Помоги проекту - поделись книгой:
Но со временем раковая клетка находит способ обойти это препятствие. Рецептор гормона ухитряется активировать гены вне зависимости от того, присутствуют ли поблизости молекулы тестостерона. Это как если бы кто-то водрузил мешок сахара на педаль газа. Педаль останется в нажатом состоянии и будет ускорять вашу машину, даже если вы задерете обе ноги на приборную панель. Ученые показали, что основную роль в этом онкологическом процессе играют две длинные некодирующие РНК, которые проявляют сильную сверхэкспрессию при агрессивной форме рака простаты. Эти РНК способствуют воздействию рецептора, усиливая генетическую экспрессию, даже когда рядом нет гормона, и ускоряя размножение клеток. Иными словами, такие РНК играют роль мешка сахара на педали газа. Если же в модельных системах, с помощью которых изучают рак, подавить экспрессию этих особых длинных некодирующих РНК, рост опухолей резко замедляется. Вот еще одно подтверждение важнейшей роли, которую играют данные молекулы24.
На рак простаты оказывает влияние еще одна длинная некодирующая РНК. Чем выше ее содержание, тем агрессивнее онкологический процесс, короче период рецессии после курса лечения и выше риск летального исхода. Подавление этой длинной некодирующей РНК оказывает при изучении онкологических моделей эффект, подобный описанному выше. Однако, по-видимому, в данном случае происходящие процессы не имеют прямого отношения к взаимодействиям с тестостероновым рецептором25. По-видимому, длинные некодирующие РНК могут самыми разными путями влиять на развитие рака, даже в опухоли одного типа.
Длинные РНК и мозг
Выяснением функций этих молекул интересуются не только онкологи. В мозгу экспрессируется больше длинных некодирующих РНК, чем в какой-либо другой ткани или органе (возможное исключение — семенники)26. Некоторые такие РНК даже остались неизменными при эволюционном переходе от птиц к человеку: их экспрессия проявляется точно так же, в тех же областях и на тех же стадиях развития. Возможно, они сохранили и свои функции (вероятно, влияющие на нормальное развитие мозга). Однако многие из длинных некодирующих РНК, экспрессируемых в мозгу, специфичны для человека или приматов в целом. Ученые задумались: может быть, такие РНК отвечают (хотя бы отчасти) за чрезвычайно сложные когнитивные и поведенческие функции, отличающие высших приматов? 27
Удалось выявить длинную некодирующую РНК, которая влияет на то, каким образом клетки мозга образуют связи друг с другом28. Еще одна длинная некодирующая РНК, возникшая при нашем эволюционном отделении от крупных человекообразных обезьян, может участвовать в регуляции гена, необходимого для уникальных процессов развития, формирующих кору головного мозга человека29.
Эти примеры, помимо всего прочего, позволяют сделать предположение, что длинные некодирующие РНК играют в мозгу положительную роль. Впрочем, они могут способствовать и развитию патологий. Болезнь Альцгеймера — губительное слабоумие, которое обычно связывают с процессами старения. Поскольку средняя продолжительность жизни человека увеличивается, болезнь Альцгеймера становится все более распространенным недугом. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 35 миллионов человек по всему миру страдают старческим слабоумием, и этот показатель может удвоиться к 2030 году30. Пока нет препарата, который излечивал бы эту страшную болезнь. Существующие лекарства лишь замедляют ее развитие. Эмоциональные и экономические потери от нее колоссальны, но разработка новых методик лечения идет чудовищно медленно. Отчасти это вызвано тем, что пока еще не понятно, какие именно нарушения происходят в клетках страдающих болезнью Альцгеймера.
По меньшей мере одна важная стадия этого процесса — выработка нерастворимых бляшек в мозгу (их можно обнаружить при аутопсии). Эти бляшки состоят из неправильно сложенных белков. Главный среди них — бета-амилоид. Он синтезируется, когда фермент BACE1 разрезает более крупный белок. Одна из длинных некодирующих РНК вырабатывается на том же участке генетической последовательности, что и BACE1, только на противоположной нити ДНК (вспомним
Эта длинная некодирующая РНК и стандартная информационная РНК фермента BACE1 связываются друг с другом, что делает BACE1-РНК более стабильной, и она остается в клетке дольше. А потому клетка может синтезировать больше копий белка BACE1. Это приводит к росту производства бета-амилоида, важнейшего игрока в процессе формирования бляшек31.
Похоже, что уровень содержания этой длинной некодирующей РНК повышается в мозгу пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера. Впрочем, эти данные трудно интерпретировать. Возможно, такое повышение — всего лишь следствие общей повышенной экспрессии в этой области. Вспомните аналогию, которую мы приводили выше: чем больше бревен вы пилите, тем больше опилок получается. Ученые нашли способ уменьшить экспрессию лишь этой длинной некодирующей РНК у модельных мышей, часто проявлявших альцгеймеровскую патологию. И подавление этой длинной некодирующей РНК привело к уменьшению содержания белка ВАСЕ1 и содержания бета-амилоидных бляшек! Вот вам подтверждение идеи, согласно которой эта длинная некодирующая РНК — одна из причин этой губительной болезни32.
Длинные некодирующие РНК могут влиять не только на центральную нервную систему. Нейропатическая боль — состояние, при котором пациент испытывает неприятные, болезненные ощущения даже при отсутствии физических раздражителей. Ее причиной служит аномальная электрическая активность нервов, по которым сигналы от периферии тела передаются в центральную нервную систему (в головной и спинной мозг). Это заболевание бывает очень мучительным, причем обычные болеутоляющие вроде аспирина или парацетамола почти не помогают. Зачастую неясно, почему нервы ведут себя столь аномальным образом. Авторы одного из недавних исследований предполагают: в некоторых случаях причиной может стать рост содержания длинной некодирующей РНК, способной изменять уровни экспрессии в одном из таких электрических каналов. Она связывает молекулу информационной РНК, кодирующую данный канал, тем самым меняя ее стабильность, а, значит, и количество вырабатываемого белка33.
Сейчас выявляются все новые и новые типы заболеваний, одной из причин которых (как заявляют исследователи) служат длинные некодирующие РНК34. Однако по-прежнему ведутся споры о том, насколько важную роль играют эти длинные некодирующие РНК и насколько активно они функционируют. Могут ли они играть такую же существенную роль в организме, как белки? Вероятно, на индивидуальном уровне ответ будет, как правило, отрицательным, если только мы не имеем дело с такой явно жизненно важной молекулой, как
Недавно ученые мимоходом выдвинули такую гипотезу: «Существует немалая вероятность, что многие из этих длинных транскриптов в лучшем случае лишь слегка корректируют процессы управления геномом, подталкивая или искажая их, но при этом не являясь непосредственными выключателями процессов»35. Однако сложность и гибкость описываемых механизмов зависит главным образом, метафорически говоря, не от черно-белой картины, не от включения/выключения динамиков, а от тонких градаций громкости звука, от оттенков серого. Возможно, с биологической точки зрения мы очень многим обязаны этим подталкиваниям и искажениям.
Глава 9. Раскрашивая темную материю
В биологии за вопросом «Что делает какой-то объект?» почти всегда следует другой: «Как он это делает?». Мы знаем, что такое длинные некодирующие РНК, и мы знаем по меньшей мере кое-какие их функции: эти РНК регулируют экспрессию генов. Отсюда вытекает логичный вопрос: каким образом они это проделывают?
Не ждите одного общего ответа. Человеческий геном производит многие тысячи длинных некодирующих РНК. Вряд ли все они действуют одинаково. Однако мы уже начали выявлять здесь некоторые единые темы.
Одна из наиболее важных тем имеет отношение к свойству, с которым мы уже сталкивались в главе 6, обсуждая центромеры и их роль в делении клеток. Вновь обратившись к рис. 6.3, вспомним, что ДНК наших клеток обернута вокруг групп, в каждой из которых содержится по 8 особых белков — гистонов. Мы рассматривали гистоны лишь как «упаковочные» белки, однако на самом деле они выполняют гораздо более сложные задачи. Наши клетки способны модифицировать гистоны или саму ДНК. Они осуществляют это, добавляя к ним небольшие химические группы. Эти химические прибавления не изменяют саму нуклеотидную последовательность гена. Ген по-прежнему будет кодировать ту же самую молекулу РНК и тот же самый белок (если речь идет о гене, кодирующем белок). Однако такие модификации меняют вероятность того, что данный ген будет экспрессироваться. Пристраиваемые группы сами служат участками, к которым прикрепляются другие белки. Эти модификации — первичные участки прикрепления, на основе которых постепенно выстраиваются большие белковые комплексы, которые в конечном счете и выключают (или включают) ген.
Такие изменения в ДНК и белках, на которые она влияет, называются эпигенетическими модификациями1. «Эпи-» происходит от греческого слова, означающего «на», «в», «в добавление к», «точно так же, как». Подобные модификации — своего рода добавление к генетической последовательности. Наиболее распространенная из них (все остальные распространены гораздо меньше) наблюдается на тех участках, где за нуклеотидным основанием Ц следует основание Г. Такая последовательность называется ЦГ-последовательностью. Клеточные ферменты способны добавить тут модифицирующую — здесь метильную — группу. Она пристраивается к основанию Ц. Метильная группа состоит всего из одного атома углерода и трех атомов водорода. Она имеет очень маленькие размеры. Прикрепить такую группку на основание Ц — то же самое, что прикрепить листок клевера на боковую часть цветка подсолнуха.
Если на данном участке ДНК много ЦГ-мотивов, он имеет много мест, к которым способна эпигенетически присоединяться метильная группа. Это привлекает белки, подавляющие экспрессию соответствующего гена. В экстремальных случаях, когда имеется множество ЦГ-мотивов, находящихся поблизости друг от друга, метилирование ДНК может оказывать чрезвычайно сильное и глубокое воздействие. В сущности, при этом ДНК меняет форму и соответствующий геи полностью выключается. Более того, он может отключаться не только в данной клетке, но и во всех дочерних, создаваемых ею в результате деления. В неделящихся клетках (скажем, нейронах мозга) такие схемы метилирования ДНК порой складываются еще в тот период, когда мы находимся в утробе матери. Многие из этих схем будут продолжать действовать и через сто лет, если нам удастся протянуть так долго.
Осознание того, что метилирование ДНК умеет практически
Мы с вами, дорогие читатели, являем собой подлинные шедевры эпигенетики. 50-70 триллионов клеток человеческого организма почти все содержат, по большому счету, один и тот же генетический код[23]. И выделяющие соль клетки наших потовых желез, и кожные клетки наших век, и клетки, которые вырабатывают амортизирующую хрящевую ткань в наших коленях, — все они содержат одну и ту же ДНК. Они просто по-разному используют информацию, содержащуюся в ее генах: тут многое зависит от конкретной ткани. Скажем, нейроны головного мозга экспрессируют рецепторы нейротрансмиттеров, но отключают гены, отвечающие за выработку гемоглобина — пигмента, в котором наши красные кровяные тельца переносят кислород.
Все это — примеры ситуаций, которые мы не первое десятилетие именуем эпигенетическими явлениями. Да-да, тот же самый термин, что и для модификаций. И не зря. Речь идет о ситуациях, когда происходит что-то «в добавление к» генетическому коду.
Открытие процесса метилирования ДНК наконец дало нам механизм эпигенетических явлений. В нейроне гены, отвечающие за выработку гемоглобина, подвергаются массированному метилированию и отключаются. Они остаются в отключенном состоянии на протяжении всей жизни человека. Однако в клетках, порождающих красные кровяные тельца, эти гены не метилируются, и гемоглобин преспокойно синтезируется. Зато в этих клетках при помощи эпигенетического механизма отключаются гены, кодирующие рецепторы нейротрансмиттеров.
Метилирование ДНК — процесс, приводящий к довольно стойким изменениям. Удалить модифицирующие группы на удивление трудно. Это хорошо — если вашим клеткам нужно на протяжении долгих периодов поддерживать определенные гены в отключенном состоянии. Однако зачастую наши клетки вынуждены откликаться на кратковременные изменения в своем окружении: скажем, если мы пьем алкогольные напитки или вымотались после собеседования при устройстве на работу. Тогда организм обращается к другой системе. Клетки добавляют модификации к гистонам, расположенным рядом с генами. Этот процесс тоже может отключать гены, однако такие модификации сравнительно легко удалить, а значит, при необходимости клетка сумеет быстро включить гены вновь. Гистонные модификации также могут применяться для модулирования экспрессии гена: его можно включить слегка, посильнее, очень сильно, на всю катушку. Метилирование ДНК в этом смысле подобно выключателю, а модификации гистонов — регулятору громкости.
Гистонные модификации могут выступать как механизм тонкой настройки генетической экспрессии благодаря тому, что таких модификаций множество. Если ДНК сравнить с черно-белым изображением (возможно, разбавленным некоторыми оттенками серого в зависимости от уровня метилирования), то гистонные модификации — это яркая цветная картинка. В гистонах есть множество аминокислот, способных подвергаться модификации. К этим многообразным аминокислотам могут пристраиваться по меньшей мере 60 различных химических групп. Это выводит нас на невероятный уровень сложности, поскольку для каждого гена (или для одного и того же гена в разных типах клеток) существуют тысячи возможных комбинаций гистонных модификаций. Клетка интерпретирует их по-разному, поскольку эти модификации будут привлекать различные комплексы белков, контролирующие генетическую экспрессию и картину ее распределения. Одни комбинации будут усиливать экспрессию генов, другие — ослаблять ее.
Отыскать местечко в геноме
Но ученых годами терзала одна загадка. Ферменты, пристраивающие модификации к гистонам, не различают особенностей ДНК-последовательности. Они не связываются с ДНК и не умеют отличать одну ДНК-последовательность от другой. Однако выяснилось, что в присутствии определенного стимула (для разных ферментов он может быть разным) ферменты с высокой точностью модифицируют определенные гистоны. Они добавляют модифицирующие группы к гистонам, расположенным на нужных генах (или удаляют из них модифицирующие группы), игнорируя близлежащие гистоны, связанные с генами, которые их не интересуют.
Современные исследования вроде бы показывают, что одна из функций длинных некодирующих РНК — выступать в роли своего рода молекулярного клейкого вещества, привлекающего гистономодифицирующие ферменты в окрестности выбранных генов. Одно из указаний на это получено при изучении функций определенных длинных некодирующих РНК в эмбриональных клетках человека (мы говорили об этих клетках в главе 8). Ученые показали, что примерно треть исследованных длинных некодирующих РНК соединяется с белковыми комплексами, в состав которых входят и гистономодифицирующие ферменты. Чтобы выяснить, имеет ли какие-то функциональные последствия такое связывание длинных некодирующих РНК с белками, исследователи подавляли экспрессию гистономодифицирующего фермента, который входит в состав комплекса. Почти в половине случаев изучаемые воздействия на клетку и на экспрессию генов оказывались такими же, как если бы экспериментаторы подавляли самую длинную некодирующую РНК. Это позволило предположить, что длинная некодирующая РНК и ферменты, модифицирующие гистоны, действительно ведут в клетке совместную деятельность2.
Многие исследователи взаимодействия между длинными некодирующими РНК и эпигенетическими системами обращают главное внимание на определенный эпигенетический фермент. Он производит особую гистонную модификацию, которую с высокой вероятностью связывают с отключением генов. Будем называть этот фермент главным репрессором[24]. Оказалось, он взаимодействует со множеством различных длинных некодирующих РНК.
Длинная некодирующая РНК этого гена нацеливается на главный репрессор этого гена, а он затем создает на гистонах репрессивные модификации, тем самым заглушая экспрессию генов. Эти репрессивные модификации привлекают к себе другие белки, которые связываются с данным геном и подавляют его еще сильнее.
Такой контроль, осуществляемый главным эпигенетическим ферментом-репрессором, часто используется для управления генами, которые кодируют другие эпигенетические ферменты. Нередко такие гены оказывают противоположное воздействие на главный репрессор, то есть они склонны не отключать, а включать гены. Суммарный эффект таков: главный репрессор оказывает сильное влияние на общий характер генетической экспрессии3. Он подавляет гены не только напрямую, но и при косвенном воздействии — препятствуя экспрессии эпигенетических ферментов, которые обычно отключают другие гены. Получается двойной эпигенетический удар.
Как правило, это совершенно нормальная составляющая процессов контроля генетической экспрессии в наших клетках. Система делает в точности то, что должна делать: обеспечивает синхронную работу всех сложных клеточных механизмов. Но если в этом комплексном взаимодействии между некодирующими РНК и эпигенетической аппаратурой что-то пойдет не так, могут возникнуть проблемы.
К сожалению, именно это, по-видимому, происходит при некоторых формах рака. При определенных разновидностях онкологических заболеваний главный репрессор претерпевает сверхэкспрессию (скажем, при различных видах рака простаты4 и рака груди5). Такая сверхэкспрессия считается негативным прогностическим фактором для больных. При некоторых видах рака крови главный репрессор мутирует, что делает его аномально активным6. Похоже, в каждом из таких случаев подавляется «не тот» ген. Отсюда дисбаланс: белки, побуждающие клетку размножаться, «обгоняют» те белки, которые обычно действуют как тормоз. Так клетку подталкивают к раковому состоянию. А препараты, ингибирующие активность главного репрессора, пока еще находятся на ранних стадиях клинических испытаний7.
Главный репрессор действует как часть большого комплекса белков[25]. Исследователи показали, что самые разные длинные некодирующие РНК так или иначе связаны с функционированием этого комплекса. Возможно, существует целый ряд способов достижения репрессивных модификаций — в зависимости от типа клетки и от ее поведения. В главе 8 мы познакомились с длинной некодирующей РНК, чья сверхэкспрессия способствует развитию рака простаты. Удалось показать, что она связывается с главным репрессором и направляет его на определенные гены, в том числе и на те, которые в нормальных условиях сдерживают размножение клеток8. Эта находка подтверждает гипотезу, согласно которой существует тонкий баланс между длинными некодирующими РНК и эпигенетическими модификаторами, а нарушение такого равновесия может оказаться опасным для клетки или для организма в целом. Подкрепляют эту гипотезу и схожие данные о связывании длинной некодирующей РНК, участвующей в процессах возникновения деформаций скелета и развитии целого ряда форм рака (мы обсуждали эту РНК в той же главе). Данная РНК связывается с комплексом, содержащим главный репрессор, а одновременно — с другим эпигенетическим ферментом, способным вызывать дополнительную репрессивную модификацию9.
В этом объяснении как бы подразумевается, что длинная некодирующая РНК транскрибируется на гене, чьи гистоны атакуются главным репрессором или другими эпигенетическими ферментами (или же она транскрибируется рядом с этим геном). Трудно выяснить, как обстоит дело в реальности. Существующие данные вроде бы подтверждают: так и есть. Главный репрессор может связываться со всевозможными молекулами длинных некодирующих РНК. Комплекс, содержащий главный репрессор, способен распознавать те или иные типы гистонных модификаций — в зависимости от компонентов самого комплекса. Эти компоненты могут оказаться различными в разных клетках. «Сканируя» близлежащие гистоны, такие комплексы могут распознавать многообразные картины модификаций и усиливать их, добавляя к ним главные репрессивные модификации. А если данная область сильно насыщена модификациями, которые приводят к генетической экспрессии, этот комплекс может ингибироваться, и главный репрессор оставит гистоны в покое. Вот вам еще один пример того, что линейное мышление не всегда годится для рассуждений о том, что первично. Картина модификаций часто поддерживается или создается лишь как следствие комбинаций гистонных модификаций, уже имеющихся в геноме10,11.
Похоже, то же самое верно и для противоположного эффекта — когда активные участки остаются активными. Сообщалось о длинных некодирующих РНК, экспрессируемых на участках, где гены, кодирующие белки, находятся во включенном состоянии. Эти длинные некодирующие РНК остаются прикрепленными к тому геномному региону, где они вырабатываются. Тем самым они, вероятно, образуют своего рода третью нить в дополнение к двойной спирали ДНК. Эти длинные некодирующие РНК связываются с ферментами, которые нацепляют на ДНК метильные модификации. При этом такие РНК останавливают работу этих ферментов. А значит, гены данной области по-прежнему остаются в активном состоянии12.
Если вы неактивны, вы остаетесь неактивны
Может показаться странным, что эпигенетические модификации после клеточного деления всегда вновь появляются на нужной X-хромосоме. Приведем один довольно наглядный пример не из мира клеток. Допустим, у вас есть две бейсбольные биты. Одну из них вы покрыли магнитной краской (будем считать, что такая краска — аналог
Можно продолжить этот несколько чудноватый мысленный эксперимент. Даже если вы снимете цветки с биты и затем бросите ее в еще одну трубку, содержащую цветки с липучками-петельками, она снова покроется этими цветками. Можете даже ободрать с нее все диски, но если вы затем снова окунете магнитную биту сначала в первую, а затем во вторую трубку, такая бита все равно покроется цветками.
Собственно, сделать так, чтобы эта бита не покрылась цветками после погружения в две трубки, можно единственным способом — счистить с нее магнитную краску. По сути, именно это и происходит, когда женский организм вырабатывает яйцеклетки. Все инактивирующие метки удаляются с X-хромосом и из всех дочерних клеток. Иными словами, все яйцеклетки становятся «чистыми» — в том смысле, что они не передают инактивацию своему потомству. «Магнитную краску» придется заново нанести на одну из X-хромосом в ходе ранней стадии развития эмбриона.
Как заставить древних чужаков хранить молчание
Длинные некодирующие РНК явно взаимодействуют с эпигенетическими белками и помогают организму регулировать их функционирование. Впрочем, не стоит думать, будто это единственный путь, каким генетический мусор общается с эпигенетической системой. Вовсе нет. Мы уже видели в главе 4, что человеческий геном давно захвачен огромным количеством повторяющихся ДНК-последовательностей. Мы уже знаем, как важно поддерживать их в отключенном состоянии. Некоторые исследователи предполагают даже, что эпигенетический контроль экспрессии генов мог изначально возникнуть именно для того, чтобы держать в узде определенные мусорные области14. По их мнению, эпигенетическая система лишь позже вошла на новую для себя территорию регуляции нормальных эндогенных генов.
Впечатляющий пример взаимодействия между мусорной ДНК, эпигенетической системой, внешностью и поведением млекопитающего демонстрирует одна из генетических линий мышей — вполне жизнеспособная линия, полученная при скрещивании с желтыми агути. Все мыши этой линии генетически идентичны, но по виду весьма сильно отличаются друг от друга. Одни — толстые и желтые, другие — худые и бурые, а некоторые — нечто среднее. Такие различия во внешности вызваны различным протеканием процессов эпигенетической регуляции мусорной области ДНК. У этих мышей повторяющийся элемент ДНК-последовательности встроен в геном, где предшествует определенному гену. Этот элемент может случайным образом подвергаться метилированию, причем в различной степени. Чем сильнее метилирование, тем больше подавляется активность повторяющегося элемента ДНК-последовательности. А это, в свою очередь, влияет на близлежащий ген16. Именно уровни экспрессии этого гена в конечном счете и определяют, насколько толстой и насколько желтой будет мышь. Это упрощенно показано на рис. 9.1.
Эпигенетика и экспансия
Общение между эпигенетической системой и мусорной ДНК также одна из причин влияния некоторых генетических мутаций на организм. Классический пример — синдром ломкой X-хромосомы, описанный в главах 1 и 2. Мутация, вызывающая это заболевание, сводится к увеличению количества повторов триплета ЦЦГ (к экспансии этого триплета). Иногда в результате появляются тысячи его копий. Повторяющийся элемент содержит основание Ц, за которым следует основание Г: перед нами та самая последовательность ЦГ, о которой мы говорили выше как о мишени для метилирования ДНК. Когда количество повторов этой мусорной последовательности становится чрезвычайно большим, она теряет устойчивость к воздействию белков и ферментов, добавляющих метильную группу в ЦЦГ-мотив. В итоге клетка уже не может экспрессировать белок ломкой X-хромосомы. Следствие такого взаимодействия между мусорной ДНК и эпигенетической системой — целая человеческая жизнь, отягощенная трудностями в обучении и социальном общении.
Рис. 9.1.
Глава 10. Почему родителям так нравится мусор
Одна из первых библейских историй, с которыми знакомятся дети, воспитываемые в иудео-христианской традиции, повествует о сотворении мира. В Книге Бытия рассказывается о том, как Бог творит землю, небо и все, что на них есть. В конце концов Он создает Адама и Еву. Далее освоение нашего мира становится задачей этой парочки и их потомков. Жизнь людей идет уже без всякого Божественного вмешательства (если не считать известного христианского сюжета, о котором идет речь в Новом Завете).
История об Адаме и Еве прочно впечаталась в человеческое сознание. Возможно, это причина (или отражение) укорененного в нас простого биологического представления. Оно сводится к следующему: чтобы произвести на свет ребенка, нужны мужчина и женщина. С биологической точки зрения невозможно создать дитя при помощи двух мужчин, двух женщин или одной-единственной женщины.
Это кажется биологической данностью. Усомниться в ней практически никогда и никому не приходит в голову. Ведь человек, подобно всем прочим живородящим млекопитающим, принадлежит к единственному классу животных, где никогда не происходит «непорочного» рождения. Для появления потомства яйцеклетку млекопитающего должен оплодотворить сперматозоид. Однако во всех прочих классах встречаются примеры самок, которые порождают живых отпрысков без всякого спаривания. И это не ограничивается низшими классами вроде насекомых. На такое способны некоторые виды рыб, амфибий, рептилий и даже птиц. А вот млекопитающие так делать не умеют. Это позволяет предположить, что такой запрет на однополое воспроизводство (девственное размножение, партеногенез) возник сравнительно недавно (по эволюционным меркам), вскоре после отделения друг от друга эволюционных ветвей млекопитающих и пресмыкающихся, то есть немногим более 300 миллионов лет назад.
Можно предположить, что такая неспособность млекопитающих к партеногенезу — скорее вопрос доставки генетического материала, чем следствие каких-то фундаментальных биологических причин. Вероятно, две яйцеклетки млекопитающих просто не могут слиться, а значит, не могут и образовать зиготу, которая затем даст начало всем остальным клеткам нового организма. Следовательно, млекопитающим нужен для размножения донор мужского пола, ибо только сперматозоид способен проникнуть в яйцеклетку и доставить по назначению свой груз ДНК. Ну да, яйцеклетки млекопитающих при обычных условиях действительно не могут сливаться друг с другом. Но это не очень-то удачное объяснение. Реальное объяснение куда интереснее. Его продемонстрировали в ходе серии изящных экспериментов в середине 1980-х годов. Модельной системой, как частенько бывает, служили мыши.
Экспериментаторы выделили оплодотворенные мышиные яйцеклетки и удалили ядро из каждой такой яйцеклетки. Затем они ввели в эти яйцеклетки ядра из других яйцеклеток или из сперматозоидов, после чего поместили их в матку мышиной самки-реципиента. Результаты схематически показаны на рис. 10.1.
Живые мыши в таких случаях появлялись на свет, если яйцеклетку одновременно снабжали ядром другой яйцеклетки и ядром сперматозоида. Если в яйцеклетку одновременно встраивали два ядра других яйцеклеток или два ядра сперматозоидов, эмбрионы некоторое время развивались, но очень скоро погибали. С генетической точки зрения это выглядело весьма непонятно. Ведь во всех трех системах «восстановленная» яйцеклетка содержала нужное количество ДНК. В смысле ДНК-последовательности нет особой разницы между ДНК сперматозоида и ДНК яйцеклетки. К тому же эксперименты специально проводили так, чтобы донорские яйцеклетка и сперматозоид давали реципиенту по одной X-хромосоме. Во всех трех случаях использовались одни и те же ДНК-последовательности. Однако живое потомство рождалось лишь в том случае, когда эти ДНК-последовательности одновременно предоставляли самец и самка1.
Рис. 10.1. Если в «пустую» яйцеклетку, утратившую собственное ядро, встроить ядро другой яйцеклетки и ядро сперматозоида, в результате появится на свет живая мышь. Если встроить в нее два ядра яйцеклеток или два ядра сперматозоидов, получившиеся эмбрионы не будут развиваться нормально. Однако во всех трех случаях мы имеем дело с одной и той же генетической информацией.
Мы почти уверены, что такое требование одновременного присутствия яйцеклетки и сперматозоида применимо не только к мышам. У человеческих особей встречается заболевание, именуемое пузырным заносом (хориоаденомой, доброкачественной гестационной трофобластической болезнью). Женщина, страдающая им, может казаться беременной, набирать вес, часто испытывать острую утреннюю тошноту. Однако сканирование тела выявляет у нее лишь аномально увеличенную плаценту, полную пузырей с жидкостью, а никакого эмбриона не обнаруживается. В среднем на каждые 1200 беременностей наблюдают один случай пузырного заноса, хотя в некоторых азиатских популяциях этим заболеванием страдает одна из 200 беременных. Возникшее образование спонтанно абортируется примерно через 4-5 месяцев после оплодотворения, хотя в странах с развитой пренатальной медициной врачи удаляют его раньше, чтобы предотвратить развитие потенциально опасных опухолей.
Генетический анализ такой аномалии дает массу ценной информации. Оказывается, в большинстве случаев пузырный занос возникает, когда сперматозоид попадает в яйцеклетку, в которой почему-то нет ядра. Все 23 хромосомы сперматозоида честно копируются, и количество хромосом, как и положено, становится равным 46. Примерно в одной пятой случаев пузырный занос происходит, когда два сперматозоида одновременно проникают в одну из необычных безъядерных яйцеклеток: при этом, опять-таки, в ней оказывается правильное количество хромосом. Как и в вышеизложенных экспериментах с мышами, пузырное образование содержит нужное число хромосом, однако их дает лишь один из родителей, что и приводит к серьезным нарушениям развития эмбриона.
Случаи пузырного заноса и опыты на мышах показали нечто весьма фундаментальное. Они продемонстрировали, что гаметы (яйцеклетка и сперматозоид) снабжают будущий организм еще какой-то информацией помимо генетического кода. Ведь наблюдаемые явления попросту невозможно объяснить, исходя лишь из количества ДНК или характера ДНК-последовательности. В сущности, это явление относится к области эпигенетики. Теперь нам известно, что на молекулярном уровне оно объясняется взаимодействием эпигенетической системы с мусорной ДНК.
Откуда берется ДНК
Ученые обнаружили: некоторые области ДНК несут в себе эпигенетические модификации, как бы сообщающие: «Я — от матери» или «Я — от отца». Это так называемый родительский эффект (parent-of-origin effect). В этих областях генома для нормального развития требуется, чтобы потомок унаследовал одну копию определенного гена (или генов) от матери и одну — от отца.
Такие эпигенетические модификации — не просто голубенькие или розовенькие украшения, показывающие, кто предоставил вам копию гена. Эти модификации контролируют экспрессию определенных генов таким образом, чтобы в каждой паре один включался (скажем, тот, что унаследован от отца), а другой (в данном случае — доставшийся от матери) выключался. Этот процесс называется импринтингом («впечатыванием»): в гены «впечатывается» информация об их происхождении (то есть от кого из родителей они унаследованы).
Обычно то, что клетка экспрессирует две копии гена, кодирующего белок, предоставляет ей своего рода страховку. Даже если одна из копий претерпит мутацию или окажется неправомерно подавленной посредством аномальных эпигенетических модификаций, у клетки все равно останется запасная, нормальная копия. Но если одна из таких копий отключилась из-за импринтинга, клетка становится более подверженной случайному отключению другой копии. Однако некоторые гены в клетке все-таки идут на такой риск, что означает: преимущества импринтинга должны перевешивать его недостатки.
Не случайно такая система возникла лишь у млекопитающих. Самки млекопитающих вносят необычайно большой вклад в развитие своего потомства. Они долго держат детеныша внутри своего тела, делясь с отпрыском питательными веществами через плаценту. Ну да, многие представительницы других классов тоже очень заботятся о своем потомстве. Птицы высиживают яйца, крокодилы хитроумно располагают кладку в гнезде, тщательно регулируя ее температуру. Однако ни у какого другого класса самка не кормит развивающийся эмбрион столь обильно и активно.
Уровень материнской заботливости сдерживается эволюционными причинами. Чтобы успешно передать гены детенышу, самка млекопитающего предпочла бы иметь несколько шансов на такую передачу. Вполне возможно, что ей могут встретиться на жизненном пути другие партнеры, более подходящие (в эволюционном смысле), чем тот, чье потомство она сейчас несет в себе. Поэтому, хотя она многое вкладывает в каждую беременность, самка обладает способностью спариваться неоднократно, что вполне логично. При этом она получит явные эволюционные преимущества, если постарается сделать так, чтобы развивающийся эмбрион (или эмбрионы) получал от нее достаточно питательных веществ. Благодаря этому он будет иметь более высокие шансы на выживание и последующее размножение. Однако не стоит отвлекать на эмбрион такое количество питательных веществ, чтобы их не хватало матери. Во всяком случае, она не должна в результате погибать или утрачивать способность давать потомство.
А вот с самцом история несколько иная. Если его потомок вытянет из матери столько соков, что она больше не сможет размножаться, самцу на это будет, в общем, наплевать. В эволюционном смысле он хочет от наследника лишь одного: чтобы он питался как можно лучше и был как можно сильнее. Тогда у него будут наивысшие шансы на успешное достижение половой зрелости и передачу генов собственным потомкам. Самец, скорее всего, будет спариваться и с другими самками: лишь сравнительно небольшое число видов млекопитающих образует пару на всю жизнь.
Самки млекопитающих не в состоянии решать, какую долю питательных веществ передавать эмбриону, обитающему в утробе. Это вам не птицы — те-то могут раньше времени бросить гнездо. Поэтому эволюция добилась эпигенетического перемирия в этой гонке питательных вооружений. Возник механизм импринтинга, позволяющий сбалансировать конкурирующие требования мужского и женского вклада в геном. У небольшого количества генов эпигенетические модификации ДНК, наследуемой от отца, задают характер генетической экспрессии, способствующий росту эмбриона. Но у тех же генов иной характер генетической экспрессии, задаваемый эпигенетическими модификациями ДНК, наследуемой от матери, оказывает на эмбрион противоположное действие.
В ходе развития эмбриона определенные отцовские гены часто способствуют экспрессии большой и эффективной плаценты, ведь именно этот орган питает эмбрионы. Вот почему при пузырном заносе, когда весь генетический материал поступает от отца, развивается аномальная и очень крупная плацента.
Отключение посредством включения
Среди генов, кодирующих белки, импринтингу подвергаются немногие. У мышей таких генов около 1402. Они образуют кластеры из 2-12 генов. Многие из этих кластеров довольно похожи на аналогичные кластеры, существующие в человеческом геноме3. Кстати, у сумчатых количество генов, подвергающихся импринтингу, гораздо ниже, ведь эти животные кормят свое потомство в утробе относительно недолго4.
Определяющий компонент каждого такого кластера — область мусорной ДНК, которая управляет экспрессией генов, кодирующих белки. Этот определяющий компонент называется областью, контролирующей импринтинг (ОКИ, imprinting control element, ICE). Представьте, что вам надо осветить комнату при помощи двенадцати лампочек. Если вы хотите менять уровень освещенности, можно использовать лампочки с разной светимостью и отдельные выключатели для каждой. Но это довольно трудоемкий способ контролирования общего уровня освещенности. Лучше организовать всю эту дюжину лампочек в единую цепь и управлять ими одновременно — с помощью обычного выключателя или реостата (если вам хочется большей плавности).
ОКИ действует как общий реостат, однако тут есть небольшое отличие от нашей электрической аналогии. ОКИ играет важную роль благодаря тому, что она способствует экспрессии длинной некодирующей РНК. Эта РНК способна подавлять экспрессию генов окружающего кластера. По сути, импринтинг зависит от двух типов мусорной ДНК: геномных областей, контролирующих импринтинг, и тех длинных некодирующих РНК, на которые ОКИ оказывают контролирующее действие. Если в определенном кластере включается длинная некодирующая РНК, она подавляет экспрессию входящих в этот кластер генов, кодирующих белки. С другой стороны, если длинная некодирующая РНК, управляемая ОКИ, подавляется, то гены кластера, кодирующие белки, могут активироваться.
Импринтинг в высочайшей степени зависит от мусорной ДНК и ее общения с эпигенетической системой. Область, контролирующую импринтинг, можно эпигенетически модифицировать. Экспрессия длинной некодирующей РНК зависит от того, метилирована ли ДНК в области, контролирующей импринтинг. Если метилирована, то это препятствует экспрессии данной некодирующей РНК. Если же ОКИ избежала метилирования, эта длинная некодирующая РНК все же будет экспрессироваться. В сущности, тут идут взаимозависимые процессы. Если длинная некодирующая РНК экспрессируется, то гены, расположенные в кластере на той же хромосоме, будут подавляться. Если же длинная некодирующая РНК не экспрессируется, гены, расположенные в кластере на той же хромосоме, будут включаться. Длинная некодирующая РНК в зонах, подвергшихся импринтингу, иногда может иметь невероятную длину, доходящую до 1 миллиона нуклеотидных оснований: ошеломляющая цифра5.
К сожалению, мы пока довольно поверхностно разбираемся в конкретных механизмах, используемых длинной некодирующей РНК для подавления экспрессии близлежащего кластера генов. Здесь тоже наверняка не обошлось без эпигенетической системы, которая помогла внести репрессивные эпигенетические модификации в гены, кодирующие белки. Если в развивающемся эмбрионе подавляются ключевые эпигенетические гены (скажем, главный репрессор, с которым мы познакомились в главе 9), некоторые из генов, подвергшихся импринтингу, экспрессируются, хотя при обычных условиях они бы оставались в выключенном состоянии6. И это верно не только для главного репрессора. Выключение других эпигенетических генов, порождающих репрессивные гистонные модификации, оказывает похожее воздействие7,8. Это лишний раз показывает, какую важную роль играет эпигенетическая система в выполнении инструкций, содержащихся в длинной некодирующей РНК. Вероятно, такие процессы происходят благодаря тому, что длинная некодирующая РНК привлекает соответствующие ферменты к кластеру, подвергшемуся импринтингу, тем самым таргетируя гистонные модификации генов, кодирующих белки.
Эпигенетические модификации есть и в самой ОКИ. Как и следовало ожидать, при метилировании ДНК в области, контролирующей импринтинг, именно гистонные модификации непосредственно влияют на отключение генов. Если же ОКИ не метилирована, то эти гистонные модификации влияют на включение генов. Характер распределения эпигенетических модификаций в ОКИ — один и тот же и во всей ДНК, и в ее гистонах9.
В ходе импринтинга определяющим фактором является то, метилирована ли мусорная ДНК, образующая эту область. Высказываются предположения, что сам процесс метилирования областей, контролирующих импринтинг, возник, когда подавление близлежащих паразитических элементов (мы описывали такие элементы в главе 4) стало распространяться и на соседние зоны. Возможно, это создало преимущество с точки зрения приспособленности, поэтому в ходе естественного отбора такая особенность передалась и последующим поколениям10. Но вот один интригующий факт. У самых примитивных млекопитающих — яйцекладущих существ вроде утконоса и ехидны — необычно мало паразитических элементов близ тех регионов генома, где мы могли бы ожидать найти области, контролирующие импринтинг у более высокоразвитых млекопитающих11.
Как провести импринтинг заново
Но каким же образом характер метилирования закрепляется в ОКИ современных млекопитающих и передается из поколения в поколение? Ведь он не зависит от различий в ДНК-последовательностях между геномами, унаследованными от матери и отца. Как же он укореняется в геноме? Допустим, женщина унаследует зоны, подвергшиеся импринтингу, от своего отца. В них ОКИ особым образом метилированы/не метилированы: характер метилирования подтверждает, что она унаследовала этот участок генома от своего папаши. Но если она передаст ту же импринтированную зону своему отпрыску, все следы отцовского импринтинга неизбежно сотрутся. На смену им придет характер метилирования, показывающий, что он унаследован от матери.
На первый взгляд кажется, что тут полно внутренних противоречий. Возможно, в этой путанице легче разобраться, если вновь обратиться к миру мюзиклов. Речь пойдет уже не об Оскаре Хаммерстайне, а о Хэле Дэвиде — поэте-песеннике, который долгое время сотрудничал с композитором Бертом Бакараком. Именно они сочинили песенки для киномюзикла 1973 года «Потерянный горизонт». Одна из них стала весьма известной. В ней есть полезная для нас идея: «Мир — круг без начала и конца». Процессы развития гораздо легче представить себе именно как такие бесконечные круги, а не как прямые линии. Такой цикл «надень—сними—надень», свойственный возникновению ОКИ, подвергающейся импринтингу, схематически показан на рис. 10.2. Мы видим, что яйцеклетки всегда передают потомству материнскую картину метилирования ОКИ. Такой же процесс позволяет сперматозоиду всегда передавать потомству отцовскую картину метилирования.
Рис. 10.2. Циклы метилирования и деметилирования обеспечивают процесс передачи потомству хромосом, которые содержат нужные модификации, указывающие на то, от какого родителя передан материал.
Разумеется, эта схема порождает свои вопросы. Каким образом развивающиеся яйцеклетки и сперматозоиды идентифицируют области, контролирующие импринтинг? И откуда они знают, какие области надо метилировать, а какие — нет? Сейчас этими проблемами активно занимаются ученые. Возможно, для каждой ОКИ процесс проходит по-своему. Возможно, в мужских и женских половых клетках он также протекает по-разному. Честно говоря, многое здесь пока остается тайной. Однако мы все-таки сумели кое-что прояснить. Мы знаем, что в материнской зародышевой (генеративной) линии, то есть в клетках, порождающих яйцеклетки, важнейшую роль в этом процессе играют ферменты, способные пристраивать метильные группы к неметилированным ЦГ-мотивам ДНК[26],12. После этого сложившийся характер метилирования активно поддерживается ферментом, чья функция как раз и состоит в сохранении существующей картины метилирования[27],13. Вероятно, другие белки также вовлечены в формирование и поддержание нужных картин метилирования. Некоторые из них, возможно, селективно экспрессируются в развивающихся половых клетках.
Как же ферменты половых клеток ухитряются распознавать области, контролирующие импринтинг, среди прочей геномной ДНК? Опять-таки, здесь наши знания неполны. Впрочем, предполагается, что тут могут играть роль некоторые повторяющиеся последовательности в этих особых зонах мусорной ДНК14. У разных видов эти конкретные последовательности могут существенно отличаться по составу. Но они могут выглядеть куда более схоже, если рассмотреть их трехмерную структуру. Возможно, клетка умеет как-то распознавать их не по составу последовательности, а по форме15. Это чем-то напоминает результаты исследований длинных некодирующнх РНК из главы 8.
Хотя ученые пока не ответили на массу вопросов, касающихся импринтинга, они убеждены: именно из-за этого процесса в создание потомства вносят вклад оба пола. В 2007 году сложный комплекс экспериментов по спариванию генетически модифицированных мышей показал, что все-таки можно получать жизнеспособных мышей, встраивая два ядра яйцеклеток в одну оплодотворенную яйцеклетку. Это удалось сделать, искусственно изменив характер импринтинга в двух зонах мышиного генома. В одном из яйцеклеточных ядер создали картину метилирования, похожую на нормальную отцовскую, а не на материнскую. Так экспериментаторы обманули механизмы развития, заставив их поверить, будто генетический материал происходит от самца, а не от самки. Опыты продемонстрировали особенно значимую роль, которую играют эти две зоны, подвергшиеся импринтингу, в процессах контролирования развития организма. Кроме того, опыты показали и то, что единственное реальное препятствие на пути «двуматеринского» размножения — картина метилирования ДНК в ключевых генах. Эксперименты стали опровержением предыдущей гипотезы, согласно которой для размножения требуется сперматозоид, поскольку он сам по себе несет необходимые «сопутствующие факторы», такие, как определенные белки или молекулы РНК, необходимые для того, чтобы должным образом запустить развитие эмбриона16.
Вернемся к рис. 10.2. Легко видеть, что характер импринтинга может меняться в ходе развития организма. Похоже, такой контроль экспрессии генов, задаваемый при помощи импринтинга, особенно важен именно в процессе развития. Так, у мышей большинство из примерно 140 импринтируемых генов демонстрируют импринтинг лишь в плаценте. Во взрослых тканях либо экспрессируются обе копии каждого из таких генов, либо не экспрессируется ни одна из копий. Вот еще одно подтверждение того, что именно контроль роста на ранних стадиях развития, вероятно, стал главной причиной возникновения импринтинга у некоторых представителей царства животных. По-видимому, тут сыграл роль «географический» фактор. В кластерах импринтинга ближайшие к ОКИ гены могут сохранять импринтинг во всех тканях. Однако гены, находящиеся дальше от этого «контрольного центра», проявляют импринтинг лишь в плаценте. Похоже, некоторые типы клеток мозга особенно склонны к сохранению импринтинга, хотя в большинстве случаев среди ученых нет единого мнения о том, почему это приносит эволюционные преимущества. Выдвигались предположения, что длинные некодирующие РНК, вырабатываемые в ОКИ, способствуют ДНК-метилированию ближайших генов, однако при этом привлекают гистонные модификации к более отдаленным генам кластера17. Поскольку гистонные модификации легче изменять, чем картину метилирования ДНК, такие изменения могут служить механизмом освобождения более отдаленных генов от импринтинга (по мере взросления тканей).
Итак, импринтинг действительно происходит, и мы уже начали проникать по крайней мере в некоторые его механизмы. Вспомним гипотезу, согласно которой импринтинг появился для того, чтобы уравновесить конкурирующие эволюционные стремления матери и плода (плода — а значит, косвенным образом, и отца). В свете этой гипотезы неудивительно, что большинство генов, кодирующих белки и контролируемых при помощи импринтинга, вовлечены в рост эмбриона, в процессы грудного вскармливания, а также в метаболические процессы18. Не приходится удивляться и тому, что при нарушениях импринтинга самые распространенные симптомы — дефекты роста и развития.
Когда импринтинг идет не так
Исследования расстройств, связанных с импринтингом, по-настоящему начались в 1980-е годы, когда впервые стала возможной идентификация генов, связываемых с наследственными заболеваниями. Для этого, в частности, отыскивали семьи, где хотя бы один человек страдал от данной болезни, и затем проводили в этих семьях анализ, пытаясь приблизительно выявить область хромосомы, ставшую причиной заболевания. Сегодня мы можем проделывать это довольно легко, ведь у нас есть полная расшифровка нуклеотидной последовательности нормального человеческого генома и доступ к весьма дешевым технологиям секвенирования. Однако тогда, в 1980-е, найти мутацию, вызывающую болезнь, было не так-то просто — все равно, что отыскать определенную перегоревшую лампочку, когда известно лишь, что она перегорела в каком-то американском доме. Для выявления мутаций, причин той или иной болезни, требовались годы упорного труда больших коллективов ученых.
Целый ряд таких научных групп занимался синдромом Прадера-Вилли. Младенцы, родившиеся с этим синдромом, слишком мало весят при появлении на свет, а кроме того, у них нарушен сосательный рефлекс. Лишь после отлучения от груди у них начинает нормально развиваться тонус мышц, а до этого младенческое тельце довольно вялое. По мере взросления у таких детей просыпается ненасытный аппетит. В результате у них рано возникают экстремальные формы ожирения. Кроме того, они страдают от умственной отсталости, пусть и проявляемой в мягкой форме19.
Совершенно другая группа ученых занималась исследованием заболевания с совсем иными симптомами. Речь идет о синдроме Ангельмана. У детей с этим синдромом маленькая, недоразвитая голова, они с трудом обучаются, а кроме того, очень поздно переходят на твердую пищу. Такие дети склонны к беспричинным взрывам смеха. К счастью, отвратительно-бестактное описание этих пациентов как «счастливых манекенов» употребляется сейчас все реже20.
Представьте, что вы прокладываете железную дорогу через весь континент. Одна бригада рабочих начинает с востока и продвигается на запад, а другая идет ей навстречу. Вначале бригады находятся на совершенно различных территориях, однако постепенно сближаются. В конце концов (если все идет как надо), они встречаются в некоей точке, пожимают друг другу руки, выпивают в честь окончания работы. Что-то подобное случилось и с группами, исследовавшими синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана. Только вот ученые, в отличие от железнодорожных рабочих из нашего примера, вовсе не ожидали, что встретятся. Они считали, что строят независимые железные дороги в совершенно разные города. И все-таки они очутились в одном и том же месте.
По мере того, как набирало обороты картирование хромосомных зон, ответственных за синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана, становилось все яснее, что на эти два заболевания влияет одна и та же область генома. Поначалу выдвигалось наиболее очевидное предположение: причина этих заболеваний — два разных гена, расположенных очень близко друг от друга. Однако в конце концов выяснилось, что оба этих заболевания вызывает дефект на одном и том же строго определенном участке генома.
Оба недуга имеют одну и ту же генетическую подоплеку — утрату небольшого участка хромосомы 15. Родители больных детей не страдали от этих заболеваний. Когда ученые исследовали хромосомы родителей, выяснилось, что эти хромосомы у них не повреждены. Утрата важнейшего участка хромосомы 15 происходила в процессе формирования яйцеклеток или сперматозоидов[28].
Поделиться книгой: