Ирина Мальцева - Эпигенетика. Управляй своими генами

После окончания проекта «Геном человека» многое из того, что касалось генов, зазвучало по-другому. Оказалось, что генов у человека не так уж много, не 50–100 тысяч, как считалось раньше, а, по разным оценкам, от 18 до 30 тысяч. Но горевать о таком малом количестве не следует, так как один ген может вырабатывать много разных белков в зависимости от того, какие сигналы он получит от окружающей его среды. Да и известных белков к тому моменту стало гораздо больше, чем 100 тысяч. Не каждый ген умеет вырабатывать белки, некоторые выполняют другие функции.

Термин «эпигенетический»существует давно. Буквально он обозначает «над, поверх генетики, наследственности». Этим термином ученые пользовались не только в биологии, но и в психологии. Наиболее известное применение этого термина было дано в 1947 г. эмбриологом Конрадом Уоддингтоном, который объяснил, каким образом организм в процессе эмбрионального развития формирует разные клетки. У человека существует примерно 250–270 типов клеток (клетки мозга, печени, легких, кожи, почек и мн. др.), которые различаются по внешнему виду, функционированию, типу метаболизма. Когда-то все эти клетки появились из зиготы, которая образовалась из слияния гамет– отцовского сперматозоидаи материнской яйцеклетки.

Рис. 1. «Хвостатые» сперматозоиды (гамета) пытаются проникнуть в круглую яйцеклетку (гамета) (слева). Справа зигота —оплодотворенная сперматозоидом яйцеклетка

Почему клетки, появившиеся из зиготы, становятся разными? Потому что существуют эпигенетические механизмы, которые при помощи наборов транскрибируемых генов определяют, какими быть будущим клеткам при делении, также они дают инструкции каждому виду клеток – уровень активности деятельности этих клеток, который они должны поддерживать, пока существуют. Далее, во время размножения организма при формировании гамет (половых клеток) эпигенетический статус генома должен быть стерт и далее с чистого листа вновь сформироваться после оплодотворения, иначе наступит так называемый эпигенетический коллапс.

Метафорично объяснить этот процесс можно используя пример с одеждой. Каждое утро аккуратный человек, собираясь на работу, надевает на тело (в нашем примере тело – это нуклеотид) белье и одежду (метки), а вечером, приходя с работы, их снимает. Утром процесс повторяется. Так же и эпигенетические метки «снимаются», когда формируется восьмиклеточный зародыш – бластоциста, а при имплантации бластоцисты в матку метки опять «надеваются» (как белье и одежда с утра). Это достаточно хорошо известный факт.

Известен эпигенетический ландшафт Уоддингтона (К. Уоддигтон, 1957 г.), который представляет собой макет горы со множеством холмов и оврагов, на вершине которой находится шарик.

Рис. 2. Конрад Уоддингтон и его модель эпигенетического ландшафта

Этот шарик катится вниз и либо сталкивается с холмами, меняя траекторию движения, либо попадает в ложбинку. Где окажется шарик внизу – зависит от сочетания многих факторов его движения. Так Уоддингтон представлял процесс эмбриогенеза (шарик), который зависел от различных продуктов генов – белков и гормонов (выступы и овраги), которые являются сигналами, заставляющими гены менять свою активность.

Под воздействием различных факторов (внутренних и внешних, генетических и негенетических) возможен переход с одной траектории на другую, в связи с чем на основании одной и той же генетической программы возможно формирование множества траекторий онтогенеза (поливариантность онтогенеза).

В соответствии с этой концепцией все клетки организма в начале развития тотипотентны(обладают возможностями всех будущих клеток тела); в ходе развития они приобретают разные свойства, например, одни становятся кардиоцитами (клетками сердца), а другие – нервными клетками (клетками мозга и другими частями нервной системы), третьи – гепатоцитами (клетками печени). Происходит это расхождение свойств за счет того, что в клетках, являющихся «основоположниками» различных тканей, экспрессируются (активизируются) разные паттерны генов [3] Паттерн экспрессии генов – это отличие в статусе (включенный – активный и выключенный – неактивный) и в степени работы, то есть интенсивности синтеза РНК и соответствующих белков тех или иных генов этого организма. . Различные клетки получают на определенных этапах развития разные (гормональные и т. д.) сигналы, которые направляют их на тот или иной эпигенетический «маршрут», то есть приводят к клеточной специализации, дифференцировке.