Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает
Шрифт:
После всех этих открытий начало создаваться впечатление, что модель работает, и казалось, что наука встала на путь решения проблемы, которая занимала нас в предыдущем разделе. Загадка, кто именно отвечает за чтение метилирования ДНК, казалась почти решенной… Но для того чтобы пазл сошелся, все еще не хватало одной важной детали: какое отношение между метилированием ДНК и компактизацией хроматина?
После изнуряющих исследований что-то начало проясняться: существуют белки, или ядерные факторы, которые обладают способностью распознавать метилированную или неметилированную ДНК и присоединяться к ней в зависимости от ее состояния. Эти факторы,
с помощью какого-то
Поиск этой модели стимулировал исследования в погоне за открытием факторов, способных различать метилированную и неметилированную ДНК.
Исследования продолжались, и в начале 1990-х годов группа ученых из Эдинбургского университета отделила от клеточного ядра два белка, способных присоединяться к метилированной ДНК.
Эти белки были названы MeCPl и МеСР2, и на протяжении последующих лет была проделана колоссальная работа по их анализу: были задействованы различные учреждения, преимущественно лаборатория Эдинбургского университета (центр клеточной биологии Welcome Trust под руководством профессора Эдриана Берда, с 1999 по 2011 год) и лаборатория Национального института здоровья США под началом Алана Вольфа.
В первую очередь исследовательская группа Берда определила, какая именно часть белка МеСР2 придает ему способность присоединяться к метилированной ДНК. Этот фрагмент состоит еще из четырех белков, идентифицированных немного позднее, и сейчас они известны как MBD1, MBD2, MBD3 и MBD4. Все они, наряду с МеСР2, составляют семейство белков, умеющих связываться с метилированной ДНК. Какое-то время спустя обе упомянутые лаборатории смогли независимо друг от друга доказать, что каждый из этих белков формирует комплексы, то есть создает связи с другими белками, которые модифицируют хроматин.
Что особенно важно, комплекс, к которому относится МеСР2, модифицирует гистоны, добавляя знаки. На самом деле МеСР2 и другие белки из этого семейства действуют как посредники между метилированной ДНК и определяют степень компактизации хроматина.
Значимость открытия этих белков заключалась в установлении связи между метилированием ДНК и модификациями хроматина в момент определения состояния активированности или инактивированности генов. Это стало переломным моментом, потому что объясняло механизм подавления активности генов путем метилирования ДНК. Кроме того, позднее обнаружилось, что МеСР2, вне зависимости от участия в метилировании, оказался чрезвычайно важным белком для здоровья человека, так как его мутация порождает синдром Ретта, вторую (после синдрома Дауна) по частотности причину задержки умственного развитии у женщин.
И еще одно не менее важное последствие заключалось в том, что эти открытия и их распространение способствовали контактам и обмену информацией между исследовательскими группами, которые работали параллельно над отдельными областями: метилирование ДНК и его влияние на болезни человека, рак и исследования хроматина, — объединяя под общим знаменем ученых из разных университетов и стран.
Таким образом произошло открытие метилирования ДНК как эпигенетического изменения, позволяющего клетке модулировать экспрессию генов, на которые было оказано воздействие, и как механизма изменения структуры хроматина.
Тогда следующий шаг (да, как мы знаем, в науке одно открытие никогда не дает ответа на все вопросы, всегда что-то остается…) заключался в решении, что же определяет метилирование ДНК и как оно передается
Ответ не так прост: метилирование ДНК возникает как следствие действий целого специального механизма и является продуктом деятельности некоторых ферментов, называемых ДНК-метилтрансферазами (DNMT). Этот механизм занимается размещением метильных групп на цитозины, как будто он авто корректор, который ставит точки над «ё» в словах после того, как они уже написаны.
DNMT занимаются переносом метильных групп из молекулы, называемой SAM (S-аденозилметионин), на аденин и особенно на цитозин ДНК. И как будто этого мало, DNMT бросают вызов догме молекулярной биологии, потому что внедряют в ДНК наследуемую информацию, которая не закодирована в последовательности нуклеотидов.
Напомним, что дупликация или репликация ДНК должна происходить до деления клетки. ДНК реплицируется благодаря комплементарности оснований. В процессе используются свойства цепей, которые составляют ДНК, чтобы копировать их. При репликации 5-метилцитозин ведет себя точно так же, как цитозин без метильной группы. В результате репликации одна из цепей метилирована (на некоторых из своих цитозинах, как и первоначальная модель), а другая нет (рисунок 6).
Рис. 6. Репликация ДНК, начиная с которой каждая дочерняя цепочка генерирует цепочку, ей комплементарную (на рисунке А соответствует А, Т — Т, G — Г, С — Ц)
Необходим дополнительный механизм, или, как показано выше, автоматический корректор, занимающийся расстановкой ударений в комплементарной цепи, которая сформировалась заново и которая сейчас не метилирована. А также очень важно, чтобы как минимум одна из цепей осталась метилированной в дочерней цепочке ДНК. A DNMT (белки, которые гарантируют, что эта новая цепочка ДНК метилировалась) поддерживают метилирование в дочерних клетках, расставляя ударения, или метильные группы, на цитозин в паре CpG, комплементарной метилированным CpG.
Итак, существует другой тип DNMT: они известны под именем DNMT de novo и являются главными ответственными за метилирование пар CpG.
На сегодняшний день все еще неизвестно, кто отдает приказы, чтобы эти DNMT de novo приходили в движение, но, тем не менее, уже доказано, что их дисфункция катастрофична для клетки, потому что метилирование CpG-островков, которые не должны быть метилированы, заставляет выключаться транскрипцию генов. Этот феномен называется «транскрипционный сайленсинг».
Хроматин
А сейчас поговорим немного об одном важном процессе, о котором не стоит забывать, и раз уж он так важен, мы используем метафору, которая, надеемся, будет достаточно наглядна. Наша ДНК не раздета, она стыдливо, но элегантно прикрыта оболочкой из белков, которые формируют то, что мы называем хроматином. Он похож на бусы из жемчужин-белков, нанизанных на нить ДНК.
Традиционно хроматин (другими словами, наши прекрасные жемчужные бусы) считался статичным образованием с исключительно структурирующей ролью, так что открытие деталей механизмов, которые связывают метилирование ДНК с клеточными механизмами, модифицирующими хроматин, стало событием особой важности, так как дало новый импульс в исследовании активной роли хроматина в контроле деятельности генов.