессию гена и является одним из наиболее эффективных способов, которыми пользуется клетка растения для подавления гена FLC[277][278].

По-прежнему неизученным остается вопрос о том, как холодная погода вызывает эпигенетические изменения конкретно на гене FLC. Какой механизм обеспечивает это явление? Нам все еще неизвестны многие детали, но на одну из стадий этого процесса уже пролит свет. После наступления холодной погоды клетки Arabidopsis thaliana вырабатывают длинную РНК, которая не кодирует белки. Эта РНК называется COLD AIR. Не кодирующая белки РНК COLDAIR локализована исключительно на гене FLC, где она связывается с ферментным комплексом, который создает важную репрессивную метку на позиции 27 гистона H3. Таким образом COLDAIR действует на ферментный комплекс как программирующий механизм [279].

Когда у Arabidopsis thaliana зарождаются новые семена, репрессивные гистоновые метки на гене FLC удаляются. Они заменяются активирующими хроматин модификациями, в результате чего при созревании семена происходит активация гена FLC, подавляющего цветения до тех пор, пока новые растения не переживут зимний период.

Из этих данных мы вправе сделать вывод, что цветковые растения определенно пользуются некоторыми из тех же эпигенетических приемов, которые присущи многим клеткам животных. В числе этих приемов мы можем назвать модификации гистоновых белков и использование длинной некодирующей РНК для программирования этих модификаций. Действительно, клетки животных и растений прибегают к этим инструментам ради различных конечных целей — вспомните плотника и хирурга-ортопеда из предыдущей главы, — но все это служит явным свидетельством наличия у растений и животных общего предка и одного базового набора инструментов.

Эпигенетическое сходство между растениями и животными этим не ограничивается. Как и животные, растения также продуцируют тысячи разнообразных маленьких молекул РНК. Они не кодируют белки, а вместо этого подавляют гены. Именно ученые, работающие с растениями, первыми выяснили, что эти очень маленькие молекулы РНК способны перемещаться из одной клетки в другую, подавляя экспрессию генов, встречающихся на их пути[280][281]. Благодаря этому эпигенетическая реакция на раздражитель распространяется от своей единственной начальной локации до самых отдаленных участков организма.

Исследования Arabidopsis thaliana показали, что растения пользуются эпигенетическими модификациями для регуляции тысяч генов[282]. Это регуляция, вероятно, служит тем же целям, что и в клетках животных. Оно помогает клеткам сохранять необходимые, но краткосрочные реакции на раздражители окружающей среды, а также блокируют дифференцированные клетки в постоянных схемах экспрессии специфических генов. Благодаря действию эпигенетических механизмов у людей не растут зубы на глазных яблоках, а у растений листья не появляются прямо из корней.

Цветковые растения обладают общим с млекопитающими характерным эпигенетическим феноменом, который не встречается ни у каких более представителей животного мира. Цветковые растения являются единственными известными нам организмами, за исключением плацентарных животных, у которых присутствуют импринтинговые гены. Импринтингом, как мы узнали из главы 8, называется процесс, при котором схема экспрессии гена зависит от того, был ли он унаследован от матери или от отца.

На первый взгляд это сходство между цветковыми растениями и млекопитающими представляется довольно странным. Однако у нас и наших цветущих родственников есть одна очень любопытная общая особенность. У всех высших млекопитающих из оплодотворенной зиготы возникает как эмбрион, так и плацента. Плацента питает развивающийся эмбрион, но в конечном итоге не становится частью новой особи. Нечто очень похожее имеет место, когда происходит оплодотворение и у цветковых растений. Этот процесс несколько более сложен, но в результате его оплодотворенное семя содержит в себе эмбрион и вспомогательную ткань, которая называется эндоспермом. Строение семени показано на рисунке 15.2.

^{Рис. 15.2. Основные анатомические компоненты семени. Эндосперм питает относительно маленький эмбрион, который разовьется в новое растение, в значительной степени подобно тому, как плацента вскармливает эмбрионы млекопитающих}

Эндосперм питает эмбрион растения так же, как плацента питает эмбрион млекопитающего. Он обеспечивает его развитие и созревание, но не оказывает какого-либо генетического влияния на следующее поколение. Наличие любой вспомогательной ткани во время развития, будь то плацента или эндосперм, как представляется, наделяет следующее поколение механизмом импринтингового контроля над экспрессией выбранной группы генов.

На самом деле, в эндосперме семени происходят чрезвычайно сложные процессы. Как и в геномах большинства животных, в геномах цветковых растений присутствуют ретротранспозоны. Их обычно называют МГЭ — мобильными генетическими элементами. Это повторяющиеся элементы, которые не кодируют белки, но могут вызвать катастрофу, если будут активированы. Главная причина этого в том, что они способны перемещаться по геному и нарушать экспрессию генов.

Обычно эти МГЭ репрессируются в очень высокой степени, но в эндосперме эти последовательности активируются. Клетки эндосперма создают из этих МГЭ маленькие молекулы РНК. Эти маленькие РНК перемещаются из эндосперма в эмбрион. В геноме эмбриона они обнаруживают МГЭ, имеющие ту же, что и у них, последовательность. Затем эти МГЭ маленьких молекул РНК, по-видимому, восстанавливают механизм, который перманентно подавляет эти потенциально опасные элементы генома. Опасность для генома эндосперма, возникающая из-за активации МГЭ, очень высока. Но так как эндосперм не влияет на следующее поколение генетически, он может решиться на совершение самоубийства во имя блага будущего растения[283][284][285][286].

Хотя и млекопитающие, и цветковые растения осуществляют импринтинг, они, как представляется, пользуются для этого несколько различными механизмами. Млекопитающие подавляют соответствующую копию импринтингового гена с помощью метилирования ДНК. Растения получают только ту копию отцовского гена, которая несет на себе метилирование ДНК. Однако репрессируется далеко не всегда именно эта метилированная копия гена[287]. При импринтинге растений, таким образом, метилирование ДНК сообщает клетке, каким образом ген был унаследован, а не как этот ген должен экспрессироваться.

Существуют некоторые фундаментальные аспекты метилирования ДНК, которые довольно схожи у растений и животных. Геномы растений кодируют активные ферменты метилтрансферазы ДНК, а также белки, которые могут «прочитывать» метилированную ДНК. Подобно первичным половым клеткам млекопитающих, определенные клетки растений способны активно удалять метилирование с ДНК. Нам даже известно, какие именно ферменты отвечают у растений за эту реакцию[288]. Один из них называется DEMETER (Деметра) в честь матери Персефоны из древнегреческих мифов. Деметра была покровительницей урожая, и именно благодаря сделке, заключенной ею с Гадесом, повелителем Подземного мира, человечество получило смену времен года.

Но метилирование ДНК является также и аспектом эпигенетики, и здесь очевидны явные различия в том, как растения и высшие животные пользуются одной и той же базовой системой. Одним из наиболее выраженных различий в этом процесс является то, что растения метилируют не только мотивы CpG (когда за цитозином следует гуанин). Хотя эти мотивы и являются наиболее распространенной последовательностью, на которую нацелены их метилтрансферазы ДНК, растения также метилируют цитозин, за которым следует практически любое другое основание[289].

Метилирование ДНК у растений, как и у млекопитающих, часто сосредоточено вокруг неэкспрессируемых повторяющихся элементов. Но разница станет более чем очевидной, если мы исследуем схему метилирования ДНК на экспрессируемых генах. У почти 5 процентов экспрессируемых генов растений метилирование ДНК на промоторах детектируется, но свыше 30 процентов ДНК метилировано в областях, кодирующих аминокислоты, в так называемом теле генов. Гены с метилированием участков тела имеют тенденцию экспрессироваться в самых разнообразных тканях и экспрессируются в этих тканях от умеренного до высокого уровня.[290]

Высокие уровни метилирования ДНК на повторяющихся элементах у растений очень подобны схеме повторяющихся элементов в хроматине высших животных, таких как млекопитающие. И напротив, метилирование тел активно экспрессируемых генов в значительно большей степени похоже на то, что наблюдается у медоносных пчел (которые не метилируют повторяющиеся элементы). Это не означает, что растения являют собой некий причудливый эпигенетический гибрид насекомых и млекопитающих. Это только лишь заставляет предположить, что эволюция располагает ограниченным набором сырья и высокой избирательностью того, как им пользоваться.