Ирина Мальцева - Эпигенетика. Управляй своими генами

Рис. 1. «Хвостатые» сперматозоиды (гамета) пытаются проникнуть в круглую яйцеклетку (гамета) (слева). Справа зигота —оплодотворенная сперматозоидом яйцеклетка

Почему клетки, появившиеся из зиготы, становятся разными? Потому что существуют эпигенетические механизмы, которые при помощи наборов транскрибируемых генов определяют, какими быть будущим клеткам при делении, также они дают инструкции каждому виду клеток – уровень активности деятельности этих клеток, который они должны поддерживать, пока существуют. Далее, во время размножения организма при формировании гамет (половых клеток) эпигенетический статус генома должен быть стерт и далее с чистого листа вновь сформироваться после оплодотворения, иначе наступит так называемый эпигенетический коллапс.

Метафорично объяснить этот процесс можно используя пример с одеждой. Каждое утро аккуратный человек, собираясь на работу, надевает на тело (в нашем примере тело – это нуклеотид) белье и одежду (метки), а вечером, приходя с работы, их снимает. Утром процесс повторяется. Так же и эпигенетические метки «снимаются», когда формируется восьмиклеточный зародыш – бластоциста, а при имплантации бластоцисты в матку метки опять «надеваются» (как белье и одежда с утра). Это достаточно хорошо известный факт.

Известен эпигенетический ландшафт Уоддингтона (К. Уоддигтон, 1957 г.), который представляет собой макет горы со множеством холмов и оврагов, на вершине которой находится шарик.

Рис. 2. Конрад Уоддингтон и его модель эпигенетического ландшафта

Этот шарик катится вниз и либо сталкивается с холмами, меняя траекторию движения, либо попадает в ложбинку. Где окажется шарик внизу – зависит от сочетания многих факторов его движения. Так Уоддингтон представлял процесс эмбриогенеза (шарик), который зависел от различных продуктов генов – белков и гормонов (выступы и овраги), которые являются сигналами, заставляющими гены менять свою активность.

Под воздействием различных факторов (внутренних и внешних, генетических и негенетических) возможен переход с одной траектории на другую, в связи с чем на основании одной и той же генетической программы возможно формирование множества траекторий онтогенеза (поливариантность онтогенеза).

В соответствии с этой концепцией все клетки организма в начале развития тотипотентны(обладают возможностями всех будущих клеток тела); в ходе развития они приобретают разные свойства, например, одни становятся кардиоцитами (клетками сердца), а другие – нервными клетками (клетками мозга и другими частями нервной системы), третьи – гепатоцитами (клетками печени). Происходит это расхождение свойств за счет того, что в клетках, являющихся «основоположниками» различных тканей, экспрессируются (активизируются) разные паттерны генов [3] Паттерн экспрессии генов – это отличие в статусе (включенный – активный и выключенный – неактивный) и в степени работы, то есть интенсивности синтеза РНК и соответствующих белков тех или иных генов этого организма. . Различные клетки получают на определенных этапах развития разные (гормональные и т. д.) сигналы, которые направляют их на тот или иной эпигенетический «маршрут», то есть приводят к клеточной специализации, дифференцировке.

Рис. 3. Дифференциация (процесс появления различий в структуре и функции) клеток в процессе развития

После того как клеточные линии приобретают определенные «эпигенетические траектории», впоследствии они уже не могут от них уклониться независимо от того, какие «реплики окружения» получают. Таким образом, концепция Конрада Уоддингтона объясняет, как из одной клетки (зиготы) образуется многоклеточный организм, состоящий из клеток, кардинально различающихся между собой по виду и функциональной нагрузке (из интервью д. м. н. А.М. Вайсермана на сайте wavegenetics.info).

Определение эпигенетики по Уоддингтону: «эпигенетика – ветвь биологии, изучающая причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип».

Актуальны ли представления Уоддингтона сейчас? Безусловно. Но с некоторыми поправками.

Сейчас мы познакомимся с современными представлениями об эпигенетике. Наберитесь терпения, представьте, как запас ваших знаний постепенно пополняется, чтобы в итоге в вашей жизни появился мощный инструмент управления своим здоровьем! Перечитайте несколько раз информацию, которая является не вполне понятной. Запомните некоторые термины, выделенные жирным шрифтом. Они понадобятся вам в дальнейшем.

В последнее время появилось большое количество данных о роли эпигенетических процессов не только в развитии (о чем писал Уоддингтон), но и старении, профилактике и возникновении болезней – ожирения, диабета, онкологических процессов, метаболических расстройств. Изучаются эпигенетические влияния компонентов пищи, токсинов, радиации. Появились данные о роли эпигенетики в психических и поведенческих расстройствах.

Итак, мы уже знаем факты, что эпигенетика переместила фокус внимания с генов на окружающую среду, ее сигналы. При ее помощи можно объяснить то, что раньше не укладывалось в прокрустово ложе старой генетической парадигмы или объяснялось по-другому. Оказывается, при одном и том же генотипе (а он по-прежнему неизменен, то есть последовательность нуклеотидов– «кирпичиков», из которых состоят гены, а также самих генов в ДНК не меняется под воздействием сигналов окружающей среды) можно получить несколько фенотипов. Все зависит от сигналов-инструкций.

Теперь поговорим о том, чем современные представления об эпигенетике принципиально отличаются от прежних.

1. Главным отличием является понимание, что гены регулируются не только тогда, когда идет внутриутробное развитие. Безусловно, раннее развитие является самым чувствительным в плане эпигенетических перестроек. Тем не менее гены управляются сигналами окружающей среды в любом возрасте– от рождения до завершения жизни.

Некоторые популяризаторы эпигенетики объясняют ее смысл с помощью метафор, так же, как и мы в этой книге. Например, Д. Черч (в книге «Гений в ваших генах») называет гены архитектурными чертежами, которые лежат в тубусах и ждут, когда их оттуда вытащит архитектор и даст инструкции, как по этим чертежам построить дом. Другие сравнивают геном с библиотекой, в которой находятся книги на определенные темы, и нужно знать, как быстрее их найти, следуя классификатору.