Чарльз Эллис - Эпигенетика

Хотя морфология хромосом показывала, что все соматические клетки обладают полным набором хромосом, было далеко не очевидно, что все соматические клетки сохраняют полный набор ДНК, присутствующий в оплодотворенном яйце. Не было даже ясно, вплоть до работ Эвери, МакЛеода и МакКарти в 1944 году (Avery et al., 1944) и Херши и Чейза (Hershey and Chase, 1952), что свободная от белков молекула ДНК может нести генетическую информацию; последний вывод получил очень сильную поддержку, когда в 1953 году Уотсон и Крик (Watson and Crick, 1953) расшифровали структуру ДНК. Работы Бриггса и Кинга (Briggs and King, 1952) на Rana pipiens и Ласки и Гердона (Laskey and Gurdon, 1970) на Xenopus продемонстрировали, что результатом введения ядра из ранних эмбриональных клеток в денуклеированные ооциты может быть развитие эмбриона. Но даже в 1970 году Ласки и Гердон могли говорить, что «предстоит еще доказать, что соматические клетки взрослого животного имеют гены помимо тех, которые необходимы для их собственного роста и дифференцировки». В статье, содержавшей это утверждение, они продолжали показывать, что в первом приближении ДНК ядра соматической клетки при введении в денуклеированную яйцеклетку способна направлять эмбриогенез. Теперь было ясно, что программа развития и специализация репертуара экспрессии, наблюдаемая в соматических клетках, должны включать сигналы, которые не являются результатом какой-то делеции или мутации в нуклеотидной последовательности ДНК зародышевого пути, когда эта ДНК передается соматическим клеткам.

Конечно, существуют способы, посредством которых ДНК соматических клеток может стать отличающейся от ДНК зародышевого пути с соответствующими последствиями для фенотипа клетки: например, как показали работы Барбары МакКлинток и других генетиков растений, мобильные элементы могут изменять картину экспрессии в соматических клетках. Аналогичным образом, генерация разнообразия антител связана с перестройками ДНК в линии соматических клеток. Эта перестройка (или, точнее, ее последствия) может рассматриваться как своего рода эпигенетическое событие, сопоставимое с ранними наблюдениями эффекта положения мозаичного типа, описанного Меллером. Однако значительная часть работ по эпигенетике в последние годы была сосредоточена на системах, в которых не происходило никаких перестроек ДНК, и, следовательно, акцент делался на модификациях оснований и на белках, образующих комплексы с ДНК в ядре.

Инактивация Х-хромосомы явилась одной из первых моделей эпигенетического механизма этого рода (Ohno et al., 1959; Lyon, 1961); в соматических клетках «молчащая» Х-хромосома явно выбиралась случайным образом, и не было никаких данных об изменениях в самой нуклеотидной последовательности ДНК. Отчасти для объяснения этого типа инактивации Риггс (Riggs, 1975) и Холлидей и Пью (Holliday and Pugh, 1975) предположили, что в качестве эпигенетической метки могло бы выступать метилирование ДНК. Ключевыми моментами этой модели были представления о том, что сайты метилирования являются палиндромными и что за метилирование немодифицированной ДНК и ДНК, уже метилированной по одной нити, отвечают разные ферменты. Постулировали, что первое событие метилирования происходит значительно труднее, чем второе; однако, коль скоро первая нить модифицирована, комплементарная нить будет быстро модифицирована в том же палиндромном сайте. Метальная метка, имевшаяся на родительской нити, после репликации могла бы копироваться на дочернюю нить, и в результате происходила бы надежная передача метилированного состояния следующему поколению. Вскоре после этого Берд воспользовался тем, что главной мишенью метилирования у животных является последовательность CpG (Doskocil and Sorm, 1962), для того чтобы предложить использовать чувствительные к метилированию ферменты рестрикции как способ выявления метилированного состояния. Последующие исследования (Bird, 1978; Bird and Southern, 1978) показали затем, что эндогенные сайты CpG были либо полностью неметилированы, либо полностью метилированы. Предсказания, сделанные на основе этой модели, были, таким образом, подтверждены: тем самым был установлен механизм эпигенетической передачи метальной метки посредством полуконсервативного воспроизведения картины метилирования.

В годы, последовавшие за этими открытиями, огромное внимание было уделено эндогенным паттернам метилирования ДНК, возможной передаче этих паттернов через зародышевый путь, роли метилирования ДНК в сайленсинге генной экспрессии, возможным механизмам инициации или ингибирования метилирования в полностью неметилированном сайте и идентификации энзимов, ответственных за метилирование de novo и за поддержание метилирования на уже метилированных сайтах. Хотя значительный объем метилирования ДНК, наблюдаемый у позвоночных, связан с повторяющимися и ретровирусными последовательностями и может служить для поддержания этих последовательностей в перманентно «молчащем» состоянии, не может быть никаких сомнений в том, что во многих случаях эта модификация обеспечивает основу для эпигенетической передачи состояния генной активности. Наиболее четко это продемонстрировано на таких импринтированных локусах (Cattanach and Kirk, 1985), как локус Igf2/H19 мыши или человека, где одна аллель маркирована метилированием ДНК, которое в свою очередь контролирует экспрессию с обоих генов (Bell and Felsenfeld, 2000; Hark et al., 2000). В то же самое время было ясно, что это не может быть единственным механизмом для эпигенетической передачи информации. Например, как отмечено выше, эффект положения мозаичного типа наблюдали за много лет до этого у Drosophila — организма, который обладает крайне низким уровнем метилирования ДНК. Более того, в последующие годы генетики, работавшие с Drosophila , идентифицировали группы генов Polycomb и Trithorax , которые, по-видимому, участвуют в постоянном «запирании» («locking in») состояния активности кластеров генов в ходе развития (либо «выключеного», либо «включенного», соответственно). Тот факт, что эти состояния стабильно передавались в ходе клеточного деления, позволял предполагать, что в основе этого лежит эпигенетический механизм.