Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает
Шрифт:
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.
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 механизма, функционирование которого еще только предстоит изучить, могут сформировать измененную структуру хроматина, не дающую доступа транскрипционным механизмам.
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 от одного поколения к следующему.
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.