Несса Кэри - Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Но каким же образом характер метилирования закрепляется в ОКИ современных млекопитающих и передается из поколения в поколение? Ведь он не зависит от различий в ДНК-последовательностях между геномами, унаследованными от матери и отца. Как же он укореняется в геноме? Допустим, женщина унаследует зоны, подвергшиеся импринтингу, от своего отца. В них ОКИ особым образом метилированы/не метилированы: характер метилирования подтверждает, что она унаследовала этот участок генома от своего папаши. Но если она передаст ту же импринтированную зону своему отпрыску, все следы отцовского импринтинга неизбежно сотрутся. На смену им придет характер метилирования, показывающий, что он унаследован от матери.

На первый взгляд кажется, что тут полно внутренних противоречий. Возможно, в этой путанице легче разобраться, если вновь обратиться к миру мюзиклов. Речь пойдет уже не об Оскаре Хаммерстайне, а о Хэле Дэвиде — поэте-песеннике, который долгое время сотрудничал с композитором Бертом Бакараком. Именно они сочинили песенки для киномюзикла 1973 года «Потерянный горизонт». Одна из них стала весьма известной. В ней есть полезная для нас идея: «Мир — круг без начала и конца». Процессы развития гораздо легче представить себе именно как такие бесконечные круги, а не как прямые линии. Такой цикл «надень—сними—надень», свойственный возникновению ОКИ, подвергающейся импринтингу, схематически показан на рис. 10.2. Мы видим, что яйцеклетки всегда передают потомству материнскую картину метилирования ОКИ. Такой же процесс позволяет сперматозоиду всегда передавать потомству отцовскую картину метилирования.

Рис. 10.2.Циклы метилирования и деметилирования обеспечивают процесс передачи потомству хромосом, которые содержат нужные модификации, указывающие на то, от какого родителя передан материал.

Разумеется, эта схема порождает свои вопросы. Каким образом развивающиеся яйцеклетки и сперматозоиды идентифицируют области, контролирующие импринтинг? И откуда они знают, какие области надо метилировать, а какие — нет? Сейчас этими проблемами активно занимаются ученые. Возможно, для каждой ОКИ процесс проходит по-своему. Возможно, в мужских и женских половых клетках он также протекает по-разному. Честно говоря, многое здесь пока остается тайной. Однако мы все-таки сумели кое-что прояснить. Мы знаем, что в материнской зародышевой (генеративной) линии, то есть в клетках, порождающих яйцеклетки, важнейшую роль в этом процессе играют ферменты, способные пристраивать метильные группы к неметилированным ЦГ-мотивам ДНК [26] Ключевую роль здесь играют белки DNMT3A и DNMT3L — заново синтезируемые ДНК-метилтрансферазы. ,12. После этого сложившийся характер метилирования активно поддерживается ферментом, чья функция как раз и состоит в сохранении существующей картины метилирования [27] Этот белок называется DNMT1, или поддерживающей ДНК-метилтрансферазой. ,13. Вероятно, другие белки также вовлечены в формирование и поддержание нужных картин метилирования. Некоторые из них, возможно, селективно экспрессируются в развивающихся половых клетках.

Как же ферменты половых клеток ухитряются распознавать области, контролирующие импринтинг, среди прочей геномной ДНК? Опять-таки, здесь наши знания неполны. Впрочем, предполагается, что тут могут играть роль некоторые повторяющиеся последовательности в этих особых зонах мусорной ДНК 14. У разных видов эти конкретные последовательности могут существенно отличаться по составу. Но они могут выглядеть куда более схоже, если рассмотреть их трехмерную структуру. Возможно, клетка умеет как-то распознавать их не по составу последовательности, а по форме 15. Это чем-то напоминает результаты исследований длинных некодирующнх РНК из главы 8.

Хотя ученые пока не ответили на массу вопросов, касающихся импринтинга, они убеждены: именно из-за этого процесса в создание потомства вносят вклад оба пола. В 2007 году сложный комплекс экспериментов по спариванию генетически модифицированных мышей показал, что все-таки можно получать жизнеспособных мышей, встраивая два ядра яйцеклеток в одну оплодотворенную яйцеклетку. Это удалось сделать, искусственно изменив характер импринтинга в двух зонах мышиного генома. В одном из яйцеклеточных ядер создали картину метилирования, похожую на нормальную отцовскую, а не на материнскую. Так экспериментаторы обманули механизмы развития, заставив их поверить, будто генетический материал происходит от самца, а не от самки. Опыты продемонстрировали особенно значимую роль, которую играют эти две зоны, подвергшиеся импринтингу, в процессах контролирования развития организма. Кроме того, опыты показали и то, что единственное реальное препятствие на пути «двуматеринского» размножения — картина метилирования ДНК в ключевых генах. Эксперименты стали опровержением предыдущей гипотезы, согласно которой для размножения требуется сперматозоид, поскольку он сам по себе несет необходимые «сопутствующие факторы», такие, как определенные белки или молекулы РНК, необходимые для того, чтобы должным образом запустить развитие эмбриона 16.

Вернемся к рис. 10.2. Легко видеть, что характер импринтинга может меняться в ходе развития организма. Похоже, такой контроль экспрессии генов, задаваемый при помощи импринтинга, особенно важен именно в процессе развития. Так, у мышей большинство из примерно 140 импринтируемых генов демонстрируют импринтинг лишь в плаценте. Во взрослых тканях либо экспрессируются обе копии каждого из таких генов, либо не экспрессируется ни одна из копий. Вот еще одно подтверждение того, что именно контроль роста на ранних стадиях развития, вероятно, стал главной причиной возникновения импринтинга у некоторых представителей царства животных. По-видимому, тут сыграл роль «географический» фактор. В кластерах импринтинга ближайшие к ОКИ гены могут сохранять импринтинг во всех тканях. Однако гены, находящиеся дальше от этого «контрольного центра», проявляют импринтинг лишь в плаценте. Похоже, некоторые типы клеток мозга особенно склонны к сохранению импринтинга, хотя в большинстве случаев среди ученых нет единого мнения о том, почему это приносит эволюционные преимущества. Выдвигались предположения, что длинные некодирующие РНК, вырабатываемые в ОКИ, способствуют ДНК-метилированию ближайших генов, однако при этом привлекают гистонные модификации к более отдаленным генам кластера 17. Поскольку гистонные модификации легче изменять, чем картину метилирования ДНК, такие изменения могут служить механизмом освобождения более отдаленных генов от импринтинга (по мере взросления тканей).