Таинственный геном человека

12. Эволюция на геномном уровне

Когда мы задумываемся о том, как из оплодотворенной яйцеклетки появляется человеческое существо, логика подсказывает, что процесс эмбриогенеза должен подчиняться интегрированным и скоординированным механизмам контроля. Оплодотворенная яйцеклетка, или зигота, — это плюрипотентная клетка, то есть клетка, которая может развиться в любой орган или любую ткань человеческого организма. Когда зигота начинает делиться, дочерние клетки вначале сохраняют эту плюрипотентность. Если на этом этапе клетки отделяются от эмбриона, из каждой из них может развиться полностью здоровый человек. Так появляются близнецы, тройняшки и т. д. Но вскоре масса клеток разделяется надвое. Одна половина формирует полый клеточный шар, который станет плацентой, а вторая, внутри него, — плод. На этом этапе начинают действовать симбиотические эндогенные вирусы. Происходит экспрессия белков их оболочки, из-за которых плацента приобретает инвазивные, почти паразитические свойства, прикрепляется к стенке матки матери и создает своего рода клеточный интерфейс между матерью и плодом. Одновременно с этим внутренняя клеточная масса получает множество сложных сигналов, под влиянием которых происходит не только деление клеток, но и первичная дифференцировка клеток. Отдельные клетки эмбриона превращаются в предвестников различных органов и тканей.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой: все клетки в организме имеют одну и ту же ДНК, то есть одинаковый набор генов. Следовательно, различия между органами и тканями должно определяться не совокупностью содержащихся в них генов, а чем-то иным. Исследования шведских ученых, приведенные в предыдущей главе, показывают, что разница между клетками мозга и, например, клетками печени или крови состоит в профиле экспрессии генов в такой клетке. Можно также вспомнить, что клетки каждого типа тканей экспрессируют ограниченное количество генов, которые являются типичными именно для них. Для каждого типа клеток таких генов существует около шести. Судьба клеток и их организация в сложную по форме и функциям структуру, состоящую из различных органов и тканей тела человека, контролируется так называемой эпигенетической системой.

Возможно, некоторых читателей взволновал этот пассаж. Им могло показаться, что эпигенетика — это нечто чересчур сложное. Честно говоря, мир эпигенетики до последнего времени смущал даже ученых, но проблема состояла лишь в том, что определение и область применения эпигенетики постоянно подвергались изменениям. Теперь, когда наше понимание стало более ясным, базовые принципы этой науки можно объяснить куда проще. В частности, наше понимание так называемых некодирующих РНК прояснило ситуацию настолько, что мы можем не только описать эпигенетические процессы очень простыми словами, но и ответить на оставшиеся у нас вопросы относительно неизвестных секций человеческой ДНК.

По сути, эпигенетическая система представляет собой систему контроля, регулирующую функционирование генома. Она включает в себя ряд механизмов, которые действуют интегрированным и скоординированным образом для «включения» и «выключения» генов. Однако их роль распространяется не только на гены. Эпигенетическую систему можно сравнить с дворецким, который управляет всем домом-геномом. Для того чтобы лучше понять это, рассмотрим работу отдельных механизмов.

Мы уже знаем, что ген — это последовательность, кодирующая белок, или, если говорить точнее, группу из нескольких белков. В нашем геноме содержится около 20 500 генов. Мы также знаем, что типы клеток и, соответственно, состав различных тканей и органов определяется профилем экспрессии большого количества генов. Эпигенетическая система устанавливает эти профили, контролирует, какие гены следует включить, что они делают, какое количество белка экспрессируют и т. д. Прежде чем разобраться, как это происходит, я бы хотел рассказать кое-что интересное об эпигенетической системе контроля.

ДНК, кодирующая гены и иные функциональные последовательности генома, формируется при объединении половых клеток родителей в оплодотворенной клетке, или зиготе. Эта часть вашего генома остается неизменной на протяжении всей жизни, если на нее не повлияет мутация или вирус. Но эпигенетическая система и ее регулирующее влияние могут меняться. Она может изменять свои команды в зависимости от вашей внутренней физиологии и даже от сигналов, поступающих от окружающей среды. Например, именно эпигенетическая система говорит растениям, что пришла весна. У животных, в том числе у человека, она точно так же реагирует на важные изменения в жизненных обстоятельствах, например заболевания, стресс, боль или голод. Иными словами, хотя наши гены остаются неизменными в течение всей жизни, их экспрессия в различных органах и тканях меняется в зависимости от сигналов, поступающих системам эпигенетического контроля. Более того, наш эпигеном способен учиться на собственном опыте и подстраиваться под обстоятельства. Еще более удивительно, что иногда эти изменения могут переходить к потомкам через так называемую эпигенетическую систему наследования.

Наследование эпигенетических изменений означает, что у эпигенетики имеется эволюционный потенциал. Вот почему я считаю ее одним из механизмов «геномной креативности». Более того, способность эпигенетической системы вносить регуляционные изменения под внешним влиянием создает огромные возможности для медицины. Например, в будущем могут быть разработаны терапевтические методики, направленные на изменение экспрессии генов, вызывающих заболевания.

Сегодня нам известно четыре основные системы эпигенетического контроля.

Давайте отправимся в еще одно путешествие на нашем воображаемом поезде. Мы разворачиваемся на двойном пути (ДНК), проезжаем первый экзон и останавливаемся у ближайшего участка — промотора («переключателя» генов). Как и ранее, мы спрыгиваем с подножки, чтобы посмотреть, что будет происходить, когда за дело возьмется один из эпигенетических механизмов.

Мы слышим шум неподалеку и видим, как на горизонте появляется небольшое облачко, жужжащее, словно пчела. Это белок, называемый ДНК-метилтрансферазой. Мы видим, что облачко несет с собой крошечные группы атомов, похожие на бусины. Это метиловые группы, состоящие из атома углерода, соединенного ковалентными связями с тремя атомами водорода. На наших глазах облако присоединяет метиловую «бусину» к нуклеотиду в одной из шпал.

— Ну-ка, проверьте, что это был за нуклеотид.

— Это Ц, цитозин.

— Теперь вместе с метиловой группой он называется метилированным цитозином. Хотите верьте, хотите нет, но это простое химическое изменение — один из самых мощных эпигенетических механизмов.

Мы продолжаем следить за облаком-белком, которое движется вдоль промотора, прикрепляя к цитозину все новые и новые бусины, до тех пор пока почти все участки Ц в промоторе не оказываются метилированными.

— Вот и все, промотор закрыт. Теперь ген нельзя будет включить.

— Он закрыт навсегда?

— В эпигенетической системе нет ничего неизменного. Для того чтобы отключить его навсегда, нужно будет использовать еще и второй эпигенетический механизм. Но теперь я хочу, чтобы вы посмотрели, как метилирование может стать частью системы эпигенетического наследования. Для этого вам нужно присмотреться к нуклеотидам по соседству с цитозином.

— Ко вторым половинкам шпал?

— Нет. Мы ведь знаем, что цитозин всегда соединяется с гуанином. Смотрите на то, что рядом.

Вам нужна пара минут, чтобы распознать паттерн. За это время вы успеете рассмотреть пять или шесть шпал.

— Судя по всему, рядом с метилированным цитозином всегда находится гуанин.

— Верно. Цитозиново-гуаниновые пары являются ключом к тому, как метилированность наследуется новыми поколениями. Забирайтесь в вагон и давайте посмотрим, как это происходит.

В мгновение ока мы перемещаемся в геном половой клетки, которая как раз занимается его копированием в новый сперматозоид или яйцеклетку. Мы снова выходим из поезда, чтобы посмотреть, что произойдет с промотором во время копирования, и тут же замечаем нечто интересное.

Для начала я обращаю ваше внимание на одну из пар Ц — Г. Видно, что Ц метилирован — к нему прикреплена бусина. На наших глазах двойная спираль распадается, и начинается процесс копирования. Нуклеотиды сопоставляются друг с другом, и формируется новый путь.

Мы движемся вслед копированию от смысловой нити к новой антисмысловой и отмечаем, что каждая пара Ц — Г на смысловой нити отражается на антисмысловой как Г — Ц. Уверен, что вы ждете сюрприза.

На огромной скорости к нам подлетает очередное облако, которое, судя по всему, замечает неметилированные пары на дочерней нити, отличающиеся от метилированных на материнской. Так же быстро, как и раньше, оно движется вдоль дочерней нити, метилируя каждую пару.

— Статус метилирования передается?

— Мы только что наблюдали, как действует эпигенетическая система наследования, то есть способ передачи метилирования будущему поколению. Кроме того, благодаря нашему воображаемому поезду мы смогли подобраться поближе и увидеть кое-что интересное — как метилирование отключает экспрессию гена. Если метилирование будет наследовано следующим поколением, то и у него будет изменен профиль экспрессии генов, то есть проявится эволюционный потенциал. Иными словами, статус метилирования ведет к изменениям в наследственности. Это сила, которую я включил в свое понятие геномной креативности. Как мы видим, она выражается в том, что к уже существующему нуклеотиду, цитозину, добавляется простое химическое вещество. При этом последовательность ДНК не изменяется. Все остальные методы геномной креативности, о которых мы говорили раньше, — мутация, генетический симбиоз и гибридизация — действуют за счет изменения последовательности ДНК. Эпигенетический механизм меняет наследственность, не меняя гены. Эпигенетическая система наследования — это геномная, а не генетическая сила. Вот почему креативность в моем термине тоже геномная.

Метилирование играет огромную роль во время формирования эмбриона в матке матери. На ранних стадиях эмбиогенеза для процесса метилирования очень важна фолиевая кислота. Ее нехватка в рационе матери в первые месяцы беременности может нанести вред плоду и повышает вероятность развития врожденной спинно-мозговой грыжи. Дефекты в паттернах метилирования в разных частях генома также приводят к возникновению различных форм рака. Этот факт сегодня активно исследуется, чтобы мы могли узнать о нем больше и использовать в будущем в терапевтических целях.

Кроме того, статус метилирования может быть важен для развития патологического ожирения, которое приводит к диабету во взрослом возрасте. Некоторые исследования показывают, что эпигенетические факторы, в частности изменения в статусе метилирования в ключевых областях генома, могут играть в этом определенную роль.

— Неужели мы ничего не можем сделать, чтобы помочь самим себе?

— Можем. В отличие от генов, обладающих неизменными характеристиками, эпигенетические регуляторные системы могут меняться. Даже такая простая вещь, как регулярные занятия спортом, может сделать ваш эпигенетический код здоровее.

— Но что происходит? Кажется, мы снова куда-то едем?

— Настало время для еще одного путешествия. Я хочу, чтобы вы понаблюдали за еще одним эпигенетическим механизмом. Но на этот раз мы увидим, как двойная спираль восстанавливается во всей красе.

Наш поезд отъезжает от генома в ультрамикроскопическую область, и мы видим великолепную естественную спираль ДНК.

— На этот раз нас будет интересовать сама структура хромосомы — в данном случае человеческой хромосомы 6, содержащей крайне важный главный комплекс гистосовместимости. Первый удивительный факт, который мы откроем для себя во время поездки, состоит в том, что ранние генетики, которые усложняли жизнь Освальду Эвери, были не так уж и не правы, говоря, что белки тоже играют роль в загадке гена.

К своему восторгу, мы понимаем, что поезд может двигаться по ультрамикроскопическому ландшафту на достаточные расстояния, чтобы двойная спираль превратилась лишь в тонкую нить на горизонте. С этой дистанции мы можем заметить вещи, которых не видели раньше.

Невероятно длинная молекула ДНК не только завивается в спираль, но и обвивается второй раз более широкой спиралью вокруг каких-то странных круглых предметов, которые на расстоянии кажутся похожими на теннисные мячики, — это белки, называемые гистонами. Они располагаются группами по восемь: четыре сверху и четыре снизу. Такие группы структурированы вокруг оси — линейного белка, не похожего на фосфатный структурный элемент молекулы ДНК. Это вторичная спираль, в которой ДНК обвивается вокруг групп гистонов, пролегает по всей длине хромосомы и уходит вдаль.

Кажется, вы поражены.

— Просто невероятно, что мы можем наблюдать эту великолепную гигантскую вторичную хромосомную структуру. Если я правильно считаю, то в шестой хромосоме порядка 150 миллионов нуклеотидов.

— Куда мы едем?

— К участку, который кодирует главный комплекс гистосовместимости.

Вы поворачиваетесь ко мне с новым вопросом:

— Зачем вообще нужна эта поездка?

— Мы посмотрим на вторую эпигенетическую систему, которую называют гистоновым кодом. Как и статус метилирования, она довольно проста.

Вы выглядите сконфуженным.

— Все дело в концевых частях ко́ровых гистонов, которые эпигенетики называют гистоновыми хвостами.

Поезд подъезжает поближе к одному из участков хромосомы, где мы можем рассмотреть его структуру и строение восьми мячиков-белков, обращенных к нам. Они плотно прилегают друг к другу и к центральной оси.

Но внезапно в их плотной структуре появляется брешь. Мы видим, как нить ДНК ослабляется и мячики в группах соединяются друг с другом более свободно.

Мы подъезжаем еще ближе.

— Внимательно смотрите на группы белков.

— Из них что-то торчит… Как будто хвостики.

— Именно! Это химические хвосты.

Гистоны в группах мячиков являются белками, поэтому они состоят из длинных цепочек аминокислот. Хвосты, тянущиеся за мячиками, — это боковые цепи. Важно понимать, что они выходят за пределы вторичной спирали ДНК, обернутой вокруг гистонов. Пока мы наблюдаем за этим, жужжащее облако-белок с бусинками-химикатами снова появляется перед нами. Мы смотрим, как оно присоединяет одну из бусинок к хвосту, и вся структура тут же начинает меняться. То, что раньше было свободно расположенной группой, снова уплотняется.

— Они снова сходятся.

— Гистоны очень чувствительны к отдельным молекулам, которые прикасаются к их хвостам.

— Как насекомые к феромонам?

Теперь удивляюсь уже я.

— Иногда это наши старые друзья, метильные группы. Но иногда это может быть и ацетатная группа или фосфат — один из других простых химических остатков, которые могут запустить изменения. Изменений может быть только два — ослабление или усиление связей в гистоновой группе. Химические вещества прикрепляются к конкретным аминокислотам в гистоне. Например, ацетильная группа выбирает аминокислоту лизин, а фосфатная — серин. Метильная группа в данном случае прикрепляется не к цитозину в ДНК, а к лизину в гистоновом хвосте.

Мы наблюдаем, как плотная спираль ДНК, обернутая вокруг группы мячиков, снова ослабевает.

— Вы поняли, что сейчас произошло?

— Ген или последовательность, которая закодирована этой частью ДНК, закрывается, когда нить прилегает плотно.

— Верно, а когда она разворачивается, он готов к трансляции.

— Получается, что гистоновый код включает и выключает ген, как и статус метилирования?

— Все это может выглядеть очень просто, но в присоединении ацетиловой, фосфатной или метиловой группы к хвостам нет никаких случайностей. Это происходит под строгим контролем других элементов эпигенетической системы, по сравнению с которыми даже тайная полиция в стране, где господствует диктатура, может показаться добряками. Как и статус метилирования, гистоновый код может меняться в течение человеческой жизни. Он реагирует на стимулы, воздействующие на геном извне. И, как и метилирование, может изменять наследственность, то есть вносить эволюционные изменения без изменения ДНК.

— Насколько силен гистоновый код? — спрашиваете вы.

— Давайте я приведу вам пример. Облако-белок, которое мы видели, представляет собой энзим дезацетилазу. Он удалил ацетильную группу с хвоста одной группы гистонов. Этот энзим называется дезацетилаза HDAC11, и мы только что видели, как он отключил ген, кодирующий белок, который участвует в работе иммунной системы человека. Данный протеин определяет, будем мы реагировать на определенный антиген как на собственный или как на инородный. С медицинской точки зрения этот единственный эпигенетический маркер определит всю нашу будущую иммунную толерантность, то есть то, как мы будем реагировать на опасный микроб или трансплантат, если у кого-то из нас вдруг откажет орган.

Я могу объяснить это еще на одном примере. Однояйцовые, или монозиготные, близнецы при зачатии являются, по сути, клонами друг друга и всю жизнь живут с одинаковыми геномами. Совокупность всех эпигенетических механизмов в организме называют эпигеномом. Однояйцовые близнецы происходят из одних и тех же плюрипотентных клеток, то есть начинают жизнь как эмбрионы с одинаковым эпигеномом. Ранее считалось, будто они и рождаются с идентичными эпигеномами, но сегодня мы знаем, что это не так. Эпигеном каждого плода, включая однояйцовых близнецов, изменяется к моменту рождения в ответ на влияние среды, отражающееся на физиологии плода во время развития в матке. Разумеется, на этом изменения не заканчиваются. Исследования, проведенные в Испании, показали, что в зависимости от обстоятельств, в которых растет и проживает жизнь каждый из однояйцовых близнецов, у них продолжают накапливаться эпигенетические различия.

На практике эпигенетическое отключение генов посредством метилирования часто подкрепляется гистонным кодом, который применяется к тому же промотору, чтобы гарантировать, что ген останется выключенным.

Возможно, нам пора сделать передышку. Я хочу, чтобы вы отдохнули перед новым, еще более увлекательным эпигенетическим приключением с участием, как говорят некоторые генетики, сводной сестры ДНК — второй нуклеотидной молекулы, которая называется РНК, или рибонуклеиновой кислотой.

Разумеется, мы уже встречались с РНК. Ослепленные блеском старшей сестры, мы полагали, что ее лучшие дни пришлись на ранние эпохи существования Земли, еще до того, как она стала зеленой планетой. В те времена жизнь находилась на химическом этапе развития, а самовоспроизводящиеся молекулы конкурировали друг с другом в первобытной грязи за необходимые элементы. Очевидно, что после ряда невероятных открытий, последовавших за открытием ДНК и способа кодирования белка с ее помощью, ученые должны были думать о генах и о человеческом геноме как о том, в чем ДНК играет ключевую роль.

Однако сегодня мы понимаем, что такая точка зрения неверна, и именно из-за этой ошибки половина человеческого генома оставалась неисследованной до 2001 года. Решение загадки заключалось в открытых недавно новых функциях РНК в рамках эпигенетики. Эти открытия изменили многое в нашем понимании генетики, биологии, молекулярной биологии и медицины. Они настолько дерзки и необычны, что нам придется пересмотреть все свои взгляды на генетику. Это ставит перед нами новые фундаментальные вопросы. Что именно мы имеем в виду под геном? Можем ли мы по-прежнему считать ген единицей наследования или это определение стоит заново обдумать? Например, Томас Джинджерас, один из исследователей в проекте ENCODE, заявляет, что фундаментальная единица генома, то есть базовая единица наследования, — это не ген, а транскрипция РНК, декодированная по ДНК.