Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки

Чтобы понять, что такое эпигеном и эпигенетика, сначала нужно прояснить, что такое геноми генетика. Геном — это совокупность генов того или иного организма. Генетика — наука, изучающая механизмы реализации генетической информации и передачи генов потомству. Соответственно, эпигеном — совокупность специфических меток, определяющих активность генов, но не затрагивающих первичную структуру ДНК. Эпигеном (приставка «эпи-» в переводе с греческого означает «над») представляет собой своеобразный регуляторный слой, расположенный как бы «над» геномом клетки. Условно говоря, эпигеном раздает команды, какие гены должны работать (экспрессироваться), а какие — отдыхать (или «молчать», то есть находиться в состоянии сайленсинга). Эпигенетика — научное направление, изучающее эпигенетические модификации генома, пути реализации состояний генов, их передачу в клеточных генерациях и механизмы регуляции наследственной информации (без изменения нуклеотидной последовательности) в ответ на действие внешних факторов [1].

Со времени первых открытий в области генетики и до недавних пор в науке прочно укоренилось представление о том, что структура ДНК — это единственный носитель наследственной информации. Благодаря крупномасштабным расшифровкам геномов, в том числе человеческого [2], была раскрыта природа гена и мутаций — нарушений генетической записи, — поняты принципы организации ДНК, изучены последовательности нуклеотидов, обусловливающие наследственные патологии. Было установлено, что генетическая информация человека хранится в 23 парах хромосом, содержащих 20–25 тысяч генов (оказалось, что точно определить их количество тоже не очень-то просто [3]), или три миллиарда пар нуклеотидов, несущих азотистые основания преимущественно четырех типов: аденин, тимин, гуанин, цитозин (сокращенно — А, Т, Г, Ц). Однако роль внешних факторов в механизмах реализации генетической информации была сведена к минимуму. Проще говоря, ученые считали: что записано в генόм, того не вырубишь топором [4].

Действительно, ДНК — это основа основ большинства жизненных форм. В ее структуре записано всё о живом организме, начиная с его видовых характеристик, морфологических параметров, предрасположенностей к болезням, заканчивая типом высшей нервной деятельности, поведенческими особенностями и наклонностями. Но было бы неправильно воспринимать геном как некий фатум, которым заранее предопределена жизнь индивида. Не всем генетическим «предсказаниям» суждено сбыться: некоторые из них еще не раз будут переписаны в течение онтогенеза (индивидуального развития организма).

В ходе долгих поисков биологи сделали ряд интересных наблюдений. К примеру, генетически идентичные лабораторные мыши во время беременности употребляли разный по составу корм. Одни мыши получали пищу, обогащенную биологически активными добавками, в частности фолиевой кислотой — источником метильных групп, а другие ели обедненный корм. Потомство мышей в итоге приобрело морфологические и физиологические различия. Мыши, родившиеся от матерей, употреблявших обогащенный корм, были здоровыми и имели окрас бурого цвета, а мыши, рожденные от матерей, питавшихся неполноценно, были болезненными и имели желтый окрас. Так было установлено, что некачественное питание, образно говоря, «отключило» у потомства некоторые гены, отвечающие как за цвет шерсти, так и за устойчивость иммунитета . Признаки, приобретенные индивидуумами, передавались потомству. При этом сам набор генов (генотип) оставался неизменным, то есть последовательности ДНК не затрагивались [5].

Со временем ученые пришли к выводу, что активность многих генов непостоянна: они включаются (экспрессируются) и выключаются (репрессируются) в зависимости от воздействия внешних факторов. Это изменение активности генов, не затрагивающее первичную структуру ДНК, но влияющее на проявление тех или иных свойств и признаков, и составило предмет изучения эпигенетики.

Эпигенетика — сравнительно молодое направление науки. Впервые этот термин в 1942 году употребил английский ученый Конрад Уоддингтон. Изучая ряд закономерностей, научное сообщество пришло к выводу, что функции живого организма не обусловлены одной только закодированной в генах информацией, а во многом служат ответом на сигналы из окружающей среды. То, как происходит эпигенетически обусловленное включение и выключение определенных генов, стало одним из важных открытий современности, за что в 2006 году американским исследователям присудили Нобелевскую премию [10].

Классическая менделевская генетика опирается на то, что в основе изменений фенотипических признаков лежат мутации ДНК, то есть механические — случайные или индуцированные — изменения структуры наследственной информации. Эпигенетика опирается на варианты нормы, представленные модификациями. Каждое из нарушений эпигенома имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, и выступает эпигенетическим эквивалентом генетической мутации. Однако, несмотря на всю свою значимость, эпигенетика всё равно остается вторичной по отношению к генетике, ее младшей сестрой, ответвлением, а не самостоятельной наукой. Поскольку основным носителем наследственной информации является геном, эпигенетические механизмы могут только управлять работой тех или иных генов, исходя из имеющегося в наличии материала. Эпигеном служит механизмом контроля реализации генетической информации, что осуществляется посредством модификаций отдельных нуклеотидов. Проще говоря, не все гены, которые у нас есть, работают. Одни гены проявляют активность в одной клетке и неактивны в другой, и наоборот. Существуют некие регуляторные элементы, управляющие активностью генов. По современным представлениям, к таким элементам относятся: метилирование ДНК, гистоновые модификации, ацетилирование, фосфорилирование, гликозилирование, разнообразные микроРНК и другие структуры/процессы, «дирижирующие» нашим геномом [10], [11].

Рассмотрим самую известную и самую важную модификацию — метилирование ДНК. Это единственная химическая модификация ДНК, задействованная во многих генетических процессах у эукариот. Метилирование — добавление СН₃-группы к цитозину  ферментами ДНК-метилтрансферазами (рис. 1), что приводит к инактивации целого гена, в состав которого входит этот модифицированный нуклеотид.

Рисунок 1. Модификация цитозина в 5-метилцитозин с участием ДНК-метилаз и S-аденозилметионина

Что же происходит, когда к цитозину, входящему в состав того или иного гена, присоединяется метильная группа? Оказывается, такая модификация провоцирует присоединение белков, изменяющих состояние хроматина. Чаще всего эпигенетическая регуляция осуществляется именно путем дифференциального метилирования цитозина в специфических участках генома. Формально ген никуда не девается, он продолжает находиться на своем месте, но никак себя не проявляет. Ген словно выключен, он не может производить продукт. В таком выключенном состоянии ген способен наследоваться. Передача потомству признаков, приобретенных организмами в течение жизни, в том числе посредством метилирования, называется эпигенетической наследственностью. Это наследование сохраняется у нескольких клеточных поколений или нескольких поколений живых существ.

Но всегда ли плохо то, что гены выключаются? Если представить, к примеру, что путем такой нехитрой модификации происходит выключение каких-либо вредоносных генов, вызывающих развитие патологий, наследственных аномалий или онкотрансформацию клеток, это же будет хорошо. Однако эпигеном может и навредить организму, инактивируя нужные гены. Еще до конца не изучено, как поддерживаются и воспроизводятся те или иные эпигенетические состояния [1].

Как уже упоминалось, метилирование ДНК влияет на многие генетические процессы у эукариот. Оно контролирует экспрессию генов, задействовано в пререкомбинационных событиях (предшествующих рекомбинации — процессу перераспределения генов между участками хромосом), выполняет функцию защиты от встраивания экзогенных нуклеотидных последовательностей, ограничивает перемещение транспозонов (особых участков ДНК, способных передвигаться по геному). Метилирование связано в основном с репрессией генов, инактивацией чужеродных последовательностей, регулировкой развития и организации генома. Регуляторные эпигенетические механизмы могут вызывать перемены в генетической активности. Метилирование цитозина в ДНК эукариот относится к ключевым факторам их развития. Оно оказывает влияние на структурно-функциональную организацию генома, принимая участие в регуляции конформационных изменений хроматина, что способствует изменениям в соответствующих локусах (местах локализации гена на хромосоме). ДНК в разных типах клеток организма метилирована по-разному. Это связано с расхождениями в выполняемых функциях, степени дифференцировки клеток и свойственной им экспрессии генов [13–15].

Различные эпигеномы как разные варианты реализации наследственной информации представляют собой своего рода набор параллельных реальностей, существующих в каждой клетке нашего организма. От того, какой ген заблокирован или разблокирован, зависит проявление того или иного фенотипического признака, а также скорость старения [16] и способность взаимодействовать с окружающей средой. Является ли это включение-выключение случайным или запрограммированным процессом и как связаны между собой различные «миры» эпигеномов, пока известно мало. Но сам факт того, что наука уже вплотную подошла к таким вопросам, не может оставаться без внимания.

Метилирование как функция защиты генетического материала от встраивания вирусных и других чужеродных нуклеотидных последовательностей встречается даже у таких примитивных живых организмов, как бактерии. Осуществляется это за счет системы рестрикции-модификации. Чужеродная ДНК, попав в бактерию, расщепляется рестриктазами (специальными ферментами, разрезающими ДНК в определенных участках). Однако те же самые последовательности собственной ДНК бактерии защищены от расщепления метильными метками [17].

Считается, что метилирование в качестве механизма, предотвращающего проникновение в геном чужеродных последовательностей, сохраняется и у более сложных организмов. Оно подавляет распространение вирусных генов, тандемных повторов (бессмысленных последовательностей ДНК) и транспозонов. Больше всего таких модификаций наблюдается в некодирующих районах ДНК. Метилирование репрессирует «ненужные» гены путем добавления метильной группы к цитозиновым остаткам в составе этих последовательностей. У млекопитающих, в частности человека, метилирование повторяющихся участков играет важную роль в стабилизации ДНК. В свою очередь, если повторяющиеся участки деметилируются (теряют метильные метки), они становятся мутагенными и вызывают геномную нестабильность — хромосомные аномалии, каскад апоптозных реакций, онкотрансформацию клетки. Метилирование обеспечивает целостность генома, а также стабилизирует двойную спираль ДНК за счет усиления связи с комплементарным гуанином [4], [18], [19].

Процессы метилирования и деметилирования ДНК эукариот принимают участие в регуляции экспрессии генов в ходе роста, дифференцировки, старения клеток и их реакций на повреждающие воздействия [19], [20]. Негативные факторы способны переключать программы функционирования генов. В частности, метилирование задействовано в регуляции экспрессии генов в ответ на биотические (вирусные, грибковые, бактериальные инфекции) и абиотические (температура, радиация, УФ-излучение) стрессы [21–23]. К примеру, при действии радиационного стресса уровень метилирования генома снижается, вследствие чего активируется транскрипция транспозонов, избыток которых может вызывать генетическую нестабильность, хромосомные аномалии и другие повреждения ДНК. Однако в ответ на увеличение транскрипционной активности происходит обратная реакция: запускаются защитные процессы метилирования транспозонных промоторов — регуляторных участков, обеспечивающих транскрипцию (рис. 2). Таким образом, радиация провоцирует повышение уровня метилирования ДНК, что может быть проявлением защитной реакции — ответа генома на усиление транспозонной активности. То есть, с одной стороны, стресс активирует мобильные элементы и увеличивает их вредное действие, с другой — это ведет к запуску эпигенетического «молчания» транспозонов и стабилизации хромосом. Также в пользу того, что метилирование ДНК участвует в защите генома, поддерживая его постоянство в изменяющихся условиях, говорит и тот факт, что искусственное снижение метилирования вызывает увеличение транспозонной активности и количества хромосомных перестроек [13], [24].

Рисунок 2. Метильные группы в регуляторной области гена препятствуют транскрипции. Механизм — прямое ингибирование.

Согласно данным, полученным на животных, радиация способствует подавлению тотального метилирования в непосредственно облученных тканях, а также в тканях-«свидетелях». До недавнего времени считалось, что биологические последствия ионизирующего облучения связаны с прямыми повреждениями ДНК. Но сегодня эта концепция дополнена. Было обнаружено, что облученные клетки провоцируют повышение уровня генных мутаций и хромосомных аберраций (нарушений структуры хромосом) в соседних клетках, которые не подвергались действию радиации. То есть молекулярные и клеточные эффекты в них обусловлены не самόй ионизирующей радиацией, а сигналом повреждения из облученных клеток. Эти реакции называются эффектом свидетеля. Они хорошо изучены на культурах клеток. Предполагается, что облученные клетки выделяют эпигенетические сигнальные факторы, которые и в необлученных соседках вызывают аналогичные изменения. Природа этих факторов и точный механизм «эффекта свидетеля» еще довольно слабо исследованы [25].

Если провести аналогию между геномом и человеческим обществом, то транспозоны можно было бы сравнить с антисоциальными элементами или просто нарушителями общественного порядка. В зависимости от размеров и мест локализации транспозоны могут быть как мелкими хулиганами, так и опасными преступниками, сеющими хромосомный беспорядок. Метилирование в таком случае считалось бы внутригеномной полицейской службой, поскольку именно оно выступает основным механизмом, предотвращающим разгул транспозонного «бандитизма» в ДНК. Навешивание метильных меток на потенциально опасные генетические последовательности изолирует их от общества, обеспечивает стабильность и порядок, позволяя добропорядочным генам спокойно трудиться на благо клетки и организма.

Эпигеном — пластичная система, функционирующая в соответствии с программой развития и реагирующая на воздействие внешних факторов. Считается, что существует эпигенетически обусловленный каскад изменений, охватывающих процессы старения и реакции на стрессовые факторы [26–28]. Поэтому одним из важных направлений современных исследований является выяснение роли метилирования цитозина в регуляции экспрессии генов в механизмах стрессового ответа и возрастной деградации. Понимание аспектов эпигенетического контроля старения поможет прояснить, что служит отправной точкой этого процесса.

При старении наблюдается уменьшение числа генов, «работающих» в молодости, и активация генов, которые «спали», пока организм был полон бодрости и здоровья, но «проснулись» на этапе его одряхления. Потеря функциональной активности генов, нарушение проницаемости мембран, увеличение количества неактивного хроматина, возрастание частоты хромосомных аберраций, изменение паттернов (шаблонов) метилирования тотальной ДНК и отдельных генов — всё это составляет многокомпонентный детерминированный процесс старения. И хотя пока не найдены группы генов, запускающие каскад молекулярных событий в стареющей клетке, осуществление программы старения в последнее время часто связывают с эпигенетическими механизмами (рис. 3).

По некоторым предположениям, метилирование ДНК запрограммировано и играет ключевую роль в реализации процесса возрастной гибели клеток. Концепция запрограммированной гибели клеток в ходе старения объясняется активацией эпигенетических механизмов на фоне снижения эффективности репарационных (ремонтных) систем. Согласно одной из гипотез, апоптоз (программируемая клеточная гибель) связан с активацией определенных «генов старения», которые запускают деградационные процессы в клетке. Это происходит путем снижения уровня метилирования ДНК, что наблюдается в процессе старения дифференцированных клеток и сопровождается дерепрессией хроматина. В итоге активируются дремлющие транспозоны, склонные ввергать клетку в состояние генетического хаоса. Возрастная потеря метильных меток ускоряет клеточную гибель, в ткани меняется цитокиновый фон, что может подталкивать к гибели соседние клетки. Таким образом, старение чем-то сродни медленным инфекциям. И даже иногда к ним приравнивается: некоторые биологи допускают возможность миграции «освобожденных» транспозонов в другие клетки [1], [29–32].

Рисунок 3. Эпигенетика отсчитывает часы жизни. Подробно о «часах жизни» и их разновидностях рассказано в статьях [16], [33], [34].

Возрастное снижение метилирования было доказано на примере горбуши в середине ХХ столетия [35]. Позже это подтвердилось и в отношении других организмов. Также было установлено, что искусственное деметилирование ведет к преждевременному старению животных. Идея о том, что старение и уменьшение метилирования взаимосвязаны, стала новым словом в эпигенетике. Кроме того, снижение метилирования в ходе старения ведет к конформационным изменениям хроматина, что повышает доступность ДНК для нуклеаз (ферментов-разрушителей) и нарушает целостность макромолекул стареющей клетки. При ослаблении метилирования ДНК становится более чувствительной к действию вредных факторов, эндогенных ферментов, транспозонов [26], [36]. Стабильность генома у организмов с более «молчаливыми» транспозонами выше, что делает их устойчивыми к повреждающим факторам среды и обеспечивает им бόльшую продолжительность жизни в сравнении с организмами, чей уровень репрессии мобильных генетических элементов низок. Полагают, что восстановление в стареющей клетке эпигенетических маркеров, свойственных молодой клетке, может привести к необходимой репрессии транспозонов, стабилизации генома и замедлению темпов старения [37], [38].

С возрастом снижается экспрессия генов поддержания клеточного равновесия, в результате чего начинается свойственная старению деградация тканей и органов. Происходит увеличение числа разрывов в ДНК и сшивок ДНК с белком, снижаются активности ферментов поддержания структуры хромосом и количество 5-метилцитозина, накапливаются структурные дефекты. Процесс старения сопровождается транскрипцией определенных генов и синтезом ряда белков. Этот каскад сурово скоординированных событий подчинен некой программе. Переход к каждой новой стадии онтогенеза (индивидуального развития) характеризуется изменениями эпигенетического статуса, который обеспечивает активацию или репрессию специфического набора генов. С помощью воздействия на эпигеном можно некоторым образом корректировать генетическую программу развития живых организмов [36], [39–41].

Все перечисленные процессы действуют в направлении ухудшения состояния и функционирования генетического аппарата. А реализуются они под действием внешних и внутренних факторов. Старение — это результат изменения надгеномных процессов, которые на определенном этапе онтогенеза запускают деструктивные механизмы по двум направлениям. С одной стороны, происходит индукция генетической программы деградации структур и функций, которая репрессирует гены поддержки клеточного гомеостаза и активирует гены, отвечающие за реакции распада. С другой стороны, запускается механизм ослабления деятельности защитных систем, что делает клетку восприимчивой к повреждающему действию стрессовых факторов. Несмотря на эффективную репарационную машину, в структуре ДНК с возрастом накапливаются разрывы и другие дефекты, всё меньше и меньше индуцируются защитные белки теплового шока, в делящихся клетках сильно сокращается длина теломер (защитных концевых участков хромосом). Всё это — элементы единого многосложного процесса надгеномной регуляции процессов старения. Согласно некоторым гипотезам, множественность механизмов старения эукариот может быть обусловлена тем, что природа страхуется от появления долгоживущих видов и особей [42], [43].

Молекулярные механизмы старения сегодня интенсивно изучаются, тем не менее предложенные концепции не позволяют создать общую картину, объяснить многочисленные противоречия, закономерности индукции этого процесса и причины, обусловливающие тождественность старения у различных организмов . Однако можно сделать несколько гипотетических выводов: почти все многоклеточные организмы подвержены старению, но принцип функционального обеспечения этого процесса неизвестен; старение необратимо и затрагивает все системы, что в какой-то мере затрудняет поиск программ, отвечающих за его развитие; старение не может быть обусловлено одним специальным механизмом, иначе спонтанное нарушение его работы приводило бы к преодолению видового лимита продолжительности жизни; молекулярная природа старения основывается на взаимодействии генетических и эпигенетических путей регуляции, что делает процесс старения надежным, стабильно развивающимся и невосприимчивым к радикальной коррекции извне. Одна из задач эпигенетики — исследование того, как изменение образа жизни человека может повлиять на гены и способствовать продлению жизни индивида [1], [29], [31].

Недостаточное метилирование (гипометилирование) генома было одним из первых выявленных эпигенетических маркеров онкозаболеваний. Гипометилирование ведет к активации генов, которые в норме должны молчать. В случае опухолей это индивидуальные онкогены, пребывающие в здоровой клетке в метилированном (неактивном) состоянии. Понижение тотального уровня метилирования генома выражается в снятии естественных репрессивных меток с онкогенов, что вызывает каскад разрушительных событий. Попутно гипометилирование больших участков генома активирует транспозоны, за счет чего увеличивается хромосомная нестабильность и растет число аномалий. Эти два процесса ставят клетку на путь онкологической трансформации. Во многих лабораториях именно тотальное гипометилирование ДНК диагностируется как основной признак раковых клеток [15], [47], [48].

Вместе с тем, онкогенез сопровождается и гиперметилированием (избыточным метилированием) CpG-островков в области промоторов генов (рис. 4). В норме 90% CpG-островков не метилированы, то есть транскрипционно активны. Метилирование в этих участках чревато фатальными последствиями, поскольку вызывает «выключение» генов — супрессоров (подавителей) опухолей. Гены-онкосупрессоры, противостоящие онкологическому процессу, перестают работать, что дает зеленую улицу раковой трансформации, вызывает бесконтрольное деление клеток опухоли. Одним из лабораторных маркеров диагностики рака на ранних стадиях выступает повышенное метилирование CpG-островков генов — супрессоров опухолей [49], [50].

Рисунок 4. CpG-островок промоторной области гена. а — Транскрипционно активный (неметилированный) островок. б — Сайленсированный (метилированный) островок.

Как видим, рак не обходится без эпигенетических событий. Как недостаток метилирования, так и его избыток в равной мере способствуют раковому перерождению здоровой клетки. Нарушенное метилирование ведет к аномалиям развития и опухолеобразованию. Как тут не вспомнить о том, что всё хорошо в меру. Онкогенез — это многофакторный и многоэтапный процесс, включающий в себя как активацию онкогенов, так и молчание генов-онкосупрессоров. Каждое из этих нарушений эпигенома для опухолевой прогрессии имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, то есть служит эпигенетическим эквивалентом генетической мутации [50]. Изменение нормальных паттернов (шаблонов) метилирования ДНК неизбежно ведет к отрицательным последствиям. А сохранение здорового статуса метилирования генома является основным условием нормального развития организма.

Выходит, что рак — это не только генетически обусловленное заболевание, как считалось раньше, а заболевание, в основе которого лежит ряд еще во многом не изученных эпигенетических изменений. При этом нельзя считать, что неправильное метилирование — всего лишь маркер онкозаболевания; зачастую оно выступает причиной последнего. Так, например:

• Гиперметилирование промоторов, обусловливающее инактивацию генов-онкосупрессоров, в 70% случаев способствует развитию таких онкопатологий, как гепатокарцинома и аденокарцинома поджелудочной железы.
• Гиперметилирование CpG-островков гена рецептора эстрогена (ER) обнаруживается в опухолях толстой кишки и молочной железы.
• Ген транскрипционного фактора MyoD, специфичного для мышечной ткани, гиперметилируется при раке мочевого пузыря и толстой кишки.
• Ген кальцитонина гиперметилирован по CpG-островку, что наблюдается при лимфомах и раке легкого.
• Опухоли молочной железы вызываются инактивацией генов BRCA1, MYOD и ER посредством их метилирования.
• Аберрантное метилирование промотора гена тканевого ингибитора металлопротеиназы характерно для разных опухолей: немелкоклеточного рака легкого — в 19% случаев, рака молочной железы и толстой кишки — в 27%, карциномы почки — в 78%, глиобластомы — в 26% [51], [52].
• Гиперметилирование промоторной области играет ключевую роль в инактивации гена-онкосупрессора HIC1, что вызывает развитие опухолевых процессов в различных органах. Замечено, что обработка клеток опухоли деметилирующими агентами вызывает восстановление экспрессии этого гена, вследствие чего опухоль претерпевает обратное развитие [52], [53].

Здесь стоит отметить, что активация гена, наступающая вследствие деметилирования определенных сайтов, может происходить только в том случае, если в клетке присутствует специфический транскрипционный фактор. Этим объясняется ограниченное количество генов, активированных в опухолях посредством гипометилирования [50].

Однако нельзя забывать, что недостаток метилирования ДНК так же опасен, как и его избыток, и так же служит причиной ряда онкопатологий. К примеру, при хроническом лимфолейкозе наблюдается тотальное деметилирование ДНК в раковых клетках на фоне высокой ДНК-метилтрансферазной активности. Тотальное снятие метильных меток оказывает значительное дестабилизирующее действие на геном эукариот, меняет структуру хроматина, степень его конденсации, время репликации, что может вызывать нарушения экспрессии различных генов [15], [54].

Вместе с тем не менее опасна и спонтанная потеря сайтов метилирования. Спонтанное дезаминирование (потеря аминогрупп) 5-метилцитозина приводит к возникновению остатка тимина и образованию неканонической пары оснований Г:Т, которая становится мишенью для системы репарации. Репаративные ферменты удаляют тимин из этой пары и восстанавливают исходную последовательность Г:Ц, однако иногда возникают мутации, выражающиеся в замене пары Г:Ц на А:Т. Именно нестабильность 5-метилцитозина и спонтанные замены Г:Ц на А:Т привели в ходе эволюции к низкому уровню CpG-динуклеотидов в геноме млекопитающих. Таким образом, спонтанный мутагенез, происходящий в животной клетке при отсутствии экзогенных и эндогенных агентов, нарушает структуру многих генов, в том числе и онкосупрессоров. Этот механизм играет не последнюю роль в процессах онкологической трансформации [55].

Помимо аберрантного метилирования промоторов генов-онкосупрессоров, в опухолевых клетках обнаруживается и нестабильность микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК), при которой микросателлитные маркеры представлены одновременно многими разными аллелями, дополнительными к двум родительским [52], [56]. Сателлитные ДНК в геноме человека в норме высоко метилированы. В процессе опухолеобразования наблюдается микросателлитная нестабильность, резкое гипер- или гипометилирование (в зависимости от вида опухоли). В качестве примера здесь можно упомянуть ген MLH1, продукт которого участвует в репарации ошибок спаривания нуклеотидов. Гиперметилирование промотора этого гена и микросателлитная нестабильность ассоциированы с опухолями желудочно-кишечного тракта и некоторых других органов [52].Изменчивость микросателлитных последовательностей по-разному проявляется на разных стадиях развития и зависит от состояния дифференцировки и типа ткани [57].

Однако не все гены задействованы в эпигенетических событиях канцерогенеза. Ген белка р53 не содержит в своей промоторной области CpG-островков и не поддается метилированию. Нарушение функций р53 наблюдаются во многих случаях рака, но инактивация его гена обусловлена не эпигенетическими, а генетическими механизмами. В кодирующей части гена присутствуют одиночные метилированные CpG-динуклеотиды, которые в силу спонтанного дезаминирования 5-метилцитозина мутируют с заменой комплементарных пар [50], [52].

Эксперименты, в которых искусственно создавали гипер- или гипометилирование, показали интересные результаты. Исключение из рациона крыс аминокислоты метионина приводило к гипометилированию ДНК и развитию рака у подопытных животных уже спустя две недели. В то же время мыши, трансгенные по гену человеческой ДНК-метилазы, заболевали раком вследствие гиперметилирования их генома [58]. Все эти опыты по воздействию на эпигеном внушают оптимизм: появление в недалеком будущем препаратов, направленных на «лечение» эпигенома на ранних стадиях заболевания, перестает быть фантастикой. Вполне возможно, что очень скоро будет произведена «таблетка от рака», способная оказывать благотворное воздействие на эпигеном .

Кстати, подобные таблетки фармкомпании уже производят, да и природа не отстает: вещества — модификаторы эпигенома обнаружены в растительных продуктах, особо почитаемых приверженцами здорового питания: «Пилюли для эпигенома» [59]. Только вот к природным «технологиям» есть небольшая (для всех, кроме фармацевтов, Эркюля Пуаро и детектива Монка) претензия: беспорядочно там всё как-то… — Ред.

Общая черта, присущая как метилированию, так и мутациям — это наследуемость, хотя в отличие от большинства мутаций метилирование — процесс обратимый. Контроль модификации ДНК интересен прежде всего для биотехнологической отрасли. Воздействуя на эпигеном, можно не только вылечить ряд заболеваний, но и добиться промышленной выгоды. К примеру, направленная регуляция экспрессии генов у растений способна увеличить их продуктивность. Замечено, что в результате обработки 5-азацитидином наблюдается увеличение белка в зерновках пшеницы за счет активации генов запасных белков. Причем индуцированные химическим агентом признаки сохраняются в течение трех поколений. Какие механизмы отвечают за возвращение к исходному паттерну метилирования, соответственно, и к исходному фенотипу — пока неизвестно [60], [61].

Как отмечалось выше, эпигеном — система пластичная, что позволяет в перспективе подобраться к рычагам управления эпигенетическими модификациями, минимизировать действие неблагоприятных факторов и обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Ключ к разгадке наследственных патологий, продлению жизни, управлению полезными свойствами живых организмов — всё это сулит эпигенетика. Уже сегодня можно без преувеличения сказать, что открытия в области эпигенетики в скором времени поднимут биологическую науку на качественно новый уровень развития, и это кардинальным образом изменит саму человеческую цивилизацию.