"Эпигенетическая регуляция" - читать интересную книгу автора (Назаренко С.А.)

Назаренко. Эпигенетическая регуляция активности генов и ее эволюция


ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

АКТИВНОСТИ ГЕНОВ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ

С.А. Назаренко

НИИ медицинской генетики ТНЦ СО РАМН

634050, г. Томск, наб. Ушайки, 10

E-mail: [email protected]

[из книги: Эволюционная биология. Материалы II Международной конференции "Проблема вида и видообразование". Томск: Томский государственный университет, 2002 - Т. 2. - С. 82-93]

    Проблема индивидуального развития организма является одной из ключевых проблем современной биологии. Основной вопрос этой проблемы заключается в том, каким образом из одного оплодотворенного яйца развивается организм, включающий огромное количество разнообразных, узко специализированных клеток. В конце XIX в. В. Ру и А. Вейсман предложили гипотезу наследственно неравного деления, согласно которой в разные клетки развивающегося организма попадает разная генетическая информация. Другой попыткой объяснения индивидуального развития была теория физиологической генетики Р. Гольдшмидта (1927), который предполагал, что в основе дифференцировки клеток лежат разные скорости биохимических реакций, определяемые разными генами. Заметный вклад в рассматриваемую проблему внес английский исследователь Конрад Уоддингтон (С. Waddington), автор ряда книг и концепций зародышевого развития [1,2]. Ему же принадлежит термин «эпигенетика», введенный в 40-х годах XX столетия для описания изменений экспрессии генов в ходе развития. В настоящее время не подлежит сомнению важная роль эпигенетической наследственной изменчивости в таких фундаментальных общебиологических проблемах, как индивидуальное развитие организмов, механизмы экспрессии генов, возникновение рака и эволюция.

Эпигенетические феномены

С генетической точки зрения вопрос о причинах дифференцировки 100 триллионов (1014) клеток организма человека, имеющих единый геном, сводится к проблеме дифференциальной экспрессии генов в разных клетках развивающегося организма. Становится все более очевидным, что стабильное поддержание этих различий обусловлено эпигенетическим контролем генной экспрессии. В настоящее время под эпигенетической изменчивостью понимается изменение экспрессии генов без изменения первичной последовательности нуклеотидов в ДНК. В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. Интенсивные исследования регуляции активности генов различных видов микроорганизмов, растений, насекомых, животных и человека и секвенирование геномов, выполненные в последние десятилетия XX в., ознаменовались открытием ряда эпигенетических феноменов, к которым можно отнести эффект положения, парамутацию, трансвекцию, косупрессию или РНК-интерференцию, явление прионизации, супрессию транспозонов, геномный импринтинг и инактивацию Х-хромосомы.

Под эффектом положения (Position-effect Variegation - PEV) понимают изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов. Этот эффект был обнаружен А. Стертевантом в 1925 г. у дрозофилы. У данного объекта часто наблюдается изменение экспрессии эухроматинового гена в результате его перемещения в гетерохроматиновую область генома. Эффект положения был обнаружен впоследствии у многих организмов, включая человека [3]. Следует отметить, что корректная экспрессия генов зависит от ряда факторов: 1) состояния промоторной области, где фиксируется транскрипционный комплекс; 2) состояния энхансеров и сайленсеров - коротких областей ДНК, обеспечивающих присоединение тканеспецифичных транскрипционных факторов и помогающих сборке транскрипционного комплекса на промоторе; 3) локального состояния хроматина, окружающего промоторы и энхансеры, которое обеспечивает их доступность для белков, участвующих в контроле транскрипции. Нарушение любого из этих факторов, а также изменение взаиморасположения отдельных элементов, контролирующих работу транскрипционного комплекса, могут привести к изменению транскрипции гена.

Анализ генов и хромосомных перестроек, связанных с рядом заболеваний, привел к пониманию того, что не всегда в случаях нарушения экспрессии определенного гена единица транскрипции данного гена и его промоторная часть несут какой-либо дефект. Изучение этих случаев имеет важное значение для понимания механизмов регуляции работы генов и контроля их транскрипции. В настоящее время важную роль в механизме PEV отводят третьему вышеуказанному уровню контроля генной экспрессии: уменьшение экспрессии или выключение какого-либо гена в результате перемещения его в гетерохроматиновую область генома объясняется формированием репрессионной структуры хроматина данного локуса под влиянием гетерохроматина, обладающего такой конденсированной нуклеосомной структурой. Конкретный механизм изменения структуры хроматина в связи с метилированием ДНК и деацетилированием гистонов будет рассмотрен ниже.

Под парамутацией понимают такое взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей. Термин «парамутация» был введен Р.А. Бринком (R.A. Brink) в 1956 г. для описания обнаруженного им нарушения I закона Менделя, согласно которому генетические факторы сегрегируют в неизмененном виде от гетерозиготных носителей [4]. Бринк наблюдал наследуемое уменьшение активности отдельных r аллелей у кукурузы под влиянием других r аллелей, контролирующих образование пигмента антоциана. В результате активных исследований последних лет установлено, что уменьшенная транскрипция генов является наследственным состоянием, но она может переключаться на более высокий уровень, и этот эффект зависит от гена, наличия других аллелей и генетического окружения. Предполагается, что парамутация также связана с наследственными изменениями структуры хроматина, проявляющимися через дистантные цис- и транс- взаимодействия генов [5].

Под трансвекцией понимают такое взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов. Несмотря на то, что этот феномен часто рассматривается как аллельный процесс транскрибируемых генов, он может быть применим как к неаллельным взаимодействиям, так и к локусам, функции которых не связаны с транскрипцией [6]. Термин «трансвекция» был введен Эдом Льюисом (Е.В. Lewis) в 1954 г. [7]. В качестве примера трансвекции служит локус yellow у дрозофилы - энхансер одного аллеля этого локуса в транс­положении влияет на промотор другого гомолога. Модели трансвекции включают прямое влияние гомологичных последовательностей ДНК друг на друга в результате образования петельных структур, транс-действующих энхансеров, диффундирующих регуляторных молекул РНК, прыгающих полимераз, транссплайсинга и т.д.

Следует, однако, отметить, что изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). У растений, например, известно явление косупрессии, или посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (dsRNA) [8]. Двуспиральная РНК с помощью пока еще не ясного биологического превращения распадается на короткие кусочки - интерферирующую РНК (siRNA), которая запускает деградацию соответствующей матричной РНК. Процесс такой специфической деградации определенных последовательностей информационной РНК, инициированный двуспиральными молекулами РНК, гомологичными к выключаемому гену, и приводящий к выключению его экспрессии, получил название «РНК-интерференции» (RNAi). Она была найдена не только у растений, но и у других организмов, в частности у простейших, грибов и круглых червей - нематод. Последние, например, будучи накормленными РНК, обнаруживали выключение определенных генов внутри своих клеток. РНК-интерференция часто приводит к неблагоприятным последствиям для организма, формируя аномальный фенотип, что позволяет идентифицировать функцию данных генов. До недавнего времени считалось, что RNAi не может иметь место в клетках млекопитающих. Однако в 2001 г. немецкие исследователи во главе с Томасом Тушлом (Т. Tuschl) [9] показали, что короткие двуспиральные молекулы РНК могут индуцировать RNAi в культивируемых клетках человека. Эта методология, позволяющая блокировать матричную РНК определенного гена и оценивать полученные эффекты, по-видимому, поможет существенно улучшить наше понимание многих генов с неизвестной функцией, открытых в результате секвенирования генома человека.

Другое явление цитоплазматической наследственности - прионизация (protein infectious agent) [10] - также ясно отличается от ядерной эпигенетической наследственности и связано уже с модификацией белков. Это явление привлекает внимание исследователей в связи с тяжелыми нейродегенеративными заболеваниями с поздним проявлением, возникающими в результате воздействия приона - инфекционного агента белковой природы, лишенного нуклеиновой кислоты. Нобелевский лауреат Д. Гайдушек назвал их «медленными вирусными инфекциями» [11]. Эти болезни характеризуются атаксией, деменцией, дегенерацией нейронов и отложением амилоидных бляшек в центральной нервной системе. Установлено, что они возникают в результате накопления конформационно измененного аномального прионового белка в мозге при мутациях гена PRNP (20р12); этот белок является инфекционным агентом [12]. К числу таких заболеваний принадлежит болезнь Creutzfeldt-Jakob, болезнь Gerstmann-Straussler, куру, семейная фатальная бессонница и трансмиссивная губчатая энцефалопатия - болезнь бешеных коров.

У многих организмов эпигенетическое выключение генов связано с повторяющимися последовательностями ДНК, локализованными преимущественно в гетерохроматиновых областях генома. Гетерохроматин включает как простые повторы, так и неактивные мобильные генетические элементы -транспозоны. Число транспозонов в геноме человека достаточно велико - более 106 элементов, и они занимают более 40% его объема [13]. Поскольку транспозоны дестабилизируют геном путем инсерционного мутагенеза и способствуют хромосомным перестройкам через рекомбинацию между неаллельными повторами, то предполагается, что роль эпигенетической супрессии транспозонов в геноме млекопитающих заключается в защите хозяина против паразитических последовательностей ДНК [14].

К эпигенетическим феноменам относятся также геномный импринтинг и инактивация Х-хромосомы, которые изучены более подробно, чем явления, которые будут проанализированы ниже.

Геномный импринтинг

Под геномным импринтингом (ГИ) понимают эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские гомологичные хромосомы, приводящий к разному фенотипическому проявлению мутаций у потомства, унаследованных от матери или отца. В генетическом смысле термин «импринтинг» (от англ. imprint — отпечаток) впервые был применен в 1960 г. Хелен Кроуз для описания селективной элиминации отцовских хромосом у насекомых. В 80-х гг. в экспериментах с трансплантацией ядер половых клеток у мышей было показано, что андрогенетические или гиногенетические эмбрионы не могли нормально развиваться в ходе эмбриогенеза. В участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только один из двух аллелей - отцовский или материнский, т.е. наблюдается моноаллельная экспрессия генов. Второй аллель, вследствие наличия на нем некого отпечатка, импринтирован (выключен или подавлен) и не экспрессируется. Такой способ регуляции работы генов свидетельствует о неэквивалентном вкладе родителей в геном потомков.

Благодаря эволюционной консервативности геномов млекопитающих исследование такого удобного модельного объекта, как мышь, вносит большой вклад в выявление импринтированных генов у человека. Эксперименты на мышах позволили создать и проследить развитие зародышей с двумя гомологичными хромосомами от одного родителя. Такое состояние называется униродительской, или однородительской, дисомией (ОРД), которая бывает материнского (mat) или отцовского (pat) происхождения. В зависимости от стадии мейоза, в которой происходит нерасхождение хромосом, возможны 2 типа ОРД - гетеродисомия и изодисомия (нерасхождение в I и во II мейотическом делениях соответственно). Эффекты импринтинга по разным хромосомам набора у мышей варьировали от ранней эмбриональной летальности до поведенческих нарушений. Всего у данного объекта было выявлено 6 разных хромосом с 15 типами фенотипических проявлений импринтинга, и половина из них детерминировала гибель эмбрионов в начале и середине беременности. У человека ОРД по некоторым хромосомам набора также приводит к аномалиям фенотипа, в частности OPfllSmat и ОРД15ра1 - к синдромам Прадера-Вилли (СПВ) и Энгельмана (СЭ) соответственно, ОРД1 Ipat -к синдрому Видемана-Беквита (СВБ), а ОРД7та1 - к синдрому Рассела-Сильвера. Кроме того, поскольку в результате изодисомии происходит гомозиготизация генов, то это событие может способствовать проявлению рецессивных моногенных дефектов.

Следует отметить, что за последние годы был достигнут большой прогресс в идентификации импринтированных генов. У человека известно уже около 30 таких генов и транскриптов и предполагается, что их число может достигать - 200-500 [15]. Таким образом, к настоящему времени картировано, по-видимому, не более 10-15% генов, подвергающихся импринтингу. Импринтированные гены и транскрипты обнаружены на многих хромосомах человека 1, 5, 6, 7, И, 13, 15, 19 и 20. Однако одной из интригующих особенностей генома млекопитающих стало обнаружение кластерной организации большинства из идентифицированных генов, подверженных импринтингу. У млекопитающих найдены два больших кластера ортологичных импринтированных генов, которые расположены в дистальной и центральной частях хромосомы 7 мыши и в хромосомах 11 и 15 человека. В первом кластере имеется по меньшей мере 7 эволюционно консервативных по статусу импринтинга генов, а во втором — 5. Кластерное расположение часто взаимно противоположно импринтированных генов позволило высказать предположение, что импринтинг этих генов взаимозависим. Исследование данного вопроса показало наличие нескольких механизмов регуляции этих генов как внутри кластера, так и между ними.

В настоящее время хорошо изученным является кластер импринтированных генов, расположенный на длинном плече хромосомы 15 человека(15ц11-q 13). Нарушение работы данных генов приводит к двум классическим болезням геномного импринтинга — СПВ и СЭ. Эти заболевания имеют разные клинические признаки (гипотония, ожирение, умственная отсталость, акромикрия, гипогонадизм при СПВ и атаксия, гиперкинезы, пароксизмальный смех, отсутствие речи при СЭ), но при цитогенетическом исследовании в обоих случаях у большинства больных выявляется делеция общего участка q11-q13 хромосомы 15. При анализе родительского происхождения хромосом обнаружено, что СПВ возникает в результате делеции отцовской хромосомы 15, а СЭ - материнской. Этот факт свидетельствует о моноаллельной экспрессии отцовского гена при СПВ и материнского - при СЭ, делеция единственно активных копий которых приводит к функциональной нуллисомии соответствующих критических генов и развитию заболеваний

Механизм контроля импринтинга при СПВ и СЭ является предметом интенсивных исследований. У части больных с СПВ и СЭ без микроделеции выявляется ОРД хромосомы 15 - материнская и отцовская соответственно. В ходе дальнейшего исследования в проксимальном участке хромосомы 15 были обнаружены противоположно импринтированные кандидатные локусы СПВ и СЭ - SNRPNи UBE3A соответственно. Мутации в этих локусах-мишенях импринтинга были выявлены при семейных случаях заболеваний. Ген SNRPN кодирует полипептид N малого ядерного рибонуклеопротеина, мутации которого вовлечены в патогенез СПВ. Центромернее от этого гена обнаружен центр импринтинга (1C), включающий альтернативно сплайсирующиеся 5'-экзоны гена SNRPN. Мутации в этих экзонах вызывают СЭ, возможно, через потерю способности стирать отпечаток предшествующего поколения, т.е. в ходе оогенеза теряется способность переписывать отпечаток импринтинга в направлении от мужчины к женщине, а в ходе сперматогенеза — от женщины к мужчине. Дистальнее гена SNRPN расположены несколько генов, кодирующих нетранслируемую РНК, которая может быть вовлечена в контроль импринтинга. Ген UBE3A, кодирующий убиквитин-лигазный белок ЗА, экспрессируется с хромосомы матери в мозге, но биаллельно — в других тканях. Он мутирует в некоторых случаях при СЭ, делецирован у 60% больных с этим синдромом и не транскрибируется при отцовской ОРД у третьей группы больных. Однако остается неясным вопрос, как импринтированные эпигенотипы могут распространяться на длинные расстояния от центра импринтинга.

Эпигенетическая модификация генома - метилирование ДНК и компактизация хроматина

Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) -Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования [16, 17], и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований [18]. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности [19]. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В - для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза [20].

В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни» [21]. Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков - МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта [22]. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина [21].

Функция и эволюция геномного импринтинга

В настоящее время предложены по крайней мере 2 теории, объясняющие функцию геномного импринтинга. Первая из них - конфликтная теория отцовского и материнского геномов в регуляции роста плода [23]. Увеличение плаценты и массы плода может обеспечить преимущественное размножение потомков по линии отца, но истощит ресурсы матери. Однако если рост плаценты и плода находится под контролем со стороны матери, то она сможет обеспечить воспроизводство большего числа потомков по своей линии. Отсюда можно предполагать, что мать будет импринтировать или выключать гены, способствующие росту плаценты и плода, тогда как отец будет выключать гены, препятствующие этому росту. Вторая (защитная) теория объясняет роль геномного импринтинга с точки зрения защиты генома хозяина от проникновения в него чужеродных элементов. Согласно этой теории импринтинг, и в частности метилирование ДНК, - это защитный механизм, обеспечивающий инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусная ДНК [24]. Независимо от причин, обеспечивших эволюцию геномного импринтинга у млекопитающих, его функциональным следствием является ингибиция партеногенеза и потеря защиты от вредных рецессивных мутаций.

Эпигенетические системы у более высокоразвитых видов могли эволюционировать от бактериальных систем, защищающих геном хозяина от чужеродной ДНК. Бактерии имеют ферменты рестрикции-модификации, которые расщепляют такую ДНК по специфическим сайтам. Сайты распознавания для этих ферментов в бактериальной хромосоме метилируются, что предотвращает ее разрушение. Возможно, что именно этот путь был выбран природой для защиты генома и послужил основой для дальнейшего ее развития. Высказано предположение, что эпигенетические механизмы могли предшествовать эволюции многоклеточности [25]. Дифференцировка генетически идентичных клеток многоклеточного организма может быть обусловлена митотически наследуемыми эпигенетическими модификациями генома, относительно специфическими для клеток разных тканей и связанными с репрессией тех генов, которые не требуются в узко специализированных клетках. Таким образом, проблема индивидуального развития упирается в поиск конкретной программы эпигенетической модификации генома митотически делящихся клеток зиготы развивающегося организма.

Анализ импринтированных генов у разных видов свидетельствует о том, что некоторые гены в ходе эволюции изменили статус импринтинга. В частности, у мышей имеется моноаллельная материнская экспрессия гена M6p/Igf2r, a у человека этот ген характеризуется полиморфным импринтингом, т.е. сочетанием моноаллельной экспрессии гена в одних тканях и биаллельной — в других [26]. Таких генов идентифицируется все больше и больше и скорее всего может оказаться, что гены с полиморфным импринтингом являются не исключением, а правилом. Определение импринтированной экспрессии какого-либо гена в отдельной ткани вовсе не означает, что этот ген будет импринтирован во всех остальных. И наоборот, отсутствие импринтированного статуса гена в некоторых тканях вовсе не исключает его наличия в других. Эти данные подтверждают предположение о том, что тканеспецифичная эпигенетическая модификация генов является одним из основных механизмов, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов клеток разных тканей в ходе развития.

Инактивация Х-хромосомы                             

У многих организмов эволюция половых хромосом влекла за собой коэволюцию механизмов, уравнивающих дозу Х-сцепленных генов между мужским (XY) и женским (XX) полом. Дозовая компенсация у насекомых (дрозофилы) достигается у самцов путем двукратного увеличения транскрипции генов единственной Х-хромосомы. У нематод дозовая компенсация происходит у самок путем избирательного уменьшения транскрипции обеих Х-хромосом. У самок млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате глобальной инактивации одной из Х-хромосом в клетках с ХХ-хромосомной конституцией, которая выключает транскрипцию большинства генов, локализованных на инактивированной Х-хромосоме.

У разных организмов дозовая компенсация осуществляется через контроль структуры хроматина. У самцов дрозофилы особые MSL-белки (Male sex lethal) специфически присоединяются к единственной гипертранскрибируемой Х-хромосоме, изменяя структуру хроматина. У самок нематод дозовая компенсация осуществляется путем ассоциации белка DPY27 с Х-хромосомой, что приводит к конденсации данного участка и уменьшению его транскрипции. У млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате экспрессии гена Xist (X inactive specific transcript), расположенного в центре инактивации Х-хромосомы (Xic). Здесь же локализуется антисмысловой ген Tsix. Инактивация Х-хромосомы является многоступенчатым процессом. Предполагается наличие 4 стадий инактивации Х-хромосомы у млекопитающих: 1) подсчет числа Х-хромосом в клетке; 2) инициация инактивации с центра, контролирующего этот процесс; 3) распространение гетерохроматинизации вдоль всей длины Х-хромосомы; 4) поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ходе последующих митотических делений. В ходе инактивации нетранслируемая РНК, продуцируемая геном Xist, покрывает Х-хромосому, в результате чего она конденсируется и инактивируется [27]. Ген Tsix репрессирован на неактивной Х-хромосоме, но является активным на активной Х-хромосоме. Предполагается, что РНК гена Tsix прямо блокирует действие РНК генам Xist [28]. На инактивированной Х-хромосоме отмечается гиперметилирование CpG-островков и недоацетилирование гистона Н4, однако взаимодействие между этими модификациями хроматина и РНК гена Xist остается неясным.

В заключение следует указать на некоторое сходство между феноменом геномного импринтинга и инактивацией Х-хромосомы. Если геномный импринтинг является способом регуляции работы отдельных аутосомных генов, то инактивация Х-хромосомы является способом регуляции активности большинства генов целой половой Х-хромосомы женского генома. Импринтированные гены, однако, также часто располагаются на аутосомах в виде кластеров. В основе геномного импринтинга и инактивации Х-хромосомы лежат сходные эпигенетические механизмы регуляции генной активности. В аутосомах имеется центр импринтинга, а в Х-хромосоме - центр инактивации, которые инициируют выключение транскрипции через продукцию нетранслируемой РНК, а последующее метилирование ДНК закрепляет это состояние. Таким образом, в ходе эволюции эпигенетических механизмов регуляции генной активности природа отбирала и закрепляла некие общие глобальные стратегии и механизмы регуляции работы генома.

     Литература

1.    Уоддингтон К. Организаторы и гены. М.: ИЛ, 1947.

2.  Уоддингтон К. Морфогенез и генетика. М.: Мир, 1964.

3. Kleinjan D-J., Heyningen V. van. Position effect in human genetic disease. // Hum. Mol. Genet. 1998. Vol. 7. P. 1611-1618.

4. Brink R.A. A genetic change associated with the R locus in maize which is directed and potentially

reversible // Genetics. 1956. Vol. 41. P. 872-889.

5. Chandler V.L., Eggleston W.B., Dorweiler J.E. Paramutation in maize // Plant Molecular Biology.

2000. Vol. 43. P. 121-145.

6. Wu C., Morris J.R. Transvection and other homology effects // Curr. Opin. Gen. Dev. 1999. Vol. 9.
P. 281-291.

7 Lewis E.B. The theory and application of a new method of detecting chromosomal rearrangements in Drosophila melanogaster//Am. Nat. 1954. Vol. 88. P. 225-239.

8. Depicker A., Van Montagu M. van. Posttranscriptional gene silencing in plants//Curr Op. Cell. 1997. Vol. 9. P. 373-382.

9. Elbashir S.M., Harborth J., Lendeckel W. et al. Duplexes of 21-nucleotide RNAs mediate RNA

interference in cultured mammalian cells //Nature. 2001. Vol. 411. P. 494-498.

10. Prusiner SB. Novel proteinaceous infectious particles cause scarpie // Science. 1982. Vol. 216.
P. 136-144.

11.  Gajdusek D.C., Gibbs C.J., Alpers M. Experimental transmission of a kuru-like syndrome to chimpanzees //Nature. 1966. Vol. 209. P. 794-796.

12. Telling G C., Parchi P., DeArmond S.J. et al. Evidence for the conformation of the pathologic isoform of the prion protein encipering and propogatingprion diversity // Science. 1996. Vol. 274. P. 2079-2082.

13.        Smit A.F.A. Interspersed repeats and other mementos of transposable elements in mammalian genomes //Curr Opin. Genet. Dev. 1999. Vol. 9. P. 657-663.

14. Yoder J.A., Walsh C.P., Bestor Т.Н. Cytosine methylation and the ecology of intragenic parasites

//Trends Genet. 1997. Vol. 13. P. 335-340.

15.  Falls J.G., Pulford D.J., Wyhe A.A., Jirtle R.L. Genomic imprinting: implications for human disease //Am. J. Pathol. 1999. Vol. 154. P. 635-647. ; 

16.  Silva A. J., Ward K., White R. Mosaic methylation in clonal tissue // Dev. Biol. 1993. Vol. 156. P. 391-398.

17. Garrick D., Fiering S., Martin D.I.K., Whitelaw E. Repeat-induced gene silencing in mammals//Nat. Genet. 1998. Vol. 18. P. 56-59.

I8. Petronis A. Human morbid genetics revisited: relevance of epigenetics// Trends Genet. 2001. Vol. 17. P. 142-146.

19. Li E., Bestor Т.Н., Jaenisch R. Targeted mutation of the DNAmethyltransferase gene results in embryonic lethality // Cell. 1992. Vol. 69. P. 915-926.

20.   Bestor Т.Н. The DNAmethyltransferases of mammals // Hum. Mol. Genet. 2000. Vol. 9. P. 2395-2402.

21. Hendrich В., Bickmore W. Human diseases with underlying defects in chromatin structure and
modification // Hum. Mol. Genet. 2001. Vol. 10. P. 2233-2242.

22. Amir R.E., Van den Veyver L.B., Wan M. et al. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2 // Nat. Genet. 1999. Vol. 23. P. 185-188.

23.  Moore Т., Haig D. Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war // Trends Genet. 1991. Vol. 7. P. 45-49.

24. Bestor Т.Н., Tycko B. Creation of genomic methylation patterns // Nat. Genet. 1996. Vol. 12.
P. 363-367.

25. JablonkaE., Lamb M.J. Epigenetic inheritance in evolution //J.Evol. Biol. 1998. Vol. 11.P. 159-183.

26.  Kalscheuer V.M., Mariman E.C., Schepens M.T. et al. The insulin-like growth factor type-2 receptor gene is imprinted in the mouse but not in humans //Nat. Genet. 1993. Vol. 5. P. 74-78.

27.   Clemson C.M., McNeil J.A., Willard H., Lawrence J.B. XIST RNA paints the inactive X chromosome at interphase: evidence for a novel RNA involved in nuclear/chromosome structure // J. Cell Biol. 1996. Vol. 132. P. 259-275.

28. Lee J.T., Davidow L.S., Warshawsky D. Tsix, a gene antisense to Xist at the X-inactivation center
// Nat. Genet. 1999. Vol. 21. P. 400-404.

 



Назаренко. Эпигенетическая регуляция активности генов и ее эволюция


ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

АКТИВНОСТИ ГЕНОВ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ

С.А. Назаренко

НИИ медицинской генетики ТНЦ СО РАМН

634050, г. Томск, наб. Ушайки, 10

E-mail: [email protected]

[из книги: Эволюционная биология. Материалы II Международной конференции "Проблема вида и видообразование". Томск: Томский государственный университет, 2002 - Т. 2. - С. 82-93]

    Проблема индивидуального развития организма является одной из ключевых проблем современной биологии. Основной вопрос этой проблемы заключается в том, каким образом из одного оплодотворенного яйца развивается организм, включающий огромное количество разнообразных, узко специализированных клеток. В конце XIX в. В. Ру и А. Вейсман предложили гипотезу наследственно неравного деления, согласно которой в разные клетки развивающегося организма попадает разная генетическая информация. Другой попыткой объяснения индивидуального развития была теория физиологической генетики Р. Гольдшмидта (1927), который предполагал, что в основе дифференцировки клеток лежат разные скорости биохимических реакций, определяемые разными генами. Заметный вклад в рассматриваемую проблему внес английский исследователь Конрад Уоддингтон (С. Waddington), автор ряда книг и концепций зародышевого развития [1,2]. Ему же принадлежит термин «эпигенетика», введенный в 40-х годах XX столетия для описания изменений экспрессии генов в ходе развития. В настоящее время не подлежит сомнению важная роль эпигенетической наследственной изменчивости в таких фундаментальных общебиологических проблемах, как индивидуальное развитие организмов, механизмы экспрессии генов, возникновение рака и эволюция.

Эпигенетические феномены

С генетической точки зрения вопрос о причинах дифференцировки 100 триллионов (1014) клеток организма человека, имеющих единый геном, сводится к проблеме дифференциальной экспрессии генов в разных клетках развивающегося организма. Становится все более очевидным, что стабильное поддержание этих различий обусловлено эпигенетическим контролем генной экспрессии. В настоящее время под эпигенетической изменчивостью понимается изменение экспрессии генов без изменения первичной последовательности нуклеотидов в ДНК. В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. Интенсивные исследования регуляции активности генов различных видов микроорганизмов, растений, насекомых, животных и человека и секвенирование геномов, выполненные в последние десятилетия XX в., ознаменовались открытием ряда эпигенетических феноменов, к которым можно отнести эффект положения, парамутацию, трансвекцию, косупрессию или РНК-интерференцию, явление прионизации, супрессию транспозонов, геномный импринтинг и инактивацию Х-хромосомы.

Под эффектом положения (Position-effect Variegation - PEV) понимают изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов. Этот эффект был обнаружен А. Стертевантом в 1925 г. у дрозофилы. У данного объекта часто наблюдается изменение экспрессии эухроматинового гена в результате его перемещения в гетерохроматиновую область генома. Эффект положения был обнаружен впоследствии у многих организмов, включая человека [3]. Следует отметить, что корректная экспрессия генов зависит от ряда факторов: 1) состояния промоторной области, где фиксируется транскрипционный комплекс; 2) состояния энхансеров и сайленсеров - коротких областей ДНК, обеспечивающих присоединение тканеспецифичных транскрипционных факторов и помогающих сборке транскрипционного комплекса на промоторе; 3) локального состояния хроматина, окружающего промоторы и энхансеры, которое обеспечивает их доступность для белков, участвующих в контроле транскрипции. Нарушение любого из этих факторов, а также изменение взаиморасположения отдельных элементов, контролирующих работу транскрипционного комплекса, могут привести к изменению транскрипции гена.

Анализ генов и хромосомных перестроек, связанных с рядом заболеваний, привел к пониманию того, что не всегда в случаях нарушения экспрессии определенного гена единица транскрипции данного гена и его промоторная часть несут какой-либо дефект. Изучение этих случаев имеет важное значение для понимания механизмов регуляции работы генов и контроля их транскрипции. В настоящее время важную роль в механизме PEV отводят третьему вышеуказанному уровню контроля генной экспрессии: уменьшение экспрессии или выключение какого-либо гена в результате перемещения его в гетерохроматиновую область генома объясняется формированием репрессионной структуры хроматина данного локуса под влиянием гетерохроматина, обладающего такой конденсированной нуклеосомной структурой. Конкретный механизм изменения структуры хроматина в связи с метилированием ДНК и деацетилированием гистонов будет рассмотрен ниже.

Под парамутацией понимают такое взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей. Термин «парамутация» был введен Р.А. Бринком (R.A. Brink) в 1956 г. для описания обнаруженного им нарушения I закона Менделя, согласно которому генетические факторы сегрегируют в неизмененном виде от гетерозиготных носителей [4]. Бринк наблюдал наследуемое уменьшение активности отдельных r аллелей у кукурузы под влиянием других r аллелей, контролирующих образование пигмента антоциана. В результате активных исследований последних лет установлено, что уменьшенная транскрипция генов является наследственным состоянием, но она может переключаться на более высокий уровень, и этот эффект зависит от гена, наличия других аллелей и генетического окружения. Предполагается, что парамутация также связана с наследственными изменениями структуры хроматина, проявляющимися через дистантные цис- и транс- взаимодействия генов [5].

Под трансвекцией понимают такое взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов. Несмотря на то, что этот феномен часто рассматривается как аллельный процесс транскрибируемых генов, он может быть применим как к неаллельным взаимодействиям, так и к локусам, функции которых не связаны с транскрипцией [6]. Термин «трансвекция» был введен Эдом Льюисом (Е.В. Lewis) в 1954 г. [7]. В качестве примера трансвекции служит локус yellow у дрозофилы - энхансер одного аллеля этого локуса в транс­положении влияет на промотор другого гомолога. Модели трансвекции включают прямое влияние гомологичных последовательностей ДНК друг на друга в результате образования петельных структур, транс-действующих энхансеров, диффундирующих регуляторных молекул РНК, прыгающих полимераз, транссплайсинга и т.д.

Следует, однако, отметить, что изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). У растений, например, известно явление косупрессии, или посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (dsRNA) [8]. Двуспиральная РНК с помощью пока еще не ясного биологического превращения распадается на короткие кусочки - интерферирующую РНК (siRNA), которая запускает деградацию соответствующей матричной РНК. Процесс такой специфической деградации определенных последовательностей информационной РНК, инициированный двуспиральными молекулами РНК, гомологичными к выключаемому гену, и приводящий к выключению его экспрессии, получил название «РНК-интерференции» (RNAi). Она была найдена не только у растений, но и у других организмов, в частности у простейших, грибов и круглых червей - нематод. Последние, например, будучи накормленными РНК, обнаруживали выключение определенных генов внутри своих клеток. РНК-интерференция часто приводит к неблагоприятным последствиям для организма, формируя аномальный фенотип, что позволяет идентифицировать функцию данных генов. До недавнего времени считалось, что RNAi не может иметь место в клетках млекопитающих. Однако в 2001 г. немецкие исследователи во главе с Томасом Тушлом (Т. Tuschl) [9] показали, что короткие двуспиральные молекулы РНК могут индуцировать RNAi в культивируемых клетках человека. Эта методология, позволяющая блокировать матричную РНК определенного гена и оценивать полученные эффекты, по-видимому, поможет существенно улучшить наше понимание многих генов с неизвестной функцией, открытых в результате секвенирования генома человека.

Другое явление цитоплазматической наследственности - прионизация (protein infectious agent) [10] - также ясно отличается от ядерной эпигенетической наследственности и связано уже с модификацией белков. Это явление привлекает внимание исследователей в связи с тяжелыми нейродегенеративными заболеваниями с поздним проявлением, возникающими в результате воздействия приона - инфекционного агента белковой природы, лишенного нуклеиновой кислоты. Нобелевский лауреат Д. Гайдушек назвал их «медленными вирусными инфекциями» [11]. Эти болезни характеризуются атаксией, деменцией, дегенерацией нейронов и отложением амилоидных бляшек в центральной нервной системе. Установлено, что они возникают в результате накопления конформационно измененного аномального прионового белка в мозге при мутациях гена PRNP (20р12); этот белок является инфекционным агентом [12]. К числу таких заболеваний принадлежит болезнь Creutzfeldt-Jakob, болезнь Gerstmann-Straussler, куру, семейная фатальная бессонница и трансмиссивная губчатая энцефалопатия - болезнь бешеных коров.

У многих организмов эпигенетическое выключение генов связано с повторяющимися последовательностями ДНК, локализованными преимущественно в гетерохроматиновых областях генома. Гетерохроматин включает как простые повторы, так и неактивные мобильные генетические элементы -транспозоны. Число транспозонов в геноме человека достаточно велико - более 106 элементов, и они занимают более 40% его объема [13]. Поскольку транспозоны дестабилизируют геном путем инсерционного мутагенеза и способствуют хромосомным перестройкам через рекомбинацию между неаллельными повторами, то предполагается, что роль эпигенетической супрессии транспозонов в геноме млекопитающих заключается в защите хозяина против паразитических последовательностей ДНК [14].

К эпигенетическим феноменам относятся также геномный импринтинг и инактивация Х-хромосомы, которые изучены более подробно, чем явления, которые будут проанализированы ниже.

Геномный импринтинг

Под геномным импринтингом (ГИ) понимают эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские гомологичные хромосомы, приводящий к разному фенотипическому проявлению мутаций у потомства, унаследованных от матери или отца. В генетическом смысле термин «импринтинг» (от англ. imprint — отпечаток) впервые был применен в 1960 г. Хелен Кроуз для описания селективной элиминации отцовских хромосом у насекомых. В 80-х гг. в экспериментах с трансплантацией ядер половых клеток у мышей было показано, что андрогенетические или гиногенетические эмбрионы не могли нормально развиваться в ходе эмбриогенеза. В участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только один из двух аллелей - отцовский или материнский, т.е. наблюдается моноаллельная экспрессия генов. Второй аллель, вследствие наличия на нем некого отпечатка, импринтирован (выключен или подавлен) и не экспрессируется. Такой способ регуляции работы генов свидетельствует о неэквивалентном вкладе родителей в геном потомков.

Благодаря эволюционной консервативности геномов млекопитающих исследование такого удобного модельного объекта, как мышь, вносит большой вклад в выявление импринтированных генов у человека. Эксперименты на мышах позволили создать и проследить развитие зародышей с двумя гомологичными хромосомами от одного родителя. Такое состояние называется униродительской, или однородительской, дисомией (ОРД), которая бывает материнского (mat) или отцовского (pat) происхождения. В зависимости от стадии мейоза, в которой происходит нерасхождение хромосом, возможны 2 типа ОРД - гетеродисомия и изодисомия (нерасхождение в I и во II мейотическом делениях соответственно). Эффекты импринтинга по разным хромосомам набора у мышей варьировали от ранней эмбриональной летальности до поведенческих нарушений. Всего у данного объекта было выявлено 6 разных хромосом с 15 типами фенотипических проявлений импринтинга, и половина из них детерминировала гибель эмбрионов в начале и середине беременности. У человека ОРД по некоторым хромосомам набора также приводит к аномалиям фенотипа, в частности OPfllSmat и ОРД15ра1 - к синдромам Прадера-Вилли (СПВ) и Энгельмана (СЭ) соответственно, ОРД1 Ipat -к синдрому Видемана-Беквита (СВБ), а ОРД7та1 - к синдрому Рассела-Сильвера. Кроме того, поскольку в результате изодисомии происходит гомозиготизация генов, то это событие может способствовать проявлению рецессивных моногенных дефектов.

Следует отметить, что за последние годы был достигнут большой прогресс в идентификации импринтированных генов. У человека известно уже около 30 таких генов и транскриптов и предполагается, что их число может достигать - 200-500 [15]. Таким образом, к настоящему времени картировано, по-видимому, не более 10-15% генов, подвергающихся импринтингу. Импринтированные гены и транскрипты обнаружены на многих хромосомах человека 1, 5, 6, 7, И, 13, 15, 19 и 20. Однако одной из интригующих особенностей генома млекопитающих стало обнаружение кластерной организации большинства из идентифицированных генов, подверженных импринтингу. У млекопитающих найдены два больших кластера ортологичных импринтированных генов, которые расположены в дистальной и центральной частях хромосомы 7 мыши и в хромосомах 11 и 15 человека. В первом кластере имеется по меньшей мере 7 эволюционно консервативных по статусу импринтинга генов, а во втором — 5. Кластерное расположение часто взаимно противоположно импринтированных генов позволило высказать предположение, что импринтинг этих генов взаимозависим. Исследование данного вопроса показало наличие нескольких механизмов регуляции этих генов как внутри кластера, так и между ними.

В настоящее время хорошо изученным является кластер импринтированных генов, расположенный на длинном плече хромосомы 15 человека(15ц11-q 13). Нарушение работы данных генов приводит к двум классическим болезням геномного импринтинга — СПВ и СЭ. Эти заболевания имеют разные клинические признаки (гипотония, ожирение, умственная отсталость, акромикрия, гипогонадизм при СПВ и атаксия, гиперкинезы, пароксизмальный смех, отсутствие речи при СЭ), но при цитогенетическом исследовании в обоих случаях у большинства больных выявляется делеция общего участка q11-q13 хромосомы 15. При анализе родительского происхождения хромосом обнаружено, что СПВ возникает в результате делеции отцовской хромосомы 15, а СЭ - материнской. Этот факт свидетельствует о моноаллельной экспрессии отцовского гена при СПВ и материнского - при СЭ, делеция единственно активных копий которых приводит к функциональной нуллисомии соответствующих критических генов и развитию заболеваний

Механизм контроля импринтинга при СПВ и СЭ является предметом интенсивных исследований. У части больных с СПВ и СЭ без микроделеции выявляется ОРД хромосомы 15 - материнская и отцовская соответственно. В ходе дальнейшего исследования в проксимальном участке хромосомы 15 были обнаружены противоположно импринтированные кандидатные локусы СПВ и СЭ - SNRPNи UBE3A соответственно. Мутации в этих локусах-мишенях импринтинга были выявлены при семейных случаях заболеваний. Ген SNRPN кодирует полипептид N малого ядерного рибонуклеопротеина, мутации которого вовлечены в патогенез СПВ. Центромернее от этого гена обнаружен центр импринтинга (1C), включающий альтернативно сплайсирующиеся 5'-экзоны гена SNRPN. Мутации в этих экзонах вызывают СЭ, возможно, через потерю способности стирать отпечаток предшествующего поколения, т.е. в ходе оогенеза теряется способность переписывать отпечаток импринтинга в направлении от мужчины к женщине, а в ходе сперматогенеза — от женщины к мужчине. Дистальнее гена SNRPN расположены несколько генов, кодирующих нетранслируемую РНК, которая может быть вовлечена в контроль импринтинга. Ген UBE3A, кодирующий убиквитин-лигазный белок ЗА, экспрессируется с хромосомы матери в мозге, но биаллельно — в других тканях. Он мутирует в некоторых случаях при СЭ, делецирован у 60% больных с этим синдромом и не транскрибируется при отцовской ОРД у третьей группы больных. Однако остается неясным вопрос, как импринтированные эпигенотипы могут распространяться на длинные расстояния от центра импринтинга.

Эпигенетическая модификация генома - метилирование ДНК и компактизация хроматина

Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) -Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования [16, 17], и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований [18]. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности [19]. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В - для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза [20].

В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни» [21]. Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков - МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта [22]. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина [21].

Функция и эволюция геномного импринтинга

В настоящее время предложены по крайней мере 2 теории, объясняющие функцию геномного импринтинга. Первая из них - конфликтная теория отцовского и материнского геномов в регуляции роста плода [23]. Увеличение плаценты и массы плода может обеспечить преимущественное размножение потомков по линии отца, но истощит ресурсы матери. Однако если рост плаценты и плода находится под контролем со стороны матери, то она сможет обеспечить воспроизводство большего числа потомков по своей линии. Отсюда можно предполагать, что мать будет импринтировать или выключать гены, способствующие росту плаценты и плода, тогда как отец будет выключать гены, препятствующие этому росту. Вторая (защитная) теория объясняет роль геномного импринтинга с точки зрения защиты генома хозяина от проникновения в него чужеродных элементов. Согласно этой теории импринтинг, и в частности метилирование ДНК, - это защитный механизм, обеспечивающий инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусная ДНК [24]. Независимо от причин, обеспечивших эволюцию геномного импринтинга у млекопитающих, его функциональным следствием является ингибиция партеногенеза и потеря защиты от вредных рецессивных мутаций.

Эпигенетические системы у более высокоразвитых видов могли эволюционировать от бактериальных систем, защищающих геном хозяина от чужеродной ДНК. Бактерии имеют ферменты рестрикции-модификации, которые расщепляют такую ДНК по специфическим сайтам. Сайты распознавания для этих ферментов в бактериальной хромосоме метилируются, что предотвращает ее разрушение. Возможно, что именно этот путь был выбран природой для защиты генома и послужил основой для дальнейшего ее развития. Высказано предположение, что эпигенетические механизмы могли предшествовать эволюции многоклеточности [25]. Дифференцировка генетически идентичных клеток многоклеточного организма может быть обусловлена митотически наследуемыми эпигенетическими модификациями генома, относительно специфическими для клеток разных тканей и связанными с репрессией тех генов, которые не требуются в узко специализированных клетках. Таким образом, проблема индивидуального развития упирается в поиск конкретной программы эпигенетической модификации генома митотически делящихся клеток зиготы развивающегося организма.

Анализ импринтированных генов у разных видов свидетельствует о том, что некоторые гены в ходе эволюции изменили статус импринтинга. В частности, у мышей имеется моноаллельная материнская экспрессия гена M6p/Igf2r, a у человека этот ген характеризуется полиморфным импринтингом, т.е. сочетанием моноаллельной экспрессии гена в одних тканях и биаллельной — в других [26]. Таких генов идентифицируется все больше и больше и скорее всего может оказаться, что гены с полиморфным импринтингом являются не исключением, а правилом. Определение импринтированной экспрессии какого-либо гена в отдельной ткани вовсе не означает, что этот ген будет импринтирован во всех остальных. И наоборот, отсутствие импринтированного статуса гена в некоторых тканях вовсе не исключает его наличия в других. Эти данные подтверждают предположение о том, что тканеспецифичная эпигенетическая модификация генов является одним из основных механизмов, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов клеток разных тканей в ходе развития.

Инактивация Х-хромосомы                             

У многих организмов эволюция половых хромосом влекла за собой коэволюцию механизмов, уравнивающих дозу Х-сцепленных генов между мужским (XY) и женским (XX) полом. Дозовая компенсация у насекомых (дрозофилы) достигается у самцов путем двукратного увеличения транскрипции генов единственной Х-хромосомы. У нематод дозовая компенсация происходит у самок путем избирательного уменьшения транскрипции обеих Х-хромосом. У самок млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате глобальной инактивации одной из Х-хромосом в клетках с ХХ-хромосомной конституцией, которая выключает транскрипцию большинства генов, локализованных на инактивированной Х-хромосоме.

У разных организмов дозовая компенсация осуществляется через контроль структуры хроматина. У самцов дрозофилы особые MSL-белки (Male sex lethal) специфически присоединяются к единственной гипертранскрибируемой Х-хромосоме, изменяя структуру хроматина. У самок нематод дозовая компенсация осуществляется путем ассоциации белка DPY27 с Х-хромосомой, что приводит к конденсации данного участка и уменьшению его транскрипции. У млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате экспрессии гена Xist (X inactive specific transcript), расположенного в центре инактивации Х-хромосомы (Xic). Здесь же локализуется антисмысловой ген Tsix. Инактивация Х-хромосомы является многоступенчатым процессом. Предполагается наличие 4 стадий инактивации Х-хромосомы у млекопитающих: 1) подсчет числа Х-хромосом в клетке; 2) инициация инактивации с центра, контролирующего этот процесс; 3) распространение гетерохроматинизации вдоль всей длины Х-хромосомы; 4) поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ходе последующих митотических делений. В ходе инактивации нетранслируемая РНК, продуцируемая геном Xist, покрывает Х-хромосому, в результате чего она конденсируется и инактивируется [27]. Ген Tsix репрессирован на неактивной Х-хромосоме, но является активным на активной Х-хромосоме. Предполагается, что РНК гена Tsix прямо блокирует действие РНК генам Xist [28]. На инактивированной Х-хромосоме отмечается гиперметилирование CpG-островков и недоацетилирование гистона Н4, однако взаимодействие между этими модификациями хроматина и РНК гена Xist остается неясным.

В заключение следует указать на некоторое сходство между феноменом геномного импринтинга и инактивацией Х-хромосомы. Если геномный импринтинг является способом регуляции работы отдельных аутосомных генов, то инактивация Х-хромосомы является способом регуляции активности большинства генов целой половой Х-хромосомы женского генома. Импринтированные гены, однако, также часто располагаются на аутосомах в виде кластеров. В основе геномного импринтинга и инактивации Х-хромосомы лежат сходные эпигенетические механизмы регуляции генной активности. В аутосомах имеется центр импринтинга, а в Х-хромосоме - центр инактивации, которые инициируют выключение транскрипции через продукцию нетранслируемой РНК, а последующее метилирование ДНК закрепляет это состояние. Таким образом, в ходе эволюции эпигенетических механизмов регуляции генной активности природа отбирала и закрепляла некие общие глобальные стратегии и механизмы регуляции работы генома.

     Литература

1.    Уоддингтон К. Организаторы и гены. М.: ИЛ, 1947.

2.  Уоддингтон К. Морфогенез и генетика. М.: Мир, 1964.

3. Kleinjan D-J., Heyningen V. van. Position effect in human genetic disease. // Hum. Mol. Genet. 1998. Vol. 7. P. 1611-1618.

4. Brink R.A. A genetic change associated with the R locus in maize which is directed and potentially

reversible // Genetics. 1956. Vol. 41. P. 872-889.

5. Chandler V.L., Eggleston W.B., Dorweiler J.E. Paramutation in maize // Plant Molecular Biology.

2000. Vol. 43. P. 121-145.

6. Wu C., Morris J.R. Transvection and other homology effects // Curr. Opin. Gen. Dev. 1999. Vol. 9.
P. 281-291.

7 Lewis E.B. The theory and application of a new method of detecting chromosomal rearrangements in Drosophila melanogaster//Am. Nat. 1954. Vol. 88. P. 225-239.

8. Depicker A., Van Montagu M. van. Posttranscriptional gene silencing in plants//Curr Op. Cell. 1997. Vol. 9. P. 373-382.

9. Elbashir S.M., Harborth J., Lendeckel W. et al. Duplexes of 21-nucleotide RNAs mediate RNA

interference in cultured mammalian cells //Nature. 2001. Vol. 411. P. 494-498.

10. Prusiner SB. Novel proteinaceous infectious particles cause scarpie // Science. 1982. Vol. 216.
P. 136-144.

11.  Gajdusek D.C., Gibbs C.J., Alpers M. Experimental transmission of a kuru-like syndrome to chimpanzees //Nature. 1966. Vol. 209. P. 794-796.

12. Telling G C., Parchi P., DeArmond S.J. et al. Evidence for the conformation of the pathologic isoform of the prion protein encipering and propogatingprion diversity // Science. 1996. Vol. 274. P. 2079-2082.

13.        Smit A.F.A. Interspersed repeats and other mementos of transposable elements in mammalian genomes //Curr Opin. Genet. Dev. 1999. Vol. 9. P. 657-663.

14. Yoder J.A., Walsh C.P., Bestor Т.Н. Cytosine methylation and the ecology of intragenic parasites

//Trends Genet. 1997. Vol. 13. P. 335-340.

15.  Falls J.G., Pulford D.J., Wyhe A.A., Jirtle R.L. Genomic imprinting: implications for human disease //Am. J. Pathol. 1999. Vol. 154. P. 635-647. ; 

16.  Silva A. J., Ward K., White R. Mosaic methylation in clonal tissue // Dev. Biol. 1993. Vol. 156. P. 391-398.

17. Garrick D., Fiering S., Martin D.I.K., Whitelaw E. Repeat-induced gene silencing in mammals//Nat. Genet. 1998. Vol. 18. P. 56-59.

I8. Petronis A. Human morbid genetics revisited: relevance of epigenetics// Trends Genet. 2001. Vol. 17. P. 142-146.

19. Li E., Bestor Т.Н., Jaenisch R. Targeted mutation of the DNAmethyltransferase gene results in embryonic lethality // Cell. 1992. Vol. 69. P. 915-926.

20.   Bestor Т.Н. The DNAmethyltransferases of mammals // Hum. Mol. Genet. 2000. Vol. 9. P. 2395-2402.

21. Hendrich В., Bickmore W. Human diseases with underlying defects in chromatin structure and
modification // Hum. Mol. Genet. 2001. Vol. 10. P. 2233-2242.

22. Amir R.E., Van den Veyver L.B., Wan M. et al. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2 // Nat. Genet. 1999. Vol. 23. P. 185-188.

23.  Moore Т., Haig D. Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war // Trends Genet. 1991. Vol. 7. P. 45-49.

24. Bestor Т.Н., Tycko B. Creation of genomic methylation patterns // Nat. Genet. 1996. Vol. 12.
P. 363-367.

25. JablonkaE., Lamb M.J. Epigenetic inheritance in evolution //J.Evol. Biol. 1998. Vol. 11.P. 159-183.

26.  Kalscheuer V.M., Mariman E.C., Schepens M.T. et al. The insulin-like growth factor type-2 receptor gene is imprinted in the mouse but not in humans //Nat. Genet. 1993. Vol. 5. P. 74-78.

27.   Clemson C.M., McNeil J.A., Willard H., Lawrence J.B. XIST RNA paints the inactive X chromosome at interphase: evidence for a novel RNA involved in nuclear/chromosome structure // J. Cell Biol. 1996. Vol. 132. P. 259-275.

28. Lee J.T., Davidow L.S., Warshawsky D. Tsix, a gene antisense to Xist at the X-inactivation center
// Nat. Genet. 1999. Vol. 21. P. 400-404.

 


© 2024 Библиотека RealLib.org (support [a t] reallib.org)