Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает
Шрифт:
Действительно, речь идет об основаниях, которые подверглись изменениям после внедрения в ДНК. Это как если бы кто-нибудь поставил ударение над буквой после того, как ее написал. Самый распространенный вариант — 5-метилцитозин. Тогда, продолжая нашу метафору, ударение было бы метильной группой, которая делает Ц (цитозин) ударной (единственное метилируемое основание у млекопитающих).
Эта вариация настолько частотна, что ученые всерьез обсуждают вопрос, можно ли считать ее пятой буквой. Однако последние исследования показывают, что не стоит торопить события, поскольку 5-метилцитозин по-прежнему формирует пару с гуанином в
В таком случае зачем вообще делать Ц ударной?
Спокойно, чуть позже мы ответим на этот вопрос.
Метилирование ДНК
Метилирование ДНК, то есть добавление химической группы, называемой метильной группой, к другому веществу, имеет глубокое воздействие на форму экспрессии генов. Как если бы речь шла о письменном языке, ударение на основании Ц (цитозин) с метильной группой имеет собственные правила. Обычно цитозин метилирован, когда за ним следует гуанин. То есть метилирование цитозина появляется в комбинациях цитозин-гуанин (CG) или CpG (где «р» обозначает фосфат, который скрепляет цитозин и гуанин).
Так как ДНК состоит из комплементарных цепей, метилируется как цитозин, являющийся частью последовательности CpG, так и цитозин из комплементарной последовательности. Но самое важное заключается в том, что эти «ударения» должны быть прочитаны механизмом в ядре клетки. Это как если бы ДНК благодаря такой постановке ударений передавала двойную информацию: ту, что предназначается для определенной последовательности, и ту, что появляется благодаря ударениям над некоторыми Ц.
При метилировании ДНК появляется любопытный феномен: один и тот же физический субстрат — тот же самый текст — используется для предоставления двойной информации. Это как смотреть фильм с субтитрами. С одной стороны, есть сообщение, закодированное в текст, привычным нам языком букв, и с другой — есть метилирование, которое расставляет акценты на определенных словах в последовательностях CpG, чтобы транслировать второе сообщение, до этого неизвестное.
Последовательность ДНК млекопитающих показывает, что комбинация CpG не так уж и распространена в их геноме. Цитозин и гуанин по отдельности появляются довольно часто, но комбинации CpG единичны. С другой стороны, анализ генома также показывает нам, что распределение динуклеотидов CpG неоднородно, так как хотя глобально эти CpG последовательности довольно частотны, все же появляются короткие участки, где их плотность повышена. Эти участки называются CpG-островками именно потому, что на этих участках длиной от 500 до 2000 оснований ДНК частотность CpG очень высока. Однако самое интересное заключается в том, что эти CpG-островки не связаны ни с одним из перечисленных факторов, но, как правило, они совпадают с регуляторными участками генов.
Напомним, что именно регуляторные участки генов, в отличие от кодирующих участков (которые содержат информацию для синтеза белков), контролируют, где и как активируется этот ген. А так как эти регуляторные участки многих генов богаты CpG, это равносильно тому, как если бы они были готовы стать ударными с помощью метильных групп.
Если анализировать состояние метилирования цитозина в CpG млекопитающих, можно обнаружить интересный
Тогда на кого вообще все это влияет?
С тех пор как было открыто метилирование ДНК, одним из феноменов, с которыми оно оказалось связано, была транскрипционная активность, то есть процесс «копирования» с целью получения РНК.
Остановимся на этом более подробно: ДНК содержит инструкции в генах для формирования белков, но эта информация «копируется», или транскрибируется, в другую молекулу — РНК, и она уже в конечном счете считывается, чтобы белок мог сформироваться. Так вот, было обнаружено, что когда последовательность метилируется, транскрипция репрессируется (другими словами, ген «выключается»).
Что это значит? Что метилирование CpG-островков действует как знак запрета транскрипции гена, который был метилирован.
И какой самый важный вывод мы можем сделать на основе этого последнего утверждения?
Что ДНК — наследуемый материал, обладает двойным функционалом: с одной стороны, содержит в своей последовательности инструкции для формирования белков, копируясь сначала в РНК, с другой — в условиях метилирования приобретает информацию с целью инициировать или задержать механизм формирования белков.
Но кто считывает метилирование ДНК?
В последние годы в лабораториях интенсивно изучается, какие именно факторы ядра интерпретируют данные, закодированные в конкретном профиле метилирования. А именно, ученые задались вопросом, существуют ли системы, направленные на чтение информации, закодированной в определенном профиле метилирования, схожие с системой считывания информации, содержащейся в последовательности ДНК, и ее трансляции в белки через генетический код.
Сейчас мы это проверим.
Генетический код — соответствие, которое связывает различные комбинации из трех азотистых оснований с соответствующими аминокислотами. Например, когда в мРНК появляются три азотистых основания GAG, это служит сигналом для присоединения аминокислоты, называемой глютаминовой кислотой, а когда появляются основания AGA, это означает, что она должна присоединиться к белку, который формируется из аргининовой аминокислоты.
Открытие того, что метилирование приводит к формированию более компактных и недоступных структур хроматина, пролило свет на изменения, связанные с метилированием ДНК: структура хроматина становится более компактной, когда ДНК, которая его составляет, метилирована. С другой стороны, ученые пришли к еще одному выводу, который вполне сочетается с предыдущим, о связи метилирования ДНК с уменьшением транскрипционной активности.
И каковы же последствия компактизации хроматина?
Из-за метилирования регуляторные участки генов становятся менее доступными транскрипционным механизмам, вследствие чего снижается транскрипционная активность, то есть экспрессия генов.