Что такое эпигенетика
Эпигенетика — это раздел генетики, изучающий, как наше поведение и окружающая среда влияют на наши гены. В отличие от генетических изменений, эпигенетические изменения обратимы.
На практике это означает, что наша социальная среда, распорядок дня и диета, физическая активность меняют способ воспроизводства в организме клеток, влияющих на работу всех органов. И даже больше: эта информация может передаваться генетически.
Сам термин был впервые введен в 1942 году английским биологом Конрадом Уоддингтоном. Он первым связал генетику и то, что Аристотель называл «эпигенезом» — доктриной последовательного эмбрионального развития. Философ разбивал куриные яйца, чтобы изучить развитие эмбриона и порядок формирования его органов.
Уоддингтон сравнил развитие организма с течением реки, где источником является зачатие, а устье — зрелость. При этом важен и рельеф, по которому протекает река: он определяет ее длину, скорость и направление. По аналогии с этим на наше развитие влияют внешние факторы.
В 1960-х и 1970-х годах ученые начали активно изучать гены и столкнулись с тем, что не все из них работают одинаково: некоторые включаются и выключаются под воздействием внешней среды.
В 1998 году группа швейцарских ученых под руководством Ренато Паро из Базельского университета изучила плодовых мух, у которых из-за мутации глаза пожелтели. Они обнаружили, что если этих мух держать при более высокой температуре, у потомства будут красные глаза, h. Ученые пришли к выводу, что температура активировала хромосомный элемент в ДНК и запустила генетически унаследованный механизм.
Позже новозеландские ученые Питер Глюкман и Марк Хэнсон смогли объяснить это явление. Они предположили, что в развивающемся организме существует особая адаптация к прогнозируемым условиям, ожидаемым после рождения. Если прогноз оказался верным и организм успешно адаптировался, информация об этом сохраняется на генетическом уровне, так как это особенно важно для выживания. Но если прогноз не сработал, то вместо адаптации в организме возникла дисфункция. Например, если эмбриону не хватало питательных веществ во время внутриутробного развития, он начинает их активно накапливать для дальнейшего использования. Если после родов еда все еще остается скудной, это оказывается полезным механизмом. Но в противном случае у человека возникают проблемы с обменом веществ, которые затем приводят к ожирению и диабету 2 типа.
В 2003 году Рэнди Гертл и Роберт Уотерленд из Университета Дьюка (США) ввели ген ожирения мышам, а затем добавили в их пищу фолиевую кислоту, витамин B12, холин и метионин. В результате мыши родили нормальное потомство, и несколько последующих поколений также остались полностью здоровыми.
В 2006 году их коллеги Эндрю Файер и Крейг Мелло получили первую Нобелевскую премию за исследования механизма формирования эпигенетической памяти в клетках. 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 теле содержится в нашей ДНК. Набор генов ДНК — это генотип, который наследуется при рождении и передается потомству в неизменном виде. Но у нас также есть фенотип — внешний вид клетки, который определяется генотипом и внешней средой.
Что такое эпигенетика и как она работает
Эпигенетические модификации, то есть те, которые происходят под влиянием внешних факторов, не изменяют генотип, но могут изменять фенотип. Это изменит способ, которым ваше тело считывает последовательность генов в вашей ДНК. Процесс чтения — один из этапов экспрессии генов: во время него унаследованная от ДНК информация преобразуется в РНК, а затем в белки.
Выражение зависит от того, как часто и какие белки образуются в нашем организме, отвечающие за все жизненные процессы. Эпигенетические изменения могут включать и выключать определенные гены во время экспрессии.
Этот приобретенный механизм (фенотип) наследуется вместе с генотипом, но может деактивироваться под влиянием новых влияний. Например, однояйцевые близнецы имеют одинаковый генотип, но фенотипы могут отличаться. В результате их масса тела, рост и вес будут отличаться, поскольку клетки имеют разные программы экспрессии генов.
Александр Панчин, кандидат биологических наук, научный журналист и популяризатор науки:
«У человека около 200 различных типов клеток. У всех этих клеток одна и та же ДНК, но в ней работают разные ее части, гены. Во многом за это ответственны эпигенетические модификации. К молекулам ДНК могут прилипать разные молекулы, в зависимости от условий, типа клеток и даже времени суток. Некоторые из этих модификаций могут активировать или усиливать работу одних генов, а другие подавлять. Следовательно, даже с одной и той же ДНК две клетки могут появляться и функционировать совершенно по-разному: например, нейрон и клетка скелетных мышц».
Индустрия 4.0 Александр Панчин: Что не так с фильмом Netflix 3 «The One
В ответе за случайность
Большинство женщин знают, что во время беременности очень важно употреблять фолиевую кислоту. Фолиевая кислота вместе с витамином B12 и аминокислотой метионином действует как донор, поставщик метильных групп, необходимых для нормального развития процесса метилирования. Витамин B12 и метионин практически невозможно получить из вегетарианской диеты, так как они содержатся в основном в продуктах животного происхождения, поэтому разгрузочные диеты будущей мамы могут иметь самые неприятные последствия для малыша. Не так давно было обнаружено, что дефицит в рационе этих двух веществ, а также фолиевой кислоты может вызвать нарушение разделения хромосом у плода. А это значительно увеличивает риск рождения ребенка с синдромом Дауна, который обычно считается лишь трагедией.
также известно, что неправильное питание и стресс во время беременности изменяют в худшую сторону концентрацию ряда гормонов в организме матери и плода: глюкокортикоидов, катехоламинов, инсулина, нарушение роста и т.д. Из-за этого эмбрион начинает испытывать негативные эпигенетические изменения в клетках гипоталамуса и гипофиза. Это чревато тем, что малыш родится с нарушенной функцией гипоталамо-гипофизарной системы регуляции. Из-за этого он будет хуже справляться со стрессами самого разного характера: с инфекциями, физическими и умственными нагрузками и т.д. Совершенно очевидно, что, плохо питаясь и беспокоясь во время вынашивания ребенка, мать делает будущего ребенка беззащитным проигравшим со всех сторон.
Можно смело сказать, что период беременности и первые месяцы жизни — самые важные в жизни всех млекопитающих, в том числе человека. Как правильно выразился немецкий нейробиолог Петер Спорк, «в пожилом возрасте на наше здоровье иногда гораздо больше влияет диета матери во время беременности, чем еда в настоящее время».
Судьба по наследству
Наиболее изученным механизмом эпигенетической регуляции активности генов является процесс метилирования, который заключается в присоединении метильной группы (один атом углерода и три атома водорода) к цитозиновым основаниям ДНК. Метилирование может влиять на активность генов несколькими способами. В частности, метильные группы могут физически препятствовать контакту фактора транскрипции (белка, который контролирует синтез матричной РНК на матрице ДНК) со специфическими участками ДНК. С другой стороны, они работают в сочетании с белками, которые связывают метилцитозин, участвуя в процессе ремоделирования хроматина, вещества, составляющего хромосомы, хранилища наследственной информации.
Метилирование ДНК
Метильные группы присоединяются к основаниям цитозина, не разрушая или не модифицируя ДНК, но влияя на активность соответствующих генов. Существует также обратный процесс: деметилирование, при котором удаляются метильные группы и восстанавливается первоначальная активность генов
Метилирование участвует во многих процессах, связанных с развитием и формированием всех органов и систем человека. Один из них — инактивация Х-хромосом у эмбриона. Как известно, у самок млекопитающих есть две копии половых хромосом, обозначенных как Х-хромосома, а у самцов одна Х-хромосома и одна Y-хромосома, которые намного меньше по размеру и количеству генетической информации. Чтобы уравнять мужчин и женщин по количеству продуцируемых генных продуктов (РНК и белков), большинство генов на одной из Х-хромосом у женщин отключено.
Кульминация этого процесса приходится на стадию бластоцисты, когда эмбрион состоит из 50–100 клеток. В каждой клетке случайным образом выбирается хромосома для инактивации (отцовская или материнская), которая остается неактивной во всех последующих поколениях этой клетки. С этим процессом «смешения» отцовских и материнских хромосом связано то обстоятельство, что женщины гораздо реже страдают от болезней, связанных с Х-хромосомой.
Метилирование играет важную роль в дифференцировке клеток, процессе, посредством которого «универсальные» эмбриональные клетки развиваются в специализированные ткани и клетки органов. Мышечные волокна, костная ткань, нервные клетки — все возникает благодаря активности строго определенной части генома. Также известно, что метилирование играет ведущую роль в подавлении большинства типов онкогенов, а также некоторых вирусов.
Из всех эпигенетических механизмов метилирование ДНК имеет наибольшее прикладное значение, поскольку оно напрямую связано с диетой, эмоциональным состоянием, активностью мозга и другими внешними факторами.
Данные, подтверждающие этот вывод, были получены в начале этого века американскими и европейскими исследователями. Ученые посмотрели на голландских стариков, родившихся сразу после войны. Период вынашивания матерей совпал с очень тяжелым периодом, когда зимой 1944-1945 годов в Голландии был настоящий голод. Ученым удалось установить: сильнейшее эмоциональное напряжение и полуголодная диета матери самым негативным образом сказались на здоровье будущих малышей. У них был недостаточный вес при рождении, они во много раз чаще страдали сердечными заболеваниями, ожирением и диабетом в зрелом возрасте, чем их соотечественники, родившиеся на год или два позже (или раньше).
Анализ их генома показал отсутствие метилирования ДНК в тех областях, где это гарантирует сохранение хорошего здоровья. Например, у голландских пожилых людей, матери которых пережили голод, значительно снизилось метилирование гена инсулиноподобного фактора роста (IGF), в результате чего количество IGF в крови увеличилось. И этот фактор, как хорошо известно ученым, имеет обратную связь с продолжительностью жизни: чем выше уровень IGF в организме, тем короче жизнь.
Позже американский ученый Ламберт Люм обнаружил, что в следующем поколении дети, рожденные в семьях этих голландцев, также рождались с аномально низким весом и чаще других страдали всеми возрастными заболеваниями, хотя их родители жили долго достаточно хорошо и съел хорошо. Гены запомнили информацию о голодном периоде беременности бабушек и передали ее внукам из поколения в поколение.
Многоликая эпигенетика
Эпигенетические процессы происходят на нескольких уровнях. Метилирование действует на уровне отдельных нуклеотидов. Следующий уровень — это модификация гистонов, белков, участвующих в упаковке цепей ДНК. Процессы транскрипции и репликации ДНК также зависят от этой упаковки. Отдельная отрасль науки — эпигенетика РНК — изучает эпигенетические процессы, связанные с РНК, в том числе метилирование матричной РНК.
Гены не приговор
Помимо стресса и недоедания, на здоровье плода могут влиять многочисленные вещества, нарушающие нормальные процессы гормональной регуляции. Их называют «эндокринными разрушителями» (разрушителями). Эти вещества, как правило, носят искусственный характер: человечество получает их промышленным способом для своих нужд.
Пожалуй, наиболее ярким и отрицательным примером является бисфенол-А, который уже много лет используется в качестве отвердителя при производстве пластмассовых изделий. Он содержится в некоторых типах пластиковых контейнеров: бутылки для воды и напитков, контейнеры для пищевых продуктов.
Негативным действием бисфенола-A на организм является его способность «разрушать» свободные метильные группы, необходимые для метилирования, и подавлять ферменты, связывающие эти группы с ДНК. Биологи Гарвардской медицинской школы обнаружили способность бисфенола-А подавлять созревание яйцеклеток и, таким образом, приводить к бесплодию. Их коллеги из Колумбийского университета обнаружили способность бисфенола-А стирать различия между полами и стимулировать рождение потомства с гомосексуальными наклонностями. Под действием бисфенола нарушалось нормальное метилирование генов, кодирующих рецепторы эстрогена и женских половых гормонов. По этой причине мыши-самцы рождаются с «женственным», послушным и спокойным характером.
К счастью, есть продукты, положительно влияющие на эпигеном. Например, регулярное употребление зеленого чая может снизить риск рака, поскольку он содержит определенное вещество (эпигаллокатехин-3-галлат), которое может активировать гены-супрессоры (супрессоры) опухолей, деметилируя их ДНК. В последние годы распространение получил генистеин — модулятор эпигенетических процессов, содержащийся в продуктах на основе сои. Многие исследователи связывают содержание сои в рационе жителей азиатских стран с их более низкой восприимчивостью к определенным возрастным заболеваниям.
Изучение эпигенетических механизмов помогло понять важную истину: многое в жизни зависит от нас самих. В отличие от относительно стабильной генетической информации, эпигенетические «метки» при определенных условиях могут быть обратимыми. Это позволяет рассчитывать на принципиально новые методы борьбы с распространенными заболеваниями, основанные на устранении тех эпигенетических модификаций, которые произошли у человека под воздействием неблагоприятных факторов. Применение подходов, направленных на коррекцию эпигенома, открывает перед нами большие перспективы.
Важные факты об эпигенетике
- Эпигенетика — вот что делает нас уникальными. Например, у детей из одной семьи могут быть разные цвета кожи и волос, структура тела и пищевая аллергия. Именно благодаря эпигенетическим процессам мы так отличаемся от шимпанзе, хотя наша ДНК идентична на 99%.
- Наиболее важными факторами эпигенетических изменений являются природные и климатические условия, а также социальная среда и образование. Но есть много других: физическая активность, образ жизни, питание, уровень стресса, особенности старения. Заболевания, подобные болезни Альцгеймера, могут превратить гены из нормальных в нездоровые даже в пожилом возрасте, и это может стать наследственной чертой.
- Эпигенетические процессы начинаются еще до рождения и продолжаются на протяжении всей жизни человека. При этом в пожилом возрасте на нас гораздо больше влияют эпигенетические механизмы, присущие внутриутробному развитию, чем собственный образ жизни.
- К эпигенетическим изменениям относятся только те, которые выходят за рамки нормальных процессов в организме. Например, покупка загара — нет.
- Перенесенные инфекции также влияют на эпигенетику. Бактерии и вирусы могут подорвать иммунную систему, и ваши дети унаследуют ее.
- Развитие рака в организме является результатом как генетических, так и эпигенетических процессов. Точнее, накопление генетических и эпигенетических мутаций, запускающих неконтролируемое деление клеток и отвечающих за то, на какие органы они влияют.
- Паттерны экспрессии меняются в нашем мозгу каждый раз, когда мы сталкиваемся с новой информацией, а нарушение синтеза белка стирает память о недавнем событии.
- Эпигенетические изменения обратимы. Вы можете изменить свой рацион и режим упражнений, и это повлияет на ваш врожденный метаболизм.
Наиболее изученным эпигенетическим механизмом является процесс метилирования. К основаниям цитозина (одного из элементов ДНК) добавляется метильная группа: один атом углерода и три атома водорода. Результат может отличаться. Это вызывает различные изменения активности генов. Например, инактивация Х-хромосом у эмбриона, отвечающих за пол будущего ребенка.
Так выглядит метилирование ДНК (Фото: Кристоф Бок, Институт информатики Макса Планка)
Метилирование отвечает за развитие тканей и органов, а также влияет на подавление онкогенов и некоторых вирусов.
Некоторые из поставщиков метильных групп, активирующих метилирование, — это фолиевая кислота и витамин B12, которые женщины часто принимают во время беременности. Если этих веществ будет недостаточно, у ребенка могут появиться лишние хромосомы, что приведет к развитию синдрома Дауна.
Эпигенетические изменения произошли в последние годы под влиянием промышленных токсичных веществ. Например, бисфенол-А, который используется при производстве пластиковых бутылок и тары. Он разрушает метильные группы и подавляет ферменты, которые прикрепляют их к ДНК.
Алессандро Панчин:
«Эпигенетические признаки по большей части стираются на ранних стадиях эмбрионального развития. Хотя есть отдельные работы о влиянии факторов окружающей среды на эпигенетические характеристики потомства и даже на их наследственную передачу (хотя и очень ограниченную). На мой взгляд, такие работы иногда неправильно используют для доказательства проблем со здоровьем или психикой у людей, предки которых оказались в неблагоприятных условиях: войнах или голоде. Такое ощущение, что это политизировало проблему эпигенетики и мешает ее беспристрастному изучению».
Можно ли продлить жизнь с помощью эпигенетики?
Управление эпигенетическими процессами открывает перед нами большие перспективы. С помощью прямой экспрессии генов мы могли бы достичь физических и умственных сверхспособностей, бесконечно регенерировать органы и значительно продлить нашу жизнь. К сожалению, это пока только теория.
Но ученые уже изучают возможность остановки развития раковых клеток путем изменения экспрессии генов. И мы сами можем изменить свое тело к лучшему, изменив режим на более здоровый и передав эти изменения по наследству.
Например, отказ от курения может вызвать усиление метилирования ДНК. Прием фолиевой кислоты во время беременности может снизить риски многих врожденных заболеваний и аномалий у ребенка. Регулярное употребление сои, куркумы и зеленого чая, а также разнообразное питание также стимулируют положительные эпигенетические изменения. Мягкий климат, регулярные занятия спортом и свежий воздух имеют такое же влияние.
Совсем недавно было опубликовано исследование новой системы для изменения активности генов под названием CRISPRoff. У ученых уже есть инструмент для редактирования ДНК под названием CRISPR / Cas9 — молекулярные ножницы, которые могут искать определенные гены в геноме. Просто скажите им, какие 20 «букв» (нуклеотидов) в ДНК нужно распознать и где их разрезать, и они это сделают. Теперь система модифицирована так, что она не разрезает ДНК, а выталкивает метильные группы в нужное место, деактивируя тот или иной ген. Это может помочь в борьбе со старением, раком и т.д.