Эпигенетика. Управляй своими генами

МикроРНК. Интерференция РНК

Третий известный механизм управления работой наших генов осуществляется с помощью микроРНК (по англ. miR). Они некодирующие, но участвуют в процессе так называемой интерференции РНК (в 2007 г. за открытие интерференции РНК была получена Нобелевская премия). Представьте себе две волны, которые идут навстречу друг другу. Когда они встречаются, обе волны исчезают, происходит интерференция (снижение амплитуды волн, их гашение). А теперь представьте, что к вам бежит маленькая волна из моря на пляж, а ее догоняет волна побольше, и в момент их слияния она становится огромной. Это тоже интерференция (увеличение амплитуды волны). Но в случае интерференции РНК нам важен именно первый пример. Итак, микроРНК может гасить активность других РНК, которые участвуют в производстве белка, таким образом влияя на экспрессию генов.

РНК-интерференция – это механизм подавления экспрессии/активности гена на стадии трансляции (синтез белка из аминокислот) либо нарушение транскрипции (перенос информации с ДНК на РНК) определенных генов. В системе РНК-интерференции принимают участие два типа малых молекул РНК – микроРНК и малые интерферирующие РНК (siRNA (англ.)). Малые РНК связываются со специфическими последовательностями других молекул РНК и повышают или снижают их биологическую активность.

МикроРНК также помогают контролировать активность и функцию гена. Они являются некодирующими РНК, которые регулируют экспрессию гена после транскрипции или после того, как протеин (белок) был обработан рибосомой. Как правило, они подавляют выработку белка путем изменения возможностей мессенджерной РНК и с помощью процесса, называемого трансляционным глушением (интерференция). Таким образом, они способны подавлять функции и экспрессию генов.

Сейчас идет бум исследований в области применения микроРНК как для диагностики, так и для лечения рака. Выявлено несколько микроРНК, которые могут подавлять активность генов, связанных с образованием различных видов опухолей, а также известны микроРНК, которые, наоборот, могут стимулировать их образование. Учитывая то, что видов рака очень много, и даже в пределах одного вида существует много вариаций, диагностика и лечение которых сильно отличаются, точное понимание механизмов управления различными микроРНК имеет колоссальное значение для онкологии в целом. МикроРНК ответственны за таргетирование примерно 30 % генов и могут влиять на подавление опухоли, апоптоз (запрограммированная клеточная гибель), клеточную пролиферацию (деление клеток) и движение клеток.

Но это не значит, что микроРНК участвуют только в регуляции опухолевого процесса, они могут играть важную роль во многих хронических заболеваниях, влиянии интоксикации различными токсичными веществами на организм, а также регулировать действие полезных веществ в питании.

Эпимутации

По аналогии с мутациями метильные метки на ДНК и модификации гистонов, или структурные изменения хроматина без изменения нуклеотидной последовательности, получили название эпимутаций. В отличие от мутаций, эпимутации контекст-зависимы, обусловлены сигналами из внешней среды, особенно представляющими опасность и угрозу (но могут вызываться и позитивными тренирующими сигналами), и служат целям адаптации к этим сигналам. Это достигается за счет их участия в регуляции экспрессии генов.

По некоторым предположениям, частота эпимутаций может на один-два порядка превышать частоту генных мутаций, а следовательно, их вклад в наследственную изменчивость, в том числе и у человека, пока остается недооцененным.

Эпигенетические механизмы, воспринимая сигналы среды, создают внутренние каскады регуляции активности генома, способные к самовоспроизведению, усилению и передаче в поколениях. В то же время многообразие перечисленных механизмов регуляции активности генов, их взаимодействие и порой взаимное противодействие, а также наличие обратимых процессов может быть причиной снятия эпигенетических меток, в результате чего генная активность может меняться на противоположную.

Эпигенетические явления отличаются от долгосрочных физиологических адаптаций^[7], обусловленных различными регуляторными процессами.

Об эпигенетических явлениях, в отличие от физиологических адаптаций, можно говорить лишь тогда, когда выявлены три основных типа молекулярных явлений (есть и другие механизмы, но пока что хорошо изучены только три). Наблюдаемая во многих случаях измененная экспрессия генома, в том числе закрепившаяся на длительный период времени, может быть признана эпигенетическим явлением лишь при наличии соответствующих изменений в метилировании ДНК, модификациях гистонов или микроРНК.

1.6. Новые, недавно открытые эпигенетические факторы

Немаловажными и открытыми сравнительно недавно факторами эпигенетического репрограммирования являются пространственная организация ядра, Х-хромосомная инактивация, генный импринтинг, мозаичный эффект положения, парамутации, моноаллельная экспрессия и многие другие. Так как эти факторы еще не вполне изучены, мы в этой книге только упомянем о них, иногда в некоторых главах раскрывая механизмы этой регуляции.

Обзор новых эпигенетических факторов прекрасно представлен в статье «Эпигенетика и способы ее реализации», написанной А.Г. Щуко, А.А. Веселовым, и др. Здесь нами добавлено немного поясняющего терминологию материала и упрощены некоторые формулировки для лучшего понимания неспециалистами.

Пространственная организация ядра, а точнее, его генного материала, играет определенную роль в механизмах эпигенетического регулирования.

Речь идет об особой упаковке ДНК в ядре клетки, которая является трех- или четырехмерной. Такой способ предохраняет молекулу ДНК от запутывания. Упаковка ДНК динамично меняется в ходе жизненного цикла клетки, а также под воздействием внешних и внутренних факторов, то есть участвует в механизмах эпигенетического регулирования считывания генной информации. Как показали исследования, важную роль в формировании пространственной структуры ядра выполняет ядерный матрикс. Известна его роль в поддержании специфических радиальных позиций так называемых хромосомных территорий внутри клеточного ядра. Кроме того, доказано непосредственное участие ядерного матрикса в организации активаторных хроматиновых блоков, специфических промоторов генов, регулирующих транскрипцию.

Российским институтом биологии гена изучены основные принципы организации регуляторных систем в хроматиновых доменах, а также механизмы, контролирующие отличающуюся экспрессию тканеспецифичных генов в них. Показано, что домены открытого типа могут расширяться, включая в свой состав дополнительные гены и регуляторные элементы.

Рис. 15. Хромосомные территории (хроматин по-разному расположен в ядре клетки, о чем говорит разный уровень насыщенности серого цвета в определенных зонах ядра)

Этот тип эпигенетического регулирования напоминает модификацию гистоновых белков, но на другом уровне организации хроматина.

Инактивация Х-хромосомы – процесс, при котором в раннем эмбриогенезе самок млекопитающих одна из двух Х-хромосом становится транскрипционно неактивной. Инактивация X-хромосомы происходит в клетках самок млекопитающих для того, чтобы с двух копий X-хромосом не образовывалось вдвое больше продуктов соответствующих генов, чем у самцов. Такой процесс называется дозовой компенсацией генов. Примечательно, что выключению (сайленсированию, скрытию) подвергаются не все гены в Х-хромосоме. Примерно 15 % генов остаются активными, при этом возможна выборочная экспрессия одних генов и репрессия других. Показано наличие на X-хромосомах специфического участка, названного центром инактивации X-хромосомы – XIC (от англ. X-inactivation center). Экспериментальными исследованиями было подтверждено, что искусственное встраивание гена XIST в другие хромосомы и последующий запуск его экспрессии приводят к инактивации данных хромосом.

Явление геномного импринтинга (разбираем в главе пятой) не следует путать с другим проявлением эпигенетики – так называемым материнским эффектом. Данный механизм заключается во влиянии генотипа матери на характер потомства, передаваемый через свойства цитоплазмы яйцеклетки. Вследствие данного эффекта потомство развивается в преимущественной степени по материнскому генотипу. Материнский эффект не связан с классическим проявлением цитоплазматической наследственности. Особенность материнского эффекта заключается в накоплении по мере роста и развития яйцеклетки в ее цитоплазме молекул мРНК, различных структурных белков, рибосом. Затем, уже после оплодотворения, в процессе деления экспрессия генов происходит с участием указанного набора молекул в обход собственной ДНК, содержащей гены от обоих родителей. Впоследствии начинается экспрессия генов собственной ДНК. Примечательным в данном эффекте является и тот факт, что определенные гены с материнским эффектом могут экспрессироваться не в яйцеклетке, а за ее пределами, в других клетках организма, где синтезируются вышеописанные мРНК и белки, которые затем поступают в яйцеклетку и принимают участие в синтезе белка согласно материнскому генотипу. Необходимо отметить, что наряду с существованием явления материнского эффекта подтверждено и наличие отцовского эффекта.

Не так давно обнаружены факты, свидетельствующие о возможности изменения проявления функции отдельного гена в результате его перемещения в системе генома – так называемых эффектов положения. Так, еще в 1934 г. выявлено ослабление доминирования определенных генов при перенесении их из участков с гетерохроматином в эухроматиновые зоны^[8].

Затем был обнаружен эффект положения мозаичного типа – в результате хромосомных перестроек ген подвергался регуляторному воздействию при переносе из эухроматина в гетерохроматин, при этом в одних клетках он становился неактивным, в других же – наоборот. Различные варианты позиционных эффектов, по-видимому, связаны со специфическим окружением. Определено, что эффект положения может распространяться как линейно на определенные участки вдоль хромосомы, так и прерывисто. Наглядно показана роль специфических небольших участков ДНК – энхансеров, принимающих участие в механизмах формирования эффекта положения. Данные участки могут располагаться на значительных расстояниях относительно матричной цепи регулируемого гена и в любой ориентации к ней и при этом влиять на транскрипцию промоторных зон определенных генов.

Еще более загадочным явлением в эпигенетике, вокруг которого наблюдается немало дискуссий и споров, являются парамутации. Данные генетические процессы подразумевают устойчивые наследуемые состояния гена, возникающие в результате взаимодействия с другим вариантом аллеля без изменения нуклеотидной последовательности. Другими словами, во время пребывания активного аллельного гена в одном генотипе с неактивным аллелем происходят его деактивация и «запоминание» данного состояния в последующих поколениях. Как и все эпигенетические процессы, парамутации абсолютно не согласовываются с классическими законами Менделя о наследовании генов, согласно которому гены расходятся в половые клетки в неизмененном виде. Одним из важнейших свойств парамутаций является их способность возвращаться в исходное состояние (реверсировать) и вновь возвращаться в парамутантное состояние в зависимости от условий окружающей среды. Механизм парамутаций до сих пор неизвестен.

К числу немаловажных факторов, оказывающих влияние на эпигеном, можно отнести и открытый совсем недавно особый класс белков – прионов. В основе механизма прионизации лежит изменение нормальной пространственной структуры (включая конформацию) молекулы белка при воздействии на него прионного белка с измененной третичной структурой. В данном случае прион справедливо рассматривать как белковый носитель чужеродной информации, непосредственно воздействующий на протеом клетки. В отличие от генетических носителей информации, которыми являются вирусы или транспозоны, прионы не изменяют генетическую последовательность нуклеотидов в ДНК. В настоящее время известно множество негативных эффектов прионизации белков, вызывающих такие заболевания у человека, как болезнь Крейтцфельдта – Якоба, синдром Герстманна – Штреусслера – Шейнкера, наследственная семейная бессонница. Наряду с ними существуют вполне обоснованные предположения о приспособительном характере воздействия прионов – за счет присутствия в популяции клеток, содержащих прионы, она может быстро приспосабливаться к изменившимся условиям среды. Особенно важна такая возможность при попадании в условия стресса. Результат данного эффекта сводится к изменению протеома клетки, необходимого для функционирования в измененных условиях среды. По мнению ряда исследователей, прионная регуляция генной функции должна рассматриваться как эпигенетическая составляющая функционирования клетки. Пока нет достоверных подтверждений наследования прионов у человека, однако существует мнение о предрасположенности к некоторым формам прионных заболеваний.

В настоящее время уже разработаны и внедрены в практическое здравоохранение лекарственные препараты, обладающие модификацией некоторых эпигенетических механизмов. В частности, существуют онкологические препараты, подавляющие активность ДНК-метилтрансфераз, участвующих в процессе метилирования ДНК. Известны положительные результаты применения препаратов, устраняющих негативные последствия модификаций гистонов – так называемые ингибиторы гистоновой деацетилазы. Все более отчетливо прослеживается роль эпигенетики в развитии многих заболеваний человека, таких как сахарный диабет, бронхиальная астма, ожирение, отдельные синдромальные заболевания, например синдром Прадера – Вилли, связанный с геномным импринтингом в определенном локусе хромосомы.

Такие факторы, как питание человека, его физическая активность, режимы труда, отдыха, инфекции, воздействие токсинов и многие другие аспекты, казалось бы, повседневной жизни, стали приобретать все большее значение в контексте рассмотрения их как важнейших эпигенетических «медиаторов». Большу2ю роль отводят ученые эпигенетическим механизмам и в процессе старения организма, где были зафиксированы обширные зоны изменений профиля метилирования генома.

По мнению ряда исследователей, тайны эпигенетических механизмов предстоит раскрывать еще не одно десятилетие, при этом ее вклад в развитие и лечение заболеваний человека, по сравнению со вкладом генетики, гораздо более весом и значим.

1.7. Нутригеномика и нутригенетика

Очень близка по духу к эпигенетике геномика питания, которая относится к области «омикс»-технологий. Она дает понимание, как питательные вещества взаимодействуют с генетической информацией для воздействия на различные причины заболевания. Геномика питания включает в себя две различные, но пересекающиеся области: нутригеномику и нутригенетику.

Нутригеномика может быть определена как измеряемое влияние питательных веществ на геном, протеом, микробиом и метаболом. Использование лабораторной диагностики, например анализ на органические кислоты, аминокислоты, гомоцистеин и др., может служить индикатором того, функционирует ли ген или нарушен за счет полиморфизма (SNP, снип) и в какой степени. По результатам генетической и лабораторной диагностики разрабатываются индивидуальные планы питания для воздействия на биохимические процессы, в которых замешаны снипы.

В основе нутригеномики лежит понятие об экспрессии генов. Вероятность повышенных рисков многих заболеваний контролируется парными генами. В каждой из пар один из носителей наследственной информации находится в активной фазе, а другой «дремлет». Если активен ген, отвечающий за наличие болезни, то патологический процесс стартует. Существуют продукты, которые могут подавлять или усиливать активность генов (менять, модулировать их экспрессию). Это означает, что на болезни можно воздействовать едой, увеличивая и уменьшая количество конкретных видов пищи в рационе. Изучение подобных свойств различных продуктов начато совсем недавно, но уже доказано, что чрезмерное потребление жирной пищи, соленого, копченого и вяленого мяса, игнорирование свежих овощей и фруктов активизируют работу генов, отвечающих за повышение рисков рака. И наоборот, существуют продукты, употребление которых снижает вероятность развития сердечно-сосудистых патологий, ожирения, остеопороза, сахарного диабета, рака и т. д.

Нутригенетика изучает, как вариации в генах отражаются на усвоении и метаболизме пищи, и, соответственно, выявляет генетические предрасположенности к заболеваниям. Генетические заболевания подразделяют на моногенные (определяются вариацией в одном гене) и полигенные (определяются комбинацией генов + факторами внешней среды).

К моногенным заболеваниям относят, например, фенилкетонурию, целиакию, непереносимость лактозы и др. Причина таких заболеваний простая – нарушение в одном гене, поэтому предотвратить легко: достаточно исключить из рациона ту пищу, которая содержит проблемный компонент (аминокислоту фенилаланин, белок глютен, углевод лактозу и др.).

Для профилактики мультифакториальных полигенных заболеваний – ожирения, диабета 2-го типа, рака, заболеваний сердечно-сосудистой системы, депрессии, астмы, артритов – необходимо не только контролировать рацион, но и следить за физической активностью, сном, уровнем стресса и пр.

Накапливающиеся знания из нутригеномики и нутригенетики позволяют индивидуально (в зависимости от генотипа) выявить группы риска и определить, каких продуктов данному человеку стоит избегать, а какими, наоборот, дополнить свое ежедневное меню, чтобы минимизировать риски заболеваний.

Рис. 16. Связь нутригенетики, нутригеномики, генетики и питания человека

Нутригенетика наиболее часто представлена популярными генетическими тестами, генетиками и консультантами, которые могут составить план питания и образа жизни в соответствии с результатами генетического теста. Часто в своей работе с генетическими тестами приходится сталкиваться с такой ситуацией – человек буквально впадает в отчаяние от страшных предрасположенностей – к диабету, атеросклерозу, болезни Альцгеймера и т. п. Но генетический тест показывает лишь повышение рисков, а не выносит приговор. Приходится иногда долго психологически готовить человека, чтобы то, что он увидел в тесте, им воспринималось как предостережение, а не как крах всех его ожиданий относительно здоровья. Человек с этими рисками может прожить всю жизнь, не заболев, и может заразиться болезнью в отсутствие генетических рисков, так как, как мы знаем, «генетика предполагает, а эпигенетика располагает».

В главах третьей «Ожирение» и четвертой «Кардиометаболические нарушения. Атеросклероз, болезнь Альцеймера, связь с геном АроЕ» мы даем практические рекомендации – принципы питания и изменения образа жизни, которые помогают нейтрализовать «вредные» варианты (полиморфизмы) некоторых генов. Также в главе десятой «Экоэпигенетические рецепты» вы можете ознакомиться с практической функциональной диетологией для составления индивидуальных планов питания при большинстве заболеваний и для различных целей.

Глава вторая
Подготовка к зачатию, беременность и питание

Что может быть важнее зарождения новой жизни? Только выживание. И то и другое – главные эволюционные задачи. Мы начали обзор прикладных эпигенетических влияний с обсуждения таинства рождения ребенка.

Издавна беременным женщинам традиционно назначают в качестве добавки к пище фолиевую кислоту. Зачем это нужно, достаточно ли только ее, всем ли подходит данная рекомендация, влияет ли питание отца на здоровье будущего ребенка – разберем на примере того, что происходит с эпигенетической регуляцией при помощи питательных веществ на этапах подготовки к беременности, первого триместра беременности, последующих этапов.

НАУЧНО

Биохимические реакции для процесса метилирования ДНК происходят при наличии метилсодержащих питательных веществ, липотропов, действующих в качестве метильных доноров и кофакторов, а также ферментов DNMT (ДНК-метилтрансферазы^[9]). Метионин, холин, фолат и витамин B₁₂ являются липотропами, присутствующими в одноуглеродном метаболизме, процессе, который обеспечивает метильными группами эпигенетические метки, как показано в таблице в этой главе.

2.1. Доказательства влияния питания матери на развитие и будущее здоровье детей

Интересная работа группы ученых показала, что высокие дозы липотропов (метионин, холин, фолат и витамин B₁₂) в рационе матери снижают риски рака молочной железы у потомства. Несмотря на то, что большие количества в пище доноров метильных групп не связаны с изменением глобальной картины метилирования ДНК, они снижают экспрессию генов HDAC₁ (деацетилаза гистонов^[10]) и MеCP₂, которые могут способствовать развитию опухоли, и предполагают профилактику рака молочной железы (Чо и др., 2012). Рак молочной железы является результатом генетических и эпигенетических изменений и показывает аберрантное метилирование ДНК, приводящее к онкогенезу в этой ткани.

Высоко жировая диета (с высоким содержанием масла и сливочного жира) во время беременности на животной модели приводила к аберрантной^[11] экспрессии генов MBD₁ и MBD₃^[12] у потомства с опухолью молочной железы (Говиндраян и др., 2016).

Другой группой ученых было заявлено, что низкобелковая (низкоказеиновая) диета в период беременности вызывает эпигенетические изменения в печени потомства крыс. Сообщалось о более высокой экспрессии MBD₂ и DNMT₁ и DNMT_3a и отсутствии изменений в глобальном паттерне метилирования ДНК, хотя наблюдалось гиперметилирование важной области контроля импринтинга (ICR). Но при добавлении к питанию при низкобелковой диете фолиевой кислоты гиперметилирование ICR было ослаблено, и уровни мРНК MBD₂ и DNMT были аналогичны тем, которые наблюдались в контрольной группе (Гонг и др., 2010).

Еще в одном исследовании наблюдались изменения микроРНК у потомства матерей, у которых была высокожировая диета во время беременности и лактации. Количество одной из наиболее сильно экспрессируемых микроРНК в печени, miR-709, была снижена у потомства. Это неблагоприятный факт, так как miR-709 способна блокировать экспрессию MeCP₂ и MBD₆ при более высоких уровнях белка, а не жиров.

В другом исследовании изучалось влияние употребления алкоголя на эпигенетические изменения. Этанол неблагоприятно воздействует на метионин и другие липотропы. Длительное употребление алкоголя связано со снижением усвоения фолатов и нарушением транспорта фолатов к плоду (Резендис и др., 2013).

Также было обнаружено, что дефицит холина связан с увеличением метилирования ДНК и инактивированных генов, включая MBD₃ и DNMT.

Новорожденные, страдающие фетальным алкогольным синдромом^[13], имеют отклонения, соответствующие нарушению эпигенетической регуляции, а также задержку роста. Пищевые добавки с липотропами, как сообщается, облегчают некоторые эффекты потребления алкоголя беременной матерью для потомства. Дефицит питательных веществ в целом также оказывает влияние на метилирование ДНК и действие белка MBD.

Ограничение калорийности рациона во время беременности снижает экспрессию генов транспортеров глюкозы в плаценте за счет усиления метилирования ДНК и рекрутирования MeСР₂ (Гангули и др., 2014).