Эпигенетика человека: норма и патология

Д.В.Залетаев, М.В.Немцова, В.В.Стрельников

Введение

Термин «эпигенетика» был предложен в 1942 г. эмбриологом Конрадом Халом Уодингтоном, объединившим два других термина - «эпигенез» и «генетика» с целью показать, что генотип реализуется в фенотип благодаря включению многих модифицирующих факторов. Термин «эпигенез» ранее применялся в эмбриологии для описания постепенного формирования органов и тканей из недифференцированной массы клеток, но он не учитывал всего разнообразия генетических факторов. Уодингтон подчеркивал, что «эпигенетический фон лежит в основе развивающегося организма и представлен всем комплексом взаимодействий между ДНК, белками, внешними и внутренними стимулами». По его определению «Эпигенетика – раздел биологии, который изучает причинно-следственные взаимодействия между генами и их продуктами, и как они реализуются в определенные фенотипы». В то время вряд ли кто-то мог представить, насколько интересной и плодотворной окажется эта новая наука, хотя определение Уодингтона больше всего подходит к эмбриогенезу и ранним стадиям онтогенеза. В настоящее время совершенно очевидно, что геном человека содержит информацию двух видов - генетическую и эпигенетическую. Генетическая информация - руководство по созданию живого организма, а эпигенетическая - данные о том, как, где и когда она должна быть реализована. Эпигенетика исследует изменения в экспрессии определенных ДНК-последовательностей, которые нельзя объяснить классическими мутациями и/или структурными нарушениями. Таким образом, эпигенетику можно рассматривать как более высокий уровень генетической организации и регуляции, который нельзя объяснить в рамках «центральной догмы» молекулярной биологии.

Сейчас эпигеномика представляет собой одну из самых сложных и комплексных областей биологии: метилирование ДНК, и не только СрG, но и CpH; модифицированные цитозины - 5hmC, 5fC, 5caC; гистоновый код; метил-чувствительные и нечувствительные транскрипционные факторы и модифицирующие белковые и рибонуклеопротеиновые комплексы; метилирование 6mA (ApH) и редактирование РНК, транскрипционно индуцированный сплайсинг, РНК-интерференция и несметное количество некодирующих РНК, которые осуществляют взаимосвязь и регуляцию всех эпигенетических компонентов. Все перечисленные факторы принимают участие в регуляции онтогенеза и ответа на «внешние и внутренние стимулы», а исследования все углубляются и трудно себе представить, какие новые эпигенетические факторы будут выявлены, и какую роль в жизнедеятельности организма они играют. 

СТРУКТУРА ХРОМАТИНА И ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫЕ МОДИФИКАЦИИ ГИСТОНОВ

Гистоновый код

Основная структурная единица хроматина - нуклеосома. Она представлена белковым октамером, образованным двумя молекулами каждого из коровых гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4), с которым связан участок ДНК длиной 147 пар нуклеотидов. Структура коровых гистонов эволюционно консервативна, но их N-концевые «хвосты», выходящие за пределы ядра нуклеосомы, могут претерпевать многочисленные посттрансляционные модификации, включая ацетилирование, метилирование, фосфорилирование и др. (рис. 3). Тип ковалентной модификации гистонов может влиять на структурную динамику нуклеосомы, изменяя степень доступности ДНК. Ацетилирование гистонов ослабляет межнуклеосомное взаимодействие, а также взаимодействие нуклеосомы с линкерной ДНК, что приводит к большей доступности ДНК. Метилирование гистонов не изменяет суммарный заряд нуклеосомы, но обе эти модификации играют важную роль в привлечении белков, которые регулируют различные процессы, требующие доступа к ДНК. Следовательно, модификации гистонов, их качественный состав и специфический набор (гистоновый код) определяют активацию или инактивацию гена или создают дополнительный уровень регуляции экспрессии генов. Под гистоновым кодом подразумевают разнообразный набор модификаций гистоновых «хвостов», определяющий функциональное состояние гена. Гистоновый код - второй эпигенетический механизм, с помощью которого пишется программа каскадного включения-выключения генов, передающаяся по наследству от клетки к клетке. При этом информация о белках, записанная в самой ДНК, остается в сохранности.

Рисунок 3. Гистоновый код: указаны наиболее функционально значимые модификации аминокислотных остатков N-концевой части коровых гистонов.

Посттрансляционная модификация гистонов может модулировать структуру хроматина, ослабляя взаимодействие гистонов с ДНК, и тем самым активировать транскрипцию. Модификации гистонов могут происходить последовательно или в комбинации друг с другом и, таким образом, привлекают хроматин-связывающие белки для выполнения специфических задач. Вместе с метилированием ДНК ковалентные модификации гистонов определяют эпигенетическое поддержание и контроль экспрессии генов.

Метилирование/деметилирование гистонов

Метилирование гистонов и ДНК создает основу для долговременного эпигенетического поддержания уровня экспрессии генов. Наиболее распространенный тип метилирования гистонов - метилирование лизина. Образование гетерохроматина происходит в результате одновременной работы гистонлизиновых метилтрансфераз (НК-МТ) и деацетилаз гистонов (HDAC) и включает модификацию лизина 9 гистона Н3 (H3K9). Триметилирование Н3К9me3 стабилизирует нуклеосомы, привлекает гетерохроматиновый белок Н1, необходимый для плотной упаковки хроматина, что приводит к отсутствию транскрипции. Н3К9me3 коррелирует с инактивацией Х- хромосомы и конденсированным состоянием хроматина (структурный и факультативный гетерохроматин). Кроме того, маркером факультативного гетерохроматина служит триметилированный лизин 27 гистона Н3 (Н3К27me3). Метилирование лизина 20 гистона Н4 (Н4К20) ингибирует ацетилирование лизина 16 гистона Н4 (Н4К16). Это свидетельствует о том, что метилирование Н4К20 действует как эпигенетическая метка репрессии. Таким образом, метилирование Н3К9, Н3К27 и Н4К20 - основная модификация гистонов, соответствующая гетерохроматину и крупномасштабной репрессии транскрипции. Кроме того, при согласованном метилировании Н3К9 и ДНК может сохраняться долговременный статус негативной регуляции транскрипции.

Метилирование определенных остатков гистонов в эухроматиновых районах противодействует многочисленным механизмам инактивации генов в эукариотической клетке. Метилирование лизина 4 гистона Н3 (Н3К4) специфично нарушает опосредованное Suv39h1 метилирование Н3К9, закрывая, таким образом, основной путь образования гетерохроматина. Образованию дополнительных гетерохроматиновых районов также препятствует метилирование лизина 79 гистона Н3 (Н3К79). Оно предотвращает ассоциацию инактивирующих белков Sir с активно экспрессирующимися генами. Таким образом, Н3К4 и Н3К79 участвуют в установлении эухроматинового состояния, поскольку их метилирование препятствует распространению гетерохроматиновых районов. Метилирование лизина 36 гистона Н3 (Н3К36) обнаружено в районах, где транскрипция благополучно идет или только что завершена. Триметилирование Н3К4 сохраняется до 5 ч после элонгации транскрипции, создавая, таким образом, некую форму кратковременной транскрипционной памяти о недавно транскрибированных генах. Таким образом, метилирование определенных остатков гистонов участвует в кратковременном и долговременном поддержании транскрипционного статуса генов, а уровень метилирования может вносить вклад в их регуляцию.

Ацетилирование/деацетилирование гистонов

Ацетилирование - обратимая модификация лизинов в N-концевых доменах коровых гистонов. Известно, что N-концевые домены гистонов участвуют в инактивации генов с образованием суперконденсированных нитей хроматина, тогда как их ацетилирование приводит к локальной деконденсации хроматина, необходимой для процессов, связанных с переупаковкой ДНК: транскрипции, репликации, репарации, рекомбинации и образования сперматозоидов. Например, ацетилирование Н4К16 регулирует структуру хроматина и его взаимодействие с белками. Усиление ацетилирования гистонов стимулирует транскрипцию, а деацетилирование приводит к полной инактивации генов. Ацетилирование/деацетилирование может быть прямо связано с отдельными стадиями транскрипции генов через взаимодействие с комплексами, ремоделирующими хроматин. Совместное функционирование деацетилаз и ацетилаз (HAT) гистонов сопровождается динамическими переходами хроматина из одной структуры в другую и приводит к переключению активных и неактивных состояний.

При определенном паттерне распределения сайтов ацетилирования гистонов нарушается пространственная структура нуклеосомной нити, что увеличивает доступность хромосомных доменов для регуляторных белков. В результате белки системы транскрипции получают доступ к промоторам и могут инициировать транскрипцию. Показано, что транскрипция матриц с гиперацетилированными нуклеосомами происходит быстрее, чем на матрицах без таковых.

Если суммировать, то к маркерам активации гистонов, которые связаны с эухроматином и повышением генной экспрессии, можно отнести ацетилирование лизинов в гистонах H2A, H2B, H3, Н4: ацетилирование лизина 9 (H3K9), лизина 14 (H3K14), лизина 5 (H4K5) и лизина 16 (H4K16); метилирование лизинов H2BK5, H3K4, H3K36, и H3K79; фосфорилирование треонина 3 в гистоне H3 (H3T3), серина 10 в H3 (H3S10), серина 28 (H3S28) и серина 1 в гистоне Н4 (H4S1) и убикветинилирование лизина 120 гистона Н2В (H2BK120). А к гистоновым маркерам, которые коррелируют с гетерохроматином и репрессией генов, относятся: низкий уровень ацетилирования гистонов; метилирование H3K9, H3K27 и H4K20; убиквитинилирование лизина 119 гистона Н2А (H2AK119); и сумоилирование лизина 126 гистона Н2А (H2AK126), лизинов 6 и 7 гистона Н2В (H2BK6/ H2BK7).

Заключение.

Поскольку уже описано более 150 импринтированных генов, а предполагается, что генов с моноаллельной экспрессией должно быть не менее 200 (возможно, в разных тканях и в различные периоды онтогенеза), справедливо полагать, что причиной ряда синдромальных состояний, где молекулярный дефект еще неизвестен, станут эпигенетические нарушения, представленные аномальным метилированием ДНК и изменениями экспрессии нкРНК.

Эпигенетическая регуляция экспрессии генов в организме человека всеобъемлюща, как в норме, так и при патологии. Появляется все больше данных об эпигенетическом наследовании приобретенных признаков (фенотипических и поведенческих) благодаря нкРНК сперматозоидов. В частности, показано, что несколько сотен важных для развития малых нкРНК соматического происхождения доставляются в сперматозоид специальным классом нановезикул эпидидимиса, называемых эпидидимосомами. Эпидидимус является ключевым участником формирования эпигенома спермы, т.к. может включать РНК из экзосом соматического происхождения. Состав нкРНК сперматозоидов отражает образ жизни и несет в себе ”память" отцовского опыта; эта «память» на основе РНК передается потомству как приобретенные характеристики, способные повлиять на здоровье и общую биологическую судьбу потомства. Недавние эксперименты на мышах показали потенциал нкРНК сперматозоидов в качестве трансгенерационных модификаторов, свойства которых появились в ответ на условия окружающей среды или стресса, включая диету, сигаретный дым, чувствительность к запаху, когнитивные и поведенческие условия. Убедительные эксперименты показали, что нкРНК действительно являются трансгенерационными модификаторами - потомство из нормальных зигот, в которые вводили РНК сперматозоидов особей, подвергшихся стрессу, повторяет фенотипические черты животных-доноров РНК. РНК, доставляемые сперматозоидами при оплодотворении выполняют регуляторные функции и ремоделируют профиль экспрессии генов на самых ранних стадиях эмбриогенеза. Таким образом, РНК играет роль центрального узла информации, служащего носителем информации, модификатором и аттенюатором (преобразователем) для многих биологических процессов, в том числе и эволюционных.

В то же время не следует забывать, что существует огромное количество мультифакториальных заболеваний, где эпигенетические факторы регуляции играют одну из основных ролей. Метилирование ДНК, модификации хроматина, многочисленные некодирующие РНК и их регуляторные взаимодействия присутствует во всех вариантах патологии, в том числе играют очень значительную роль в возникновении, прогрессии, ответе на лечение и прогнозе развития мультифакториальных заболеваний (онкологических, иммунных, атопических, эндокринных, кардиологических и др.). В рамках одной главы про все варианты патологии можно только упомянуть.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение в молекулярную диагностику. Том 2. Молекулярно-генетические методы в диагностике наследственных и онкологических заболеваний / Под ред. М.А.Пальцева и Д.В.Залетаева. Москва. «Медицина», 2011.

Эпигенетика / Под редакцией С. Д. Эллиса, Т. Дженювейна, Д. Рейнберга. Москва. «Техносфера», 2013.

Эпигенетика. Химический и медико-биологический аспекты / В. Г. Граник. Москва. «Вузовская книга», 2018.

DNA Methylation and Complex Human Disease / Michel Neidhart. – UK: Academic Press, 2015. eBook ISBN: 9780127999203.

Epigenomics in Health and Disease / Ed. by: Mario Fraga Agustin Fernandez. - UK: Academic Press, 2015. eBook ISBN: 9780128004968.

Medical Epigenetics / Ed. by Trygve Tollefsbol. – UK: Academic Press, 2016.                                   eBook ISBN: 9780128032404.

Epigenetics in Human Disease, 2nd Edition / Ed. by Trygve Tollefsbol. – UK: Academic Press, 2018. eBook ISBN: 9780128123294.

https://freevideohub.ru/search/%D1%8D%D0%BF%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0-%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0-%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B0

Эпигенетика человека: норма и патология