Десять лет спустя, в 1975 году, Холлидей смог доказать, что метилирование ДНК влечет за собой сайленсинг генов у млекопитающих. До самой своей смерти в 2014 году он не переставал работать и заниматься исследованиями. Однако, по нашему мнению, самое выдающееся его достижение заключалось в том, что он дал ясное описание того, что такое эпигенетика и чем она отличается от генетики. Он сделал это самым точным образом, после его объяснения никакие слова больше не нужны:
Свойства генов высших организмов могут изучаться на двух уровнях: первый — механизм их наследственной передачи, который является основным компонентом генетики и хорошо изучен, и второй — механизм их деятельности в процессе развития организма, от оплодотворенного яйца до взрослой особи, который до сих пор не до конца понятен. Изменения в генной активности в процессе развития известны как эпигенетические. […].
Экспрессия генов
Когда мы говорим об экспрессии генов, то имеем в виду момент, в который гены «говорят».
Что говорят гены? Да, это нужно объяснить: в генах содержится информация для формирования белков, так что когда ген экспрессируется, он активируется и его информация считывается для формирования конкретного белка.
В 1994 году, семь лет спустя после того как Робин Холлидей сформулировал свое первое определение эпигенетики (процитированное выше), он предложил два новых варианта этой дефиниции, в первую очередь указав на то, что изменения в экспрессии генов появляются не только в процессе развития, но и во взрослом состоянии организма. Опираясь на этот нюанс, Холлидей переформулировал определение эпигенетики: это «изучение изменений в экспрессии генов, которые происходят в организмах с дифференцированными клетками, и митотическое наследование имеющихся паттернов экспрессии». Кроме того, он сделал акцент на том, что его определение «ничего не говорит о механизмах, и поэтому подразумевает любой вид взаимодействий белков и ДНК, а также изменения на уровне ДНК».
Это новое определение, в свою очередь, обозначило новую проблему: наследование паттернов экспрессии генов. Холлидей подчеркивал, что ДНК может быть подвержена необратимым изменениям, которые влияют на последовательность, и эти модификации передаются следующим поколениям. С другой стороны, «возможно, существуют связанные с экспрессией генов изменения, наследуемые напрямую, которые могут быть обратимы в последующих стадиях и не подразумевают изменения ДНК», или, другими словами, «клеточное наследование, не основанное на различиях в последовательности ДНК». Холлидей почти пришел к определению современной концепции эпигенетики, которое окончательно сформировалось, сочетая в себе идею изменений в экспрессии генов и способности этих изменений передаваться по наследству.
И вот перед нами финальное (но это только на данный момент) определение эпигенетики, которая с этими последними дополнениями, все еще словами Холлидея звучит так: «изучение изменений в генетической функции, которые наследуются без изменения в последовательности ДНК».
Хорошо, а сейчас, когда мы уже определили границы эпигенетики, может, мы уже остановимся и пойдем отдохнем?
Ну уж нет! Наука должна двигаться вперед, и сейчас самое время, чтобы задавать новые вопросы, а именно:
О каких изменениях в функционировании генов мы сейчас говорим?
Почему они так важны и в каких ситуациях происходят?
Эпигенетические изменения
До настоящего времени мы говорили об эпигенетических изменениях без углубления в природу этих вариаций. В научном сообществе эпигенетические изменения долгие годы считались скорее чем-то мистическим, чем осязаемой и измеримой реальностью.
Это происходило из-за того, что традиционной генетике казалось парадоксом, что два аллеля могут иметь ту же самую генетическую последовательность, но разные возможности наследования. Это противоречие разрешалось предположением, что, помимо последовательности ДНК, наследовалось также состояние экспрессии или активированности генов, которое было установлено и унаследовано с помощью некоей модели, заключающейся в том, что аллель может быть в «закрепленнном» или «нетронутом» состоянии в зависимости оттого, работает эта модель или нет.
Напротив, на сегодняшний день мы знаем, что эпигенетическое воздействие основано на одной из физических модификаций, которая определяет возможности экспрессии аллеля. Эти модификации идентифицированы и могут быть двух типов: с одной стороны, те, что напрямую влияют на молекулу ДНК, и с другой стороны, те, что имеют место не в ДНК, а в гистонах — белках, связанных с ДНК.
Секрет жизни
У ДНК есть собственный язык, состоящий из четырех оснований, или букв А, Т, Ц и Г, которые соответствуют аденину, тимину, цитозину и гуанину соответственно. Эти основания распределяются одно за другим, формируя огромную цепочку, или нить, ДНК. Интересно, что нить ДНК не изолирована, а прикручивается к другой нити ДНК таким образом, что вместе они формируют спираль — знаменитую двойную спираль ДНК. В этой двойной спирали каждое основание, которое составляет ДНК, находится напротив комплементарного ему основания и связано с ним химически (рисунок 5), и эта комплементарность всегда является сочетанием аденина и тимина (или наоборот) и цитозина и гуанина (или наоборот).
Рис. 5. Двойная цепочка в спирали ДНК в процессе репликации, чтобы создать «дочерние» двойные цепочки (на рисунке А соответствует А, Т — Т, G — Г, С — Ц)
Из этих четырех букв складываются трехбуквенные слова, которые соответствуют аминокислотам, формирующим белки. Существует как минимум еще одна, пятая, буква кода, но она спрятана.
И дело в том, что на самом деле, говоря о четырех основаниях, мы неизбежно упрощаем ситуацию, так как подробный анализ состава оснований ДНК организма позволил бы нам найти маленький процент малочисленных оснований, которые являются вариантами четырех первоначальных букв.
Действительно, речь идет об основаниях, которые подверглись изменениям после внедрения в ДНК. Это как если бы кто-нибудь поставил ударение над буквой после того, как ее написал. Самый распространенный вариант — 5-метилцитозин. Тогда, продолжая нашу метафору, ударение было бы метильной группой, которая делает Ц (цитозин) ударной (единственное метилируемое основание у млекопитающих).
Эта вариация настолько частотна, что ученые всерьез обсуждают вопрос, можно ли считать ее пятой буквой. Однако последние исследования показывают, что не стоит торопить события, поскольку 5-метилцитозин по-прежнему формирует пару с гуанином в нити комплементарной ДНК, что подтверждает: механизм репликации клетки по-прежнему распознает ее, как если бы он был обычным цитозином.
В таком случае зачем вообще делать Ц ударной?
Спокойно, чуть позже мы ответим на этот вопрос.
Метилирование ДНК
Метилирование ДНК, то есть добавление химической группы, называемой метильной группой, к другому веществу, имеет глубокое воздействие на форму экспрессии генов. Как если бы речь шла о письменном языке, ударение на основании Ц (цитозин) с метильной группой имеет собственные правила. Обычно цитозин метилирован, когда за ним следует гуанин. То есть метилирование цитозина появляется в комбинациях цитозин-гуанин (CG) или CpG (где «р» обозначает фосфат, который скрепляет цитозин и гуанин).
Так как ДНК состоит из комплементарных цепей, метилируется как цитозин, являющийся частью последовательности CpG, так и цитозин из комплементарной последовательности. Но самое важное заключается в том, что эти «ударения» должны быть прочитаны механизмом в ядре клетки. Это как если бы ДНК благодаря такой постановке ударений передавала двойную информацию: ту, что предназначается для определенной последовательности, и ту, что появляется благодаря ударениям над некоторыми Ц.
