Эпигенетика реферат по биологии

Обновлено: 03.07.2024

вызвать серьезные отклонения от нормального развития.

В качестве иллюстрирующего примера влияния измененного

генотипа на конечный фенотип рассмотрим мутацию в одном из генов

недостатку желтого пигмента в мехе и также неспособности костей

поглощать вещества, что обычно происходит при росте. Последний

эффект влечет за собой целый ряд последствий. Так, минералы тема

иммобилизованы в кости и не могут быть использованы для нового

роста, так что зубы испытывают недостаток кальция и из-за этого не

могут жевать твердую пищу. Также отсутствие костного поглощения

приводит к давлению на некоторые нервы, особенно на те, что

расположены в нижней челюсти. Это, вероятно, приводит к

неврологической боли, животные отказываются принимать даже

жидкую пищу, голод влияет на вилочковую железу и животное со

Но нас больше интересуют не мутации в исходном генотипе, а

то как один и тот же генотип по-разному каждый раз может

проявляться в фенотипе. В качестве примера рассмотрим процесс

формирования крыла у мухи Drosophila. Если повлиять на этот

процесс какими-то неблагоприятными факторами в строго

определенный момент, то можно увидеть определенные последствия,

которые отразятся на целом организме. Крыло мухи по сути

представляет собой мешок, две поверхности которого в определенный

период времени под давлением жидкости в теле расходятся, а затем

сходятся вновь сходятся вместе, когда жидкость уходит. Процесс

стягивания двух поверхностей является очень важным. Небольшие

нарушения в нем несут ответственность за большинство нарушений в

развитии вен крыльев. А небольшие отклонения в положении крыльев

и тела друг относительно друга, могут, затрудняя поток жидкости в

теле мухи, могут привести к образованию дефектов этих органов.

У людей самым ярким примером в этом плане является одна из

звезд мирового кинематографа 20 века Одри Хепберн. Сегодня ученые

считают, что ее безупречная подтянутость и кажущаяся хрупкость

являются результатом страшных бед, которые она перенесла в юности.

В свое время в 16-летнем возрасте она смогла пережить Голландскую

голодную зиму — страшный период Второй мировой войны с ноября

1944 по конец весны 1945, когда находившиеся под блокадой со

стороны Германии Нидерланды переживали одну из самых суровых за

всю войну зим. Именно последствия этого страшного голода на всю

жизнь сказались как на здоровье, так и на внешности будущей звезды,

потому что их влияние пришлось на период полого созревания.

Наука, которая изучает механизмы, ответственные за

превращение генотипа в фенотип, называется эпигенетикой. Сегодня

она воспринимается во всем мире как относительно молодая, но

потенциально одна из самых революционных областей знания

человечества. Не так далек тот день, когда мы сможем спокойно в

домашних условиях управлять канцерогенезом благодаря новым

лекарствам, редактировать геном наших детей еще в утробе матери,

выращивать себе новые органы из собственных клеток, не боясь их

отторжения организмом, и совершать много других кажущихся сейчас

фантастическими вещей. Конечно, это повлечет за собой серьезные

дискуссии в области биоэтики и права человека на вмешательство в

естественный ход эволюции в природе.

Однако здесь мы не будем касаться вопросов этики. Целью

данной работы является изучение истории развития эпигенетики. Мы

посмотрим, как эпигенетические идеи развивались, когда самого

основных идей и эпигенетических механизмов, а также коснемся

последних достижений в области современной эпигенетики и того, как

они изменили традиционные научные догмы и парадигмы генетики.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Эпигенетика (греч. επί — над, выше, внешний) — в биологии, в частности в генетике — представляет собой изучение закономерностей эпигенетического наследования — изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК. Эпигенетические изменения сохраняются в ряде клеточных митотических делений, а также могут передаваться следующим поколениям при мейозе. Примерами эпигенетических изменений являются метилирование ДНК и деацетилирование гистонов, оба процесса приводят к подавлению экспрессии генов.

Файлы: 1 файл

литобзор.docx

В рамках эпигенетики исследуются такие процессы как: парамутация, генетический букмаркинг, геномный импринтинг, инактивация Х-хромосомы, эффект положения, материнские эффекты, репрограммирование, а также другие механизмы регуляции экспрессии генов. В 2011 году было показано, что метилирование мРНК также играет роль в предрасположенности к диабету, что дало начало новой отрасли — РНК-эпигенетике [1] .

Одним из примеров эпигенетических изменений у эукариот является процесс клеточной дифференцировки. Во время морфогенеза плюрипотентные стволовые клетки формируют различные полипотентные клеточные линии эмбриона, которые в свою очередь дают начало полностью дифференцированным клеткам. Другими словами, одна оплодотворённая яйцеклетка — зигота — дифференцируется в различные типы клеток, включая: нейроны, мышечные клетки, эпителий, эндотелий сосудов и др., путем множественных делений. Это достигается активацией одних генов, и, в то же время, ингибированием других с помощью эпигенетических механизмов [2] .

Этимология и определения.

Психолог Эрик Эриксон использовал термин эпигенетика в своей теории психосоциального развития, однако, его определение не имеет прямой связи с биологической терминологией [5] .

Молекулярные основы эпигенетики.

Молекулярная основа эпигенетики достаточно сложна при том, что она не затрагивает первичную структуру ДНК, а изменяет активность определенных генов. [6] Это объясняет, почему в дифференцированных клетках многоклеточного организма экспрессируются только гены, необходимые для их специфической деятельности. Особенностью эпигенетических изменений является то, что они сохраняются при клеточном делении. Известно, что большинство эпигенетических изменений проявляется только в пределах жизни одного организма. В то же время, если изменение в ДНК произошло в сперматозоиде или яйцеклетке, то некоторые эпигенетические проявления могут передаваться от одного поколения к другому [7] .

Гистоны способны поддерживать свое модифицированное состояние и выступать матрицей для модификации новых гистонов, которые связываются с ДНК после репликации.

Прионные белки обладают аномальной трёхмерной структурой и способны катализировать структурное превращение гомологичных им нормальных белков в себе подобный (прионный) белок, присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои. Прионы — единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот, а также они осуществляют единственный известный путь передачи информации от белка к белку.

Системы структурной наследственности.

У генетически идентичных клеток инфузорий, таких как Tetrahymena и Paramecium, показано наследование различий в характере организации рядов ресничек на поверхности клетки. Экспериментально измененный узор может быть передан дочерним клеткам. Вероятно, существующие структуры выступают в качестве шаблонов для новых структур. Механизмы такого наследования не ясны, но существуют причины полагать, что у многоклеточных организмов также есть системы структурной наследственности [8][9] .

В последнее время большое внимание привлечено к изучению роли в процессах регуляции генетической активности малых некодирующих РНК (miRNA) [10][11] . МикроРНК могут изменять стабильность и трансляцию мРНК путём комплементарного связывания с 3'-нетранслируемым участком мРНК.

Как генетические, так и эпигенетические явления оказывают значительное влияние на здоровье человека. Известно несколько заболеваний, которые возникают из-за нарушения метилирования генов, а также из-за гемизиготности по гену, подверженному геномному импринтингу. Для многих организмов доказана связь активности ацетилирования/ деацетилирования гистонов с продолжительностью жизни. Возможно, эти же процессы влияют и на продолжительность жизни людей.

Хотя эпигенетику в основном рассматривают в контексте соматической клеточной памяти, существует также ряд трансгенеративных эпигенетических эффектов, при которых генетические изменения передаются потомкам. В отличие от мутаций эпигенетические изменения обратимы и, возможно, могут быть направлены (адаптивны). [6] Поскольку большинство из них исчезает через несколько поколений, они могут носить характер лишь временных адаптаций. Также активно обсуждается вопрос о возможности влияния эпигенетики на частоту мутаций в определенном гене [12] . Было показано, что семейство белков цитозин-дезаминаз APOBEC/AID принимает участие как в генетической, так и в эпигенетической наследственности, используя схожие молекулярные механизмы. У многих организмов было обнаружено более 100 случаев трансгенеративных эпигенетических явлений [13] .

1. New research links common RNA modification to obesity

3. Holliday, R., 1990. Mechanisms for the control of gene activity during development. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431—471

4. Riggs A. D., Martienssen R. F., Russo V. E. A. Introduction // Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation / V. E. A. Russo et al. — New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press. — С. 1-4.

6. Перейти к: 1 2 3 Watanabe A, Yamada Y, Yamanaka S. (2013) Epigenetic regulation in pluripotent stem cells: a key to breaking the epigenetic barrier. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20120292. doi:10.1098/rstb.2012.0292

9. Oyama, Susan; Paul E. Griffiths, Russell D. Gray (2001). MIT Press. ISBN 0-262-65063-0.

10. Verdel et al, 2004

11.Matzke, Birchler, 2005

Эпигенетика — раздел генетики, который изучает то, как наше поведение и окружающая среда влияют на работу наших генов. В отличие от генетических, эпигенетические изменения обратимы.

На практике это означает, что наша социальная среда, режим дня и питания, физические нагрузки меняют то, как организм воспроизводит клетки, влияющие на работу всех органов. И даже более того: эта информация может передаваться генетически.

Уоддингтон сравнил развитие организма с течением реки, где исток — зачатие, а устье — зрелость. При этом важен и рельеф, по которому протекает река: он определяет ее протяженность, скорость и направление. По аналогии с этим внешние факторы влияют на наше развитие.

В 1960–1970-х годах ученые начали активно изучать гены, и столкнулись с тем, что не все они работают одинаково: некоторые включаются и выключаются под влиянием внешней среды.

В 1998 году группа швейцарских ученых во главе с Ренато Паро из Университета Базеля исследовала мух-дрозофил, у которых в результате мутации пожелтели глаза. Они выяснили, что, если содержать этих мух при более высокой температуре, то у потомства будут красные глаза, ч. Ученые пришли к выводу, что температура активировала хромосомный элемент в ДНК и запустила механизм, который наследуется генетически.

Позже новозеландские ученые Питер Глюкман и Марк Хансон смогли объяснить этот феномен. Они предположили, что в развивающемся организме происходит особая адаптация к предполагаемым условиям, которые ожидаются после рождения. Если прогноз оказался верным, и организм успешно адаптировался, информация об этом сохраняется на генетическом уровне как особо важная для выживания. Но если прогноз не сработал, вместо адаптации организм получает дисфункцию. Например, если во время внутриутробного развития эмбриону не хватало питательных веществ, он начинает активнее запасать их впрок. Если после рождения с едой по-прежнему туго, это оказывается полезным механизмом. Но если нет — у человека начинаются проблемы с метаболизмом, которые затем приводят к ожирению и диабету 2-го типа.

В 2003 году Рэнди Джиртл и Роберт Уотерленд из Дюкского университета (США) встроили мышам ген ожирения, а затем добавили в их корм фолиевую кислоту, витамин В12, холин и метионин. В результате мыши родили нормальное потомство, и даже несколько последующих поколений были абсолютно здоровыми.

В 2006-м их коллеги Эндрю Файер и Крейг Мелло получили первую Нобелевскую премию за исследования механизма формирования эпигенетической памяти клеток. С этого момента эпигенетика стала широко известна научному сообществу.

В 2020 году ученые доказали, что эпигенетика может участвовать в эволюции наравне с генетическими изменениями.

Как работает эпигенетика

Генетическая информация о нашем организме содержится в ДНК. Совокупность генов ДНК — это генотип, который наследуется при рождении и передается в неизменном виде потомству. Но у нас есть также фенотип — внешний вид клетки, который определяется генотипом и внешней средой.

Эпигенетические модификации — то есть те, которые происходят под влиянием внешних факторов, — не меняют генотип, но могут изменить фенотип. В результате изменится то, как ваш организм считывает последовательность генов в ДНК. Процесс считывания является одним из этапов экспрессии генов: в ходе нее наследственная информация из ДНК преобразуется в РНК, а затем в белок.

От экспрессии зависит, как часто и какие в нашем организме образуются белки, отвечающие за все жизненно важные процессы. Эпигенетические изменения могут включать и выключать те или иные гены в ходе экспрессии.

Этот приобретенный механизм (фенотип) наследуется вместе с генотипом, но может быть выключен под влиянием новых воздействий. К примеру, у однояйцевых близнецов один генотип, но фенотипы могут быть разные. В результате их масса тела, рост и вес будут отличаться, потому что у клеток разная программа экспрессии генов.

Александр Панчин, кандидат биологических наук, научный журналист и популяризатор науки:

Важные факты об эпигенетике

Эпигенетика — это то, что делает нас уникальными. Например, у детей из одной семьи могут быть разные оттенки кожи и волос, разное строение тела и пищевые аллергии. Именно благодаря эпигенетическим процессам мы так отличаемся от шимпанзе, хотя наши ДНК совпадают на 99%. эпигенетических изменений — это природные и климатические условия, а также социальная среда и воспитание. Но есть множество других: физические нагрузки, образ жизни, питание, уровень стресса, особенности старения. Такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, способны переключать гены из нормального в нездоровое состояние даже в глубокой старости, и это может стать наследуемым признаком.
Эпигенетические процессы начинаются еще до рождения и продолжаются на протяжении всей жизни человека. При этом в старости на нас гораздо больше влияют эпигенетические механизмы, заложенные при внутриутробном развитии, чем наш собственный образ жизни.
К эпигенетическим изменениям относятся только те, которые выходят за рамки нормальных процессов в организме. Например, приобретение загара таковым не является.
Перенесенные инфекции тоже влияют на эпигенетику. Бактерии и вирусы способны подорвать иммунную систему, и это унаследуют ваши дети. — результат и генетических, и эпигенетических процессов. Точнее, накопления генетических и эпигенетических мутаций, которые запускают неконтролируемое деление клеток и отвечают за то, какие органы они поражают.
Паттерны экспрессии меняются в нашем мозгу каждый раз, когда мы сталкиваемся с новой информацией, а нарушение синтеза белков стирает память о недавнем событии.
Эпигенетические изменения обратимы. Вы можете изменить режим питания и нагрузок, и это повлияет на ваш врожденный метаболизм.

Самый хорошо изученный эпигенетический механизм — это процесс метилирования. К цитозиновым основаниям (один из элементов ДНК) добавляется метильная группа: один атом углерода и три атома водорода. Результат может быть разным. Это вызывает различные изменения в активности генов. Например, инактивация Х-хромосом у эмбриона, которые отвечают за пол будущего ребенка.

Так выглядит процесс метилирования в ДНК (Фото: Christoph Bock, Max Planck Institute for Informatics )

Метилирование отвечает за то, как будут развиваться ткани и органы, а еще влияет на подавление онкогенов и некоторых вирусов.

Одни из поставщиков метильных групп, которые запускают метилирование — фолиевая кислота и витамин В12, которые часто принимают женщины во время беременности. Если этих веществ окажется недостаточно, у ребенка могут возникнуть лишние хромосомы, что приведет к развитию синдрома Дауна.

В последние годы эпигенетические изменения происходят под влиянием токсичных веществ, которые производят промышленным способом. Например, бисфенол-А, который используют при изготовлении пластиковых бутылок и контейнеров. Он уничтожает метильные группы и подавляет ферменты, которые прикрепляют их к ДНК.

Александр Панчин:

Можно ли продлить жизнь с помощью эпигенетики?

Управление эпигенетическими процессами открывает перед нами огромные перспективы. С помощью направленной экспрессии генов мы могли бы получить физические и ментальные суперспособности, бесконечно регенерировать органы и существенно продлить себе жизнь. К сожалению, пока это только теория.

Но уже сегодня ученые исследуют возможности остановить развитие раковых клеток, модифицируя экспрессию генов. А мы сами можем изменить свой организм к лучшему, поменяв режим на более здоровый и передать эти изменения по наследству.

К примеру, отказ от курения может запустить повышенное метилирование ДНК. Прием фолиевой кислоты во время беременности может снизить риски множества врожденных заболеваний и отклонений у ребенка. Регулярное употребление сои, куркумы и зеленого чая, а также разнообразное питание тоже стимулируют позитивные эпигенетические изменения. Таким же эффектом обладают мягкий климат, регулярные нагрузки и свежий воздух.

Обзор

Автор

Редактор

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Знаете ли вы, что наши клетки обладают памятью? Они помнят не только то, что вы обычно едите на завтрак, но и чем питались во время беременности ваши мама и бабушка. Клетки хорошо помнят, занимаетесь ли вы спортом и как часто употребляете алкоголь. Память клеток хранит в себе ваши встречи с вирусами* и то, насколько сильно вас любили в детстве. Клеточная память решает, будете ли вы склонны к ожирению и депрессиям. И во многом благодаря клеточной памяти мы отличаемся от шимпанзе, хотя имеем с ним примерно одинаковый состав генома. Эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика.

Эпигенетические ландшафты

Так, в 1998 году Р. Паро и Д. Кавалли проводили опыты с трансгенными линиями дрозофил, подвергая их тепловому воздействию. После этого дрозофилы меняли цвет глаз, и этот эффект — уже без внешнего влияния — сохранялся у нескольких поколений (рис. 2). Как обнаружилось, хромосомный элемент Fab-7 передавал эпигенетическую наследственность в процессе как митоза, так и мейоза [11].

В 2003 году американские ученые из Дюкского университета Р. Джиртл и Р. Уотерленд провели эксперимент с беременными трансгенными мышами агути (yellow agouti (A vy ) mouse), которые имели желтую шерсть и предрасположенность к ожирению (рис. 3). Они добавляли в корм мышам фолиевую кислоту, витамин В₁₂, холин и метионин. В результате этого появилось нормальное потомство без отклонений [12]. Пищевые факторы, выступавшие донорами метильных групп, путем метилирования ДНК нейтрализовали ген агути, вызывавший отклонения: фенотип их A vy -потомства изменялся за счет метилирования CpG-динуклеотидов в локусе A vy . Причем воздействие диеты сохранялось и в нескольких последующих поколениях: детеныши мышей агути, родившиеся нормальными благодаря пищевым добавкам, и сами рожали нормальных мышей. Хотя питание у них было уже обычное, не обогащенное метильными группами.

Рисунок 3. Подопытные мыши из лаборатории Рэнди Джиртла. Видно, как происходит изменение в окрасе шерсти детенышей в зависимости от приема матерью доноров метильных групп — фолиевой кислоты, витамина В₁₂, холина и метионина. Рисунок из [12].

Вслед за этим, в 2005 году, журнал Science опубликовал работу Майкла Скиннера и его коллег из Вашингтонского университета. Они обнаружили, что, если в пищу беременным самкам крыс добавлять пестицид винклозолин, у их потомков мужского пола резко снижается количество и жизнеспособность сперматозоидов. И эти эффекты сохранялись на протяжении четырех поколений. Была четко установлена их связь с эпигеномом: ухудшение репродуктивной функции коррелировало с изменениями метилирования ДНК в зародышевой линии [13].

Ученые были вынуждены сделать сенсационный вывод: вызванные стрессом эпигенетические изменения, не затронувшие последовательность нуклеотидов ДНК, могут закрепляться и передаваться следующим поколениям!

Судьба записана не только в генах

Позже выяснилось, что и у людей влияние эпигенетических механизмов (рис. 4, 5) так же велико. Исследования, о которых дальше пойдет речь, приобрели широкую известность — они упоминаются почти в каждой научной работе по эпигенетике. Ученые из Голландии и США в конце 2000-х годов обследовали пожилых голландцев, родившихся сразу после Второй мировой войны. Период беременности их матерей совпал с очень тяжелым временем, когда в Голландии зимой 1944–1945 гг. был настоящий голод. Ученым удалось установить: сильный эмоциональный стресс и полуголодный рацион матерей самым негативным образом повлиял на здоровье будущих детей. Родившись с малым весом, они во взрослой жизни в несколько раз чаще были подвержены болезням сердца, ожирению и диабету, чем их соотечественники, родившиеся на год-два позже (или раньше) [14].

Анализ их генома показал отсутствие метилирования ДНК именно в тех участках, где оно обеспечивает сохранность хорошего здоровья. Так, у пожилых голландцев, чьи матери пережили голод, существенно снижалось метилирование гена инсулиноподобного фактора роста 2 (ИФР-2), из-за чего количество ИФР-2 в крови повышалось. А этот фактор, как известно, имеет обратную связь с продолжительностью жизни: чем выше в организме уровень ИФР, тем жизнь короче [15].

Рисунок 5. Рентгеновская кристаллическая структура нуклеосомы. Гистоны показаны желтым, красным, синим и зеленым цветами. Рисунок из [20].

Эпигенетика помогла сделать очень важный вывод: от того, что ела мама во время беременности, в каком психологическом состоянии она находилась и сколько времени уделяла малышу в первые годы после его рождения, будет зависеть буквально вся дальнейшая жизнь ребенка. В это время закладываются основы всего.

Метилирование ДНК

Метилирование ДНК имеет наибольшее прикладное значение из всех эпигенетических механизмов, так как оно напрямую связано с рационом, эмоциональным статусом, мозговой деятельностью и другими факторами. Так что об этом стоит рассказать поподробнее. И начнем мы с рациона.

Витамин В₁₂ и метионин почти невозможно получить из вегетарианского рациона, так как они содержатся преимущественно в животных продуктах. И дефицит витамина В₁₂ и метионина, вызванный разгрузочными диетами беременной женщины, может иметь для ребенка самые неприятные последствия. Не так давно было обнаружено, что недостаток в рационе этих двух веществ, а также фолиевой кислоты, может стать причиной нарушения расхождения хромосом у плода. А это сильно повышает риск рождения ребенка с синдромом Дауна, что обычно считается простой трагической случайностью [24]. В свете этих фактов ответственность родителей сильно увеличивается, и списывать всё на несчастный случай теперь будет затруднительно.

Пластичность эпигенома: опасности и возможности

Но, к счастью, есть и противоположные примеры. Так, известно, что регулярное употребление зеленого чая может снижать риск онкозаболеваний, поскольку в нём содержится вещество эпигаллокатехин-3-галлат, которое может активизировать гены — супрессоры (подавители) опухолевого роста, деметилируя их ДНК. Очень популярным в последние годы модулятором эпигенетических процессов является генистеин, содержащийся в продуктах из сои. Многие исследователи напрямую связывают содержание сои в рационе жителей азиатских стран с их меньшей подверженностью некоторым возрастным болезням.

Характер — это судьба?

Все детеныши в группе, получавшей материнскую заботу в полном объеме, развивались так, как это и положено крысам: энергичными, хорошо обучаемыми и социально активными. В чём же причина такого разительного отличия? Почему материнский уход оказал решающее влияние на развитие психических особенностей у потомства? Анализ ДНК помог ответить на эти вопросы.

Исследовав ДНК крыс, ученые выяснили, что у детенышей, которых не вылизывали матери, произошли негативные эпигенетические изменения в области мозга под названием гиппокамп. В гиппокампе оказалось уменьшено количество рецепторов к стрессовым гормонам. И именно из-за этого наблюдалась неадекватная реакция нервной системы на внешние раздражители: гипофиз подавал команду на избыточное производство стрессовых гормонов. Другими словами, те ситуации, которые переносились спокойно обычными крысами, у потомства, не получившего материнского ухода, вызывали неадекватно сильный стресс.

Как оказалось, всё вышеописанное абсолютно точно подходит и к человеческому развитию. Были проведены многочисленные исследования детей, которые в раннем детстве лишались родительской заботы или подвергались какому-либо насилию. Все эти дети без исключения вырастали потом с той или иной искаженной функцией нервной системы. И эти искажения были эпигенетически закреплены в клетках мозга. Всем таким детям была свойственна неадекватная реакция даже на слабые раздражители, которые нормально воспринимались благополучными детьми. Всё это формировало во взрослом возрасте склонность к алкоголизму, наркомании, суицидам и прочим неадекватным поступкам [37–39]. Вот почему первые годы после рождения являются решающими в формировании социального поведения и закладывают все основы характера. От того, сколько времени родители уделяли своему малышу в этот период, будет зависеть всё его будущее: будет ли он психологически устойчивым, коммуникабельным и успешным или же склонным депрессиям и расстройствам.

Очевидно, что влияние эпигенома распространяется и на процессы, связанные со старением [40]. С возрастом можно наблюдать общее понижение метилирования, в том числе загадочных участков генома, которые составляют почти половину всей последовательности ДНК, — мобильных генетических элементов (МГЭ). Они были открыты полвека назад нобелевским лауреатом Барбарой Мак-Клинток как последовательности, способные — в отличие от обычных генов — удивительным образом перемещаться по ДНК*. Излишне активизируясь с возрастом из-за деметилирования, МГЭ дестабилизируют геном, вызывая нежелательные хромосомные перестройки [41].

Итоги и перспективы

Изучение эпигенетических механизмов помогло понять очень важную истину: человеческая судьба формируется большей частью не астрологическими прогнозами, а поведением самогό человека и его родителей. Эпигенетика совершенно ясно показывает, что очень многое в жизни зависит от нас, и в наших силах поменять жизнь к лучшему.

Одной из центральных проблем биологии развития является изучение механизмов, ответственных за то, как гены генотипа проявляются фенотипически во взрослом организме. Порою влияние неблагоприятных факторов в одни периоды развития организма могут никак не сказаться на нем в будущем, а в другие периоды могут вызвать серьезные отклонения от нормального развития. Наука, которая изучает механизмы, ответственные за превращение генотипа в фенотип, называется эпигенетикой. Сегодня она воспринимается во всем мире как относительно молодая, но потенциально одна из самых революционных областей знания человечества. Не так далек тот день, когда мы сможем спокойно в домашних условиях управлять канцерогенезом благодаря новым лекарствам, редактировать геном наших детей еще в утробе матери, выращивать себе новые органы из собственных клеток, не боясь их отторжения организмом, и совершать много других кажущихся сейчас фантастическими вещей.

I. Эпигенетика до открытия эпигенетики

Рисунок 1. Эпигенетический ландшафт

Таким образом, еще до открытия ДНК ученые понимали, что не только одни гены ответственны за формирование и развитие особи, но есть и некоторые другие факторы, влияющие на это. Только на тот момент никаких однозначных доказательств или примеров механизмов никто привести не мог.

III. Открытие первых эпигенетических механизмов в 20 веке

После открытия ДНК в 1953 году ученые стали лучше понимать механизмы генетического развития, в обществе возобладала основная догма молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Ученые стали думать, что в основе всех процессов развития организма лежит именно ДНК и ничто другое. Но в то же время интенсифицировалось появление новых работ, указывающих (или хотя бы намекающих) на то, что за регуляцию фенотипа ответственна не только чистая генетика. Так, еще в 1949 году американский биофизик немецкого происхождения Макс Дельбрюк предположил, что простая пара биохимических цепей реакций, каждая из которых производит в качестве промежуточного вещества ингибитор другого пути, могла бы реализовать систему, способную переключаться между двумя устойчивыми состояниями.

IV. Крушение концепции гена в 21 веке

Сегодня ген все еще остается фундаментально гипотетической концепцией, под которой чаще всего понимают некоторый сегмент или сегменты ДНК, содержащие последовательную информацию, которая используется в качестве поддержки при строительстве белков или других продуктов, выполняющих биологическую функцию. И это понимание стало возможным только благодаря развитию эпигенетики, позволившей нам увидеть, что ДНК - это не чертеж, по которому мы были созданы Богом, а скорее всего лишь фундамент здания или, если хотите, затвердевающая бетонная смесь, которую еще нужно правильно приготовить, очистив от ненужных примесей. В то время как стены, коммуникации, и элементы мебели и декора, формирующие функциональные помещения в здании – это все эпигенетические механизмы, которые взаимосвязаны предельно сложным образом. И именно эти механизмы ответственны за формирование индивидуальности каждого организма, каждой клетки.

V. Клеточное перепрограммирование

Одним из следствий стремительного развития эпигенетических исследований в начале 21 века стало смещение фокуса исследователей с отдельных эпигенетических механизмов на новые области на стыке молекулярной биологии и генетики, результаты которых в основном опираются на открытые и наиболее хорошо изученные эпигенетические механизмы. Такой областью исследований является клеточное перепрограммирование. Многие годы ученые мечтали, что у них появится возможность клонирования в идеальных условиях. Однако для этого необходимо уметь из любой взрослой дифференцированной клетки сделать изначальную тотипотентную клетку, которая сможет потом развиться до нужной клетки. Освоение и развитие методов клеточного перепрограммирования является одним из главных бриллиантов в короне современной эпигенетики.

VI. Развивающийся геном и поведенческая эпигенетика

Cовременные достижения в области эпигенетики позволяют нам по-новому взглянуть на то, что происходит с нашим геномом во время нашей жизни и как окружающая среда и ранний жизненный опыт могут влиять на экспрессию генов в течение всей оставшейся жизни.

Рассмотрим пример изменяющегося генома под действием окружающей среды. Период во время Второй мировой войны под названием Голландская голодная зима. О том времени сохранилось очень много подробных медицинских данных, что позволило ученым объективно оценить влияние количества питания, получаемого беременными женщинами в разные периоды беременности, на здоровье их потомков. Выяснилось, что если мать хорошо питалась в период зачатия и недоедала лишь в последние несколько месяцев беременности, то ее ребенок чаще всего рождался с пониженной массой тела. С другой стороны, если мать получала недостаточное количество питания только в первый триместр, а потом питалась нормально, то в большинстве случае дети рождались с нормальной массой тела. Однако удивительно здесь другое. Малыши, родившиеся с массой тела и ростом ниже нормы, так и оставались маленькими на протяжении всей своей жизни, при этом почти никогда не были склонны к полноте. Стоит отметить, что жили они в хороших условиях и недостатка в еде не испытывали, но так и не смогли преодолеть последствий недоедания в период младенчества. Американский исследователь Алан Джонс в последствии попытался смоделировать эти условия на мышах и пришел к выводу, что прием пищи женщиной во время беременности может повлиять на ее гормоны, что в свою очередь может оказать определенное длительное воздействие на мозге ее детей.

Витамин В12 и метионин почти невозможно получить из вегетарианского рациона, так как они содержатся преимущественно в животных продуктах. И дефицит витамина В12 и метионина, вызванный разгрузочными диетами беременной женщины, может иметь для ребенка самые неприятные последствия. Не так давно было обнаружено, что недостаток в рационе этих двух веществ, а также фолиевой кислоты, может стать причиной нарушения расхождения хромосом у плода. А это сильно повышает риск рождения ребенка с синдромом Дауна, что обычно считается простой трагической случайностью. В свете этих фактов ответственность родителей сильно увеличивается, и списывать всё на несчастный случай теперь будет затруднительно.

Заключение

Современная эпигенетика существенно изменила положения нынешней научной парадигмы. Современные исследования в области эпигенетики достоверно показали нам, что наши эпигенетические состояния являются динамическими, то есть могут изменяться в течение жизни, и не определяются только биологией. Традиционное представление о фундаментальной и неизменной роли ДНК в передаче генетической, фенотипической и поведенческой информации сегодня устарело. Большую, но пока не до конца выясненную роль в этом играют эпигенетические факторы, формируемые нашей окружающей средой и личным прижизненном опытом.

Список литературы

Эпигенетика/ С.Д. Эллис, Т. Дженювейн, Д. Рейнберг - М.: Техносфера, 2010. – 496с.

Эпигенетика/ С. М. Закиян, В.В. Власов, Е. В. Дементьева. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. - 592 с.

Читая между строк ДНК.Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать все/ П. Шпорк – изд-во Ломоносов, 2016. – 39с.

Читайте также: