Что такое экспресс я чужеродных генов

Что такое экспресс я чужеродных генов

Для генов, кодирующих белки, движение информации от гена до полипептида включает несколько шагов. Инициация транскрипции гена происходит под влиянием промоторов и других управляющих элементов, а также специфических белков, известных как факторы транскрипции, взаимодействующих с определенными последовательностями в пределах управляющих областей гена и определяющих пространственную и временную схему экспрессии гена. Транскрипция гена начинается со «стартовой» точки в хромосомной ДНК в начале 5′-транскрибируемой, но не транслируемой области.

Процесс транскрипции идет непрерывно по ходу кодирующей последовательности вдоль хромосомы, проходя от нескольких сотен пар оснований до более миллиона пар, захватывая как интроны, так и экзоны, и завершаясь на конце кодирующей последовательности. После модификации обоих 5′ и З’-концов первичной копии РНК части, соответствующие нитронам, удаляются, а сегменты, соответствующие экзонам, сращиваются вместе.

После сплайсинга (сращивания) РНК результирующая мРНК (содержащая центральный сегмент, соответствующий кодирующей части гена), перемещается из ядра в цитоплазму клетки, где мРНК транслируется в аминокислотную последовательность закодированного полипептида. Каждая составляющая этого сложного пути подвержена ошибкам и мутациям, которые создают помехи и вызывают множество наследственных заболеваний.

Транскрипция

Транскрипция белок-кодирующего гена РНК-полимеразой-II (одна из нескольких классов РНК-полимераз) начинается в стартовом сайте транскрипции, в точке 5′-нетранслируемой области, соответствующей 5′-концу конечной РНК. Синтез первичной копии РНК идет по направлению от 5′ к З’-концу, поскольку нить считываемого гена, который служит шаблоном для синтеза РНК, действительно считывается в направлении от 3′ к 5′-концу в соответствии с направлением фосфатных связей дезоксирибозы.

Поскольку синтезированная РНК соответствует расположению и последовательности нуклеотидов (с заменой урацила на тимин) 5′-3′-нити ДНК, такую нить ДНК часто называют кодирующей или комплементарной ДНК (кДНК). 3′-5′-нить ДНК носит название некодирующей или антисмысловой. Транскрипция осуществляется как для интронных, так и для экзонных частей гена, до позиции в хромосоме, которая записывается на 3′-конец зрелой мРНК. Неизвестно, заканчивается ли транскрипция в определенной точке терминации на 3′-конце.

Затем в области 5′-конца первичной копии РНК происходит кэпирование, а в специфической точке 3′-конца — расщепление. Расщепление заканчивается присоединением к 3′-концевым звеньям множества остатков аденозина — поли-(А), что увеличивает стабильность полученной РНК. Позиция точки полиаденилирования частично определяется последовательностью AAUAAA (или вариантами этой последовательности), обычно обнаруживаемой в 3′-нетранслируемой части копии РНК. Описанные посттрансляционные модификации, как и процесс сплайсинга РНК, происходят в ядре.

Полностью обработанная РНК, теперь называющаяся мРНК, перемещается в цитоплазму, где происходит трансляция.

Трансляция и генетический код

В цитоплазме мРНК транслируется в белок под действием молекул тРНК, специфичной для каждой конкретной аминокислоты. Эти замечательные молекулы, каждая всего от 70 до 100 нуклеотидов длиной, добавляют к растущей полипептидной цепи определенную аминокислоту в соответствии с шаблоном мРНК. Белковый синтез происходит в рибосомах, макромолекулярных комплексах, состоящих из рРНК (кодируемой генами 18S и 28S) и нескольких десятков рибосомальных белков.

Ключ трансляции — код, который связывает специфическую аминокислоту с комбинацией из трех смежных оснований на мРНК. Каждое сочетание трех оснований составляет кодон, специфичный для конкретной аминокислоты. В теории существует почти бесконечное множество вариантов размещения оснований вдоль полинуклеотидной цепи. В каждом положении может быть один из четырех нуклеотидов (А, Т, С или G); таким образом, для трех оснований есть 43 или 64 возможные комбинации триплетов. Эти 64 кодона и составляют генетический код.

Поскольку на 20 аминокислот приходится 64 возможных кодона, некоторые аминокислоты определяются более чем одним кодоном; поэтому генетический код называют вырожденным. Например, основание в третьей позиции триплета часто может быть или пуриновым (А или G), или пиримидиновым (Т или С), а в некоторых случаях любое из четырех оснований не изменяет смысл сообщения. Лейцин и аргинин определяются сразу шестью кодонами. Только метионин и триптофан кодируются единственным, уникальным триплетом. Три кодона называются стоп-кодонами (или нонсенс-кодонами), поскольку они определяют завершение трансляции мРНК.

Трансляция зрелой мРНК всегда начинается с кодона, определяющего метионин. Следовательно, метионин — всегда первая аминокислота каждой полипептидной цепи, хотя обычно он удаляется до завершения синтеза белка. Кодон метионина (или кодон-инициатор, AUG) устанавливает рамку считывания мРНК; каждый последующий кодон считывается поочередно, указывая аминокислотную последовательность белка.

Молекулярные связи между кодонами и аминокислотами обеспечивают специфические молекулы тРНК. Конкретный участок (сайт) на каждой тРНК формирует антикодон из трех оснований, комплементарный (дополнительный) к специфическому кодону на мРНК. Соединение между кодоном и антикодоном приводит соответствующую аминокислоту на следующую позицию в рибосоме для присоединения с образованием пептидной связи к карбоксильному концу растущей полипептидной цепи. Рибосома затем скользит вдоль мРНК точно на три основания, захватывая следующий кодон для опознавания другой тРНК со следующей аминокислотой.
Таким образом, белки синтезируются, начиная от аминогруппы к карбоксильной группе, что соответствует трансляции мРНК в направлении от 5′-конца к 3′-концу.

Как упоминалось ранее, трансляция заканчивается, когда в той же рамке считывания, что и кодон-инициатор, встречается стоп-кодон (UGA, UAA или UAG). Стоп-кодоны в любой из других неиспользованных рамок считывания не читаются и, следовательно, не оказывают эффекта на трансляцию. Завершенный полипептид отделяется от рибосомы, и она становится доступной для начала синтеза другого белка.

Множество белков проходят существенную посттрансляционную модификацию. Полипептидная цепь, первичный продукт трансляции, скручивается и складывается в специфическую трехмерную структуру, определяемую аминокислотной последовательностью цепи.

Две и более полипептидные цепи, продукты одного или различных генов, могут объединяться, формируя один готовый белковый комплекс. Например, две цепи b-глобина и две цепи а-глобина нековалентно объединяются, формируя тетрамер молекулы гемоглобина. Белковые продукты также могут быть модифицированы химически, например добавлением в специфических местах метильных или фосфатных групп или углеводов.

Такие модификации могут иметь значимое влияние на функцию или количество модифицированного белка. Другие модификации могут включать расщепление белка с потерей специфических аминокислотных последовательностей после того, как они выполнили свою функцию, направив белок в правильную позицию в пределах клетки (например, белки, которые функционируют в пределах ядра или митохондрий) или разделение белковых молекул на меньшие полипептидные цепи.

Например, две цепи, формирующие готовый инсулин, содержащие одна 21, а вторая 30 аминокислот, первоначально представляют собой части проинсулина — первичного продукта трансляции из 82 аминокислот.

Транскрипция митохондриального генома

В предшествующих разделах описаны основы экспрессии генов, содержащихся в ядерном геноме. Митохондриальный геном имеет отличающуюся систему транскрипции и белкового синтеза. Для транскрипции митохондриального генома используется специализированная РНК-полимераза, закодированная в ядерном геноме, содержащая две взаимосвязанные последовательности промотора, для каждой нити кольцевой митохондриальной хромосомы. Каждая нить транскрибируется полностью, а полученные копии затем обрабатываются, порождая различные митохондриальные мРНК, тРНК и рРНК.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Экспрессия чужеродных генов и системы трансформации

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Описание презентации по отдельным слайдам:

Описание слайда:

Экспрессия чужеродных генов и
системы трансформации

Описание слайда:

Что такое трансформация?
Это введение ДНК неполовым путем в клетку реципиента, проводящее к наследуемому изменению генотипа
Основной метод биотехнологии растений и мощнейшая экспериментальная методика
Убирает барьеры по переноске генов
Развитие трансформации E.coli, а также разрезание и сшивание ДНК in vitro дало начало генетической революции в 70-е годы
Не надо путать с генетической трансдукцией, представляющей собой частный случай пепеноса генов между хозяином и вирусом

Описание слайда:

Секвенирование геномов четко показало, что у бактерий существует горизонтальный перенос генов между разными видами при определенных селектинвых преимуществах (условиях отбора)

Формирование раковых клеток у животных под действием онкогенных вирусов, таких как SV40 и аденовирусов. Часть вирусной ДНК интегрируется в ДНК хозяина и вызывает неконтролируемый рост клеток (в биологии рака существует свое более узкое определение трансформации)

3. У растений, такких как бананы, табак и кокос tobacco, малые ДНК-вирусы (баднавирусы и нановирусы) интегрируются в виде множественных копий в ДНК хозяина при стрессе (вызывая потерю стрессоустойчивости). Это является существенной помехой программ селекции бабанов.
Трансформация происходит в природе

Описание слайда:

Описание слайда:

Важные требования к трансформации

Возможность ДНК экспессироваться в клетках хозяина (реципиента)

2. Клетки реципиента часто требуют специальной обработки для того, чтобы сделать их «компетентными» к трансформации

3. Система доставки ДНК

4. Системы селекции для распознавания и отбора трансформантов

Описание слайда:

Что такое экспрессия генов?
Это совокупность реакций, вследствие которых биологическая информация гена становится доступной клетке (работа или активность гена)

Описание слайда:

Описание слайда:

РНК-процессинг у эукариот

Описание слайда:

Конструирование генов для их экспрессии
в других видах
Нужно знать экспрессируется ли ген (часто уже известно).

Если ген из того же или близкого таксона, то ожидается, что он будет экспрессироваться точно также как в организме-источнике (доноре).
Например, ген из двудольных растений практически всегда будет нормально экспрессироваться в другом двудольном растении
Гены разных энтерических бактерий будут работать в таких же бактериях без дополнительных модификаций
Гены человека «работают» в мышах

Если кодирующая последовательность из другого царства, то очень вероятно, что она не будет фукнционировать. Такая последовательность потребует дополнительной добавки – последовательности совместимости, или промотера.

Таким образом. часто требуется создание нового гена – химерной последовательности или ХИМЕРЫ, которую можно создать in vitro (предыдущая лекция)

Все гены (химерные или немодифицированные) пропагируются (наращивается число их копий) при помощи трансформации на плазмидных векторах в бактериях или грибах.

Описание слайда:

Организм, орган или часть организма, содержащая две или более генетические составляющие. Получается в результате трансплантации органов, пересадок или генетической инженерии.
Вещество, такое как антитела, созданное из белков различных видов.

From Latin chimaera, from Greek khimaira, chimera, she-goat – она-коза – комбинаций двух зверей (чаще козы и льва)
Химера. Что это значит?

Описание слайда:

Пример генной кассеты (плазмидной конструкции высокой интенсивности) для трансформации растений
Плазмидный вектор
(pUC12)
CaMV 35S
promoter
CaMV polyadenylation sequence

Описание слайда:

Описание слайда:

Описание слайда:

Гены селективных маркеров
Бактерии:
Дрожжи:

Комплементация ауксотрофности
Например URA3 позволяет урацил-ауксотрофному мутанту расти на несодержащих урацил средах.

Описание слайда:

Гены селективных маркеров

Описание слайда:

Гены селективных маркеров в случае высших эукариот – это всегда химерные гены
Данный сайт дает некоторые идеи о ресурсах для трансформации
http://www.pgreen.ac.uk/a_pls_fr.htm

Описание слайда:

Трансформация бактерий
Некоторые бактерии могут быть трансформированы простым добавлением ДНК в культуру.

Непатогенный штамм Pneumococcus IIR может быть трансформирован в большие патогенные колонии посредством трансформации с ДНК IIIS-штамма с вероятностью 1 к 104 клеток
IIR
IIIS

Описание слайда:

Метод 1: Химическая трансформация бактерий.

Описание слайда:

Метод 2: Электропорация

Типичный протокол для Agrobacterium или Rhizobium
Культуры выращиваются до экспоненциальной фазы, охлаждаются и осаждаются центрифугированием
Клетки ресуспендируются при 1010 мл-1 в холодной стерильной дистиллированной воде
Вышеуказанный шаг повторяется дважды, чтобы отмыть клетки от солей
Клетки смешиваются с ДНК (при температуре льда) и переносятся в предварительно охлажденную электропорационную кювету
Напряжение 4000–8000 Вольт см-1 на несколько миллисекунд подается на кювету.
Клетки вводятся в среду для восстановления на некоторое время и переносятся на чашки (как в методе 1)

Описание слайда:

Описание слайда:

Эукариотическая генетика и молекулярная биология
могут эффективно продуцировать эукариотические гены
S. cerevisiae – стандартное орудие для молекулярно-биологических методик
Высокая стабильность трансформантов
Дрожжевые шаттл-вектора могут поддерживаться как искусственные хоромосомы и как плазмиды в E.coli
Можно получить вставочные мутанты
Известна рамка считывания
Дрожжи могут делать сплайсинг генов животных и растений
Дрожжевая РНК-полимераза распознает многие промотеры животных и растений
Трансформация дрожжей

Описание слайда:

Описание слайда:

Трансформация дрожжей
Все первоначальные (старые) методики, которые обязательно включали ферментативную обработку и получение сферопластов (протопласты грибов) уже не используются.

ДНК интродуцируется посредством кальциевого метода, как для бактерий.
Иначе ДНК может упаковываться в липосомы (липидные везикулы, которые могут сливаться с плазматической мембраной)

Часто используется электропорация.

Описание слайда:

Трансформация растений
Требования:
— способность генерировать целое нормально размножающееся растение (тотипотентность) из одиночной клетки
— требует знание и освоение методов культур клеток и тканей растений (выбор правильного гормонального режима)
— конструкции ДНК обычно содержат:
*интересующий нас ген(ы)
*ген(ы) селективного маркера
— подбор методов трансформации
— селекционная среда (антибиотик или гербицид)

Описание слайда:

Регенерация целого растения обычно достигается на питательной среде, содержащей определенную комбинацию фитогормонов – в частности, ауксинов и цитокининов.
Два типа регенерации:
Органогенез. Формируется стебель-побег, потом корень (например, табак)
Эмбриогенез. Образуется эмбрион. Который затем развивается в растение (злаки)
Трансформация растений
Разные виды растений и разные их части могут использоваться для трансформации (эмпирический подход в подборе – т.е. берется «то», что лучше трансформируется).
Типичные экспланты для трансформации:
Листовые диски (например, табака)
Диски из столонов (картофель)
Scutellar tissue – скутелла (злаки) C
Семядоли (томаты)
Стебли проростков (салат, капуста, крестоцв.)

Описание слайда:

Листовые диски табака, в которых регенерируются побеги
Регенрация томатов из листовых дисков и семядолей

Источник

Факторы, влияющие на экспрессию гена

, MD, University of Pittsburgh

На экспрессию генов могут повлиять многие факторы. Некоторые из них заставляют экспрессию признаков отклоняться от моделей, предсказанных менделевским наследованием.

Пенетрантность и экспрессивность

Пенетрантность – это показатель того, как часто ген подвергается экспрессии. Она определяется как процент людей, которые имеют ген и которые развивают соответствующий фенотип ( Пенетрантность и экспрессивность Пенетрантность и экспрессивность На экспрессию генов могут повлиять многие факторы. Некоторые из них заставляют экспрессию признаков отклоняться от моделей, предсказанных менделевским наследованием. (См. также Обзор генетики. Прочитайте дополнительные сведения ). Ген с неполной (низкой) пенетрантностью не может быть выражен, даже когда признак является доминирующим или когда он является рецессивным, и ген, ответственный за эту черту, присутствует в обеих хромосомах. Пенетрантность того же гена может варьироваться от человека к человеку и может зависеть от возраста человека. Даже когда ненормальные аллели не экспрессируются (непенетрантность), здоровый носитель аномальной аллели может передать его детям, у которых могут наблюдаться клинические аномалии. В таких случаях, родословная пропускает поколение. Тем не менее, некоторые случаи очевидной непенетрантности обусловлены незнанием эксперта или неспособностью признать небольшие проявления заболевания. Иногда считается, что у пациентов с минимальной экспрессией наблюдается разновидность заболевания.

Экспрессивность является пределом, до которого ген экспрессируется в одного человека. Она может быть классифицирована как процент; например, когда ген имеет 50%-ную экспрессивность, присутствует только половина функции или тяжесть составляет только половину того, что может произойти при полной экспрессии. На экспрессивность могут оказывать влияние окружающая среда и другие гены, поэтому люди, обладающие одинаковым геном, могут изменяться в фенотипе. Экспрессивность может меняться даже среди членов одной семьи.

Источник

Эпигенетика: теоретические аспекты и практическое значение

В данной статье освещаются современные представления о эпигенетике как новой науке, механизмах эпигенетической регуляции и ее нарушениях, приводящих к развитию заболеваний.

This article highlights the modern views on epigenetics as a new science, the mechanisms of epigenetic regulation and their disorders, leading to the development of diseases.

Эпигенетика — сравнительно недавнее направление биологической науки и пока не так широко известно, как генетика. Под ней понимают раздел генетики, который изучает наследуемые изменения активности генов во время развития организма или деления клеток.

Эпигенетические изменения не сопровождаются перестановкой последовательности нуклеотидов в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

В организме существуют различные регуляторные элементы в самом геноме, которые контролируют работу генов, в том числе в зависимости от внутренних и внешних факторов. Долгое время эпигенетику не признавали, т. к. было мало информации о природе эпигенетических сигналов и механизмах их реализации.

Структура генома человека

В 2002 г. в результате многолетних усилий большого числа ученых разных стран закончена расшифровка строения наследственного аппарата человека, который заключен в главной молекуле ДНК. Это одно из выдающихся достижений биологии начала ХХI века.

ДНК, в которой находится вся наследственная информация о данном организме, называется геномом. Гены — это отдельные участки, занимающие очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Каждый ген отвечает за передачу в организме человека данных о строении рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белка. Структуры, которые передают наследственную информацию, называют кодирующими последовательностями. В результате проекта «Геном» были получены данные, согласно которым геном человека оценивался в более чем 30 000 генов. В настоящее время, в связи с появлением новых результатов масс-спектрометрии, геном предположительно насчитывает около 19 000 генов [1].

Генетическая информация каждого человека содержится в ядре клетки и расположена в особых структурах, получивших название хромосомы. Каждая соматическая клетка содержит два полных набора (диплоидный) хромосом. В каждом единичном наборе (гаплоидном) присутствует 23 хромосомы — 22 обычные (аутосомы) и по одной половой хромосоме — Х или Y.

Молекулы ДНК, содержащиеся во всех хромосомах каждой клетки человека, представляют собой две полимерные цепи, закрученные в правильную двойную спираль.

Обе цепи удерживают друг друга четырьмя основаниями: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тиамин (Т). Причем основание А на одной цепочке может соединиться только с основанием Т на другой цепочке и аналогично основание Г может соединяться с основанием Ц. Это называется принципом спаривания оснований. При других вариантах спаривание нарушает всю целостность ДНК.

ДНК существует в виде тесного комплекса со специализированными белками, и вместе они составляют хроматин.

Гистоны — это нуклеопротеины, основная составляющая хроматина. Им свойственно образование новых веществ путем присоединения двух структурных элементов в комплекс (димер), что является особенностью для последующей эпигенетической модификации и регуляции.

ДНК, хранящая генетическую информацию, при каждом клеточном делении самовоспроизводится (удваивается), т. е. снимает с самой себя точные копии (репликация). Во время клеточного деления связи между двумя цепями двойной спирали ДНК разрушаются и нити спирали разделяются. Затем на каждой из них строится дочерняя цепь ДНК. В результате молекула ДНК удваивается, образуются дочерние клетки.

ДНК служит матрицей, на которой происходит синтез разных РНК (транскрипция). Этот процесс (репликация и транскрипция) осуществляется в ядрах клеток, а начинается он с области гена, называемой промотором, на котором связываются белковые комплексы, копирующие ДНК для формирования матричной РНК (мРНК).

В свою очередь последняя служит не только носителем ДНК-информации, но и переносчиком этой информации для синтеза белковых молекул на рибосомах (процесс трансляции).

В настоящее время известно, что зоны гена человека, кодирующие белки (экзоны), занимают лишь 1,5% генома [2]. Большая часть генома не имеет отношения к генам и инертна в плане передачи информации. Выявленные зоны гена, не кодирующие белки, называются интронами.

Первая копия мРНК, полученная с ДНК, содержит в себе весь набор экзонов и интронов. После этого специализированные белковые комплексы удаляют все последовательности интронов и соединяют друг с другом экзоны. Этот процесс редактирования называется сплайсингом.

Эпигенетика объясняет один из механизмов, с помощью которого клетка способна контролировать синтез производимого ею белка, определяя в первую очередь, сколько копий мРНК можно получить с ДНК.

Итак, геном — это не застывшая часть ДНК, а динамическая структура, хранилище информации, которую нельзя свести к одним генам.

Развитие и функционирование отдельных клеток и организма в целом не запрограммированы автоматически в одном геноме, но зависят от множества различных внутренних и внешних факторов. По мере накопления знаний выясняется, что в самом геноме существуют множественные регуляторные элементы, которые контролируют работу генов. Сейчас это находит подтверждение во множестве экспериментальных исследований на животных [3].

При делении во время митоза дочерние клетки могут наследовать от родительских не только прямую генетическую информацию в виде новой копии всех генов, но и определенный уровень их активности. Такой тип наследования генетической информации получил название эпигенетического наследования.

Эпигенетические механизмы регуляции генов

Предметом эпигенетики является изучение наследования активности генов, не связанной с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК. Эпигенетические изменения направлены на адаптацию организма к изменяющимся условиям его существования.

Впервые термин «эпигенетика» предложил английский генетик Waddington в 1942 г. Разница между генетическими и эпигенетическими механизмами наследования заключается в стабильности и воспроизводимости эффектов [4].

Генетические признаки фиксируются неограниченное число, пока в гене не возникает мутация. Эпигенетические модификации обычно отображаются в клетках в пределах жизни одного поколения организма. Когда данные изменения передаются следующим поколениям, то они могут воспроизводиться в 3–4 генерациях, а затем, если стимулирующий фактор пропадает, эти преобразования исчезают.

Молекулярная основа эпигенетики характеризуется модификацией генетического аппарата, т. е. активации и репрессии генов, не затрагивающих первичную последовательность нуклеотидов ДНК.

Эпигенетическая регуляция генов осуществляется на уровне траскрипции (время и характер транскрипции гена), при отборе зрелых мРНК для транспорта их в цитоплазму, при селекции мРНК в цитоплазме для трансляции на рибосомах, дестабилизации определенных типов мРНК в цитоплазме, избирательной активации, инактивации молекул белков после их синтеза.

Совокупность эпигенетических маркеров представляет собой эпигеном. Эпигенетические преобразования могут влиять на фенотип.

Эпигенетика играет важную роль в функционировании здоровых клеток, обеспечивая активацию и репрессию генов, в контроле транспозонов, т. е. участков ДНК, способных перемещаться внутри генома, а также в обмене генетического материала в хромосомах [5].

Эпигенетические механизмы участвуют в геномном импритинге (отпечаток) — процессе, при котором экспрессия определенных генов осуществляется в зависимости от того, от какого родителя поступили аллели. Импритинг реализуется через процесс метилирования ДНК в промоторах, в результате чего транскрипция гена блокируется.

Эпигенетические механизмы обеспечивают запуск процессов в хроматине через модификации гистонов и метилирование ДНК. За последние два десятилетия существенно изменились представления о механизмах регуляции транскрипции эукариот. Классическая модель предполагала, что уровень экспрессии определяется транскрипционными факторами, связывающимися с регуляторными областями гена, которые инициируют синтез матричной РНК. Гистонам и негистоновым белкам отводилась роль пассивной упаковочной структуры для обеспечения компактной укладки ДНК в ядре.

В последующих исследованиях была показана роль гистонов в регуляции трансляции. Был обнаружен так называемый гистоновый код, т. е. модификация гистонов, неодинаковая в разных районах генома. Видоизмененные гистоновые коды могут приводить к активизации и репрессии генов [6].

Модификациям подвергаются различные части структуры генома. К концевым остаткам могут присоединяться метильные, ацетильные, фосфатные группы и более крупные белковые молекулы.

Все модификации являются обратимыми и для каждой существуют ферменты, которые ее устанавливают или удаляют.

Метилирование ДНК

У млекопитающих метилирование ДНК (эпигенетический механизм) было изучено раньше других. Показано, что он коррелирует с репрессией генов. Экспериментальные данные показывают, что метилирование ДНК является защитным механизмом, подавляющим значительную часть генома чужеродной природы (вирусы и др.).

Метилирование ДНК в клетке контролирует все генетические процессы: репликацию, репарацию, рекомбинацию, транскрипцию, инактивацию Х-хромосомы. Метильные группы нарушают ДНК-белковое взаимодействие, препятствуя связыванию транскрипционных факторов. Метилирование ДНК влияет на структуру хроматина, блокирует транскрипционные репрессоры [7].

Действительно, повышение уровня метилирования ДНК коррелирует с относительным увеличением содержания некодирующей и повторяющейся ДНК в геномах высших эукариот. Экспериментальные данные показывают, что это происходит потому, что метилирование ДНК служит главным образом как защитный механизм, чтобы подавлять значительную часть генома чужеродного происхождения (реплицированные перемещающиеся элементы, вирусные последовательности, другие повторяющиеся последовательности).

Профиль метилирования — активирование или угнетение — меняется в зависимости от средовых факторов. Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования здорового организма, чтобы подавлять значительную часть генома чужеродного происхождения, т. е. реплицированные перемещающиеся элементы, вирусные и другие повторяющиеся последовательности.

Метилирование ДНК происходит путем обратимой химической реакции азотистого основания — цитозина, в результате чего метильная группа СН3 присоединяется к углероду с образованием метилцитозина. Этот процесс катализируется ферментами ДНК-метилтрансферазами. Для метилирования цитозина необходим гуанин, в результате образуется два нуклеотида, разделенные фосфатом (СрG).

Скопление неактивных последовательностей СрG называется островками СрG. Последние представлены в геноме неравномерно [8]. Большинство из них выявляются в промоторах генов. Метилирование ДНК происходит в промоторах генов, в транскрибируемых участках, а также в межгенных пространствах.

Гиперметилированные островки вызывают инактивацию гена, что нарушает взаимодействие регуляторных белков с промоторами.

Метилирование ДНК оказывает огромное влияние на экспрессию генов и, в конечном счете, на функцию клеток, тканей и организма в целом. Установлена прямая зависимость между высоким уровнем метилирования ДНК и количеством репрессированных генов.

Удаление метильных групп из ДНК в результате отсутствия метилазной активности (пассивное деметилирование) реализуется после репликации ДНК. При активном деметилировании участвует ферментативная система, превращающая 5-метилцитозин в цитозин независимо от репликации. Профиль метилирования меняется в зависимости от средовых факторов, в которых находится клетка.

Утрата способности поддерживать метилирование ДНК может приводить к иммунодефициту, злокачественным опухолям и другим заболеваниям [9].

Долгое время механизм и ферменты, вовлеченные в процесс активного деметилирования ДНК, оставались неизвестными.

Ацетилирование гистонов

Существует большое число посттрансляционных модификаций гистонов, которые формируют хроматин. В 1960-е годы Винсент Олфри идентифицировал ацетилирование и фосфорилирование гистонов из многих эукариот [8].

Ферменты ацетилирования и деацетилирования (ацетилтрансферазы) гистонов играют роль в ходе транскрипции. Эти ферменты катализируют ацетилирование локальных гистонов. Деацетилазы гистонов репрессируют транскрипцию.

Эффект ацетилирования это ослабление связи между ДНК и гистонами из-за изменения заряда, в результате чего хроматин становится доступным для факторов транскрипции.

Ацетилирование представляет собой присоединение химической ацетил-группы (аминокислоты лизин) на свободный участок гистона. Как и метилирование ДНК, ацетилирование лизина представляет собой эпигенетический механизм для изменения экспрессии генов, не влияющих на исходную последовательность генов. Шаблон, по которому происходят модификации ядерных белков, стали называть гистоновым кодом.

Гистоновые модификации принципиально отличаются от метилирования ДНК. Метилирование ДНК представляет собой очень стабильное эпигенетическое вмешательство, которое чаще закрепляется в большинстве случаев.

Подавляющее большинство гистоновых модификаций более вариативно. Они влияют на регуляцию экспрессии генов, поддержание структуры хроматина, дифференциацию клеток, канцерогенез, развитие генетических заболеваний, старение, репарацию ДНК, репликацию, трансляцию. Если гистоновые модификации идут на пользу клетки, то они могут продолжаться довольно долго [8].

Одним из механизмов взаимодействия между цитоплазмой и ядром является фосфорилирование и/или дефосфорилирование транскрипционных факторов. Гистоны были одними из первых белков, фосфорилирование которых было обнаружено. Это осуществляется с помощью протеинкиназ.

Под контролем фосфорилируемых транскрипционных факторов находятся гены, в том числе гены, регулирующие пролиферацию клеток. При подобных модификациях в молекулах хромосомных белков происходят структурные изменения, которые приводят к функциональным изменениям хроматина.

Помимо описанных выше посттрансляционных модификаций гистонов имеются более крупные белки, такие как убиквитин, SUMO и др., которые могут присоединяться с помощью ковалентной связи к боковым аминогруппам белка-мишени, оказывая воздействие на их активность.

Эпигенетические изменения могут передаваться по наследству (трансгенеративная эпигенетическая наследственность). Однако в отличие от генетической информации, эпигенетические изменения могут воспроизводиться в 3–4 поколениях, а при отсутствии фактора, стимулирующего эти изменения, исчезают. Передача эпигенетической информации происходит в процессе мейоза (деления ядра клетки с уменьшением числа хромосом вдвое) или митоза (деления клеток).

Модификации гистонов играют фундаментальную роль в нормальных процессах и при заболеваниях.

Регуляторные РНК

Молекулы РНК выполняют в клетке множество функций. Одной из них является регуляция экспрессии генов. За эту функцию отвечают регуляторные РНК, к которым относятся антисмысловые РНК (aRNA), микроРНК (miRNA) и малые интерферирующие РНК (siRNA)

Механизм действия разных регуляторных РНК схож и заключается в подавлении экспрессии генов, реализующейся путем комплементарного присоединения регуляторной РНК к мРНК, с образованием двухцепочечной молекулы (дцРНК). Само по себе образование дцРНК приводит к нарушению связывания мРНК с рибосомой или другими регуляторными факторами, подавляя трансляцию. Также после образования дуплекса возможно проявление феномена РНК-интерференции — фермент Dicer, обнаружив в клетке двухцепочечную РНК, «разрезает» ее на фрагменты. Одна из цепей такого фрагмента (siRNA) связывается комплексом белков RISC (RNA-induced silencing complex) [10].

В результате деятельности RISC одноцепочечный фрагмент РНК соединяется с комплементарной последовательностью молекулы мРНК и вызывает разрезание мРНК белком семейства Argonaute. Данные события приводят к подавлению экспрессии соответствующего гена.

Физиологические функции регуляторных РНК разно­образны — они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза, дополняют «классическую» схему регуляции генов.

Геномный импритинг

Человек обладает двумя копиями каждого гена, один из которых унаследован от матери, другой от отца. Обе копии каждого гена имеют возможность быть активной в любой клетке. Геномный импритинг это эпигенетически избирательная экспрессия только одного из аллельных генов, наследуемых от родителей. Геномный импритинг затрагивает и мужское и женское потомство. Так, импритингованный ген, активный на материнской хромосоме, будет активным на материнской хромосоме и «молчащим» на отцовской у всех детей мужского и женского пола. Гены, подверженные геномному импритингу, в основном кодируют факторы, регулирующие эмбриональный и неонатальный рост [11].

Импритинг представляет сложную систему, которая может ломаться. Импритинг наблюдается у многих больных с хромосомными делециями (утраты части хромосом). Известны заболевания, которые у человека возникают в связи с нарушением функционирования механизма импритинга.

Прионы

В последние десятилетие внимание привлечено к прионам, белкам, которые могут вызывать наследуемые фенотипические изменения, не изменяя нуклеотидной последовательности ДНК. У млекопитающих прионный белок расположен на поверхности клеток. При определенных условиях нормальная форма прионов может изменяться, что модулирует активность этого белка.

Викнер выразил уверенность в том, что этот класс белков является одним из многих, которые составляют новую группу эпигенетических механизмов, требующих дальнейшего изучения. Он может находиться в нормальном состоянии, а в измененном состоянии прионные белки могут распространяться, т. е. стать инфекционными [12].

Первоначально прионы были открыты как инфекционные агенты нового типа, но сейчас считают, что они представляют собой феномен общебиологический и являются носителями информации нового типа, хранимой в конформации белка. Феномен прионов лежит в основе эпигенетической наследственности и регуляции экспрессии генов на посттрансляционном уровне.

Эпигенетика в практической медицине

Эпигенетические модификации контролируют все стадии развития и функциональную активность клеток. Нарушение механизмов эпигенетической регуляции напрямую или косвенно связано с множеством заболеваний.

К заболеваниям с эпигенетической этиологией относят болезни импринтинга, которые в свою очередь делятся на генные и хромосомные, всего в настоящее время насчитывают 24 нозологии.

При болезнях генного импринтинга наблюдается моноаллельная экспрессия в локусах хромосом одного из родителей. Причиной являются точечные мутации в генах, дифференцированно экспрессирующихся в зависимости от материнского и отцовского происхождения и приводящих к специфическому метилированию цитозиновых оснований в молекуле ДНК. К ним относят: синдром Прадера–Вилли (делеция в отцовской хромосоме 15) — проявляется черепно-лицевым дисморфизмом, низким ростом, ожирением, мышечной гипотонией, гипогонадизмом, гипопигментацией и задержкой умственного развития; синдром Ангельмана (делеция критического района, находящегося в 15-й материнской хромосоме), основными признаками которого являются микробрахицефалия, увеличенная нижняя челюсть, выступающий язык, макростомия, редкие зубы, гипопигментация; синдром Беквитта–Видемана (нарушение метилирования в коротком плече 11-й хромосомы), проявляющийся классической триадой, включающей макросомию, омфалоцеле макроглоссию и др. [13].

К числу важнейших факторов, влияющих на эпигеном, относятся питание, физическая активность, токсины, вирусы, ионизирующая радиация и др. Особенно чувствительным периодом к изменению эпигенома является внутриутробный период (особенно охватывающий два месяца после зачатия) и первые три месяца после рождения. В период раннего эмбриогенеза геном удаляет большую часть эпигенетических модификаций, полученных от предыдущих поколений. Но процесс репрограммирования продолжается в течение всей жизни [14].

К заболеваниям, где нарушение генной регуляции является частью патогенеза, можно отнести некоторые виды опухолей, сахарный диабет, ожирение, бронхиальную астму, различные дегенеративные и другие болезни [15, 16].

Эпигоном при раке характеризуется глобальными изменениями в метилировании ДНК, модификации гистонов, а также изменением профиля экспрессии хроматин-модифицирующих ферментов.

Опухолевые процессы характеризуются инактивацией посредством гиперметилирования ключевых генов-супрессоров и посредством гипометилирования активацией целого ряда онкогенов, факторов роста (IGF2, TGF) и мобильных повторяющихся элементов, расположенных в районах гетерохроматина [17].

Так, в 19% случаев гипернефроидные опухоли почки ДНК островков СрG была гиперметилированной, а при раке груди и немелкоклеточной карциноме легких выявлена взаимосвязь между уровнями гистонового ацетилирования и экспрессией супрессора новообразований — чем ниже уровни ацетилирования, тем слабее экспрессия гена.

В настоящее время уже разработаны и внедрены в практику противоопухолевые лекарственные препараты, основанные на подавлении активности ДНК-метилтрансфераз, что приводит к снижению метилирования ДНК, активации генов-супрессоров опухолевого роста и замедлению пролиферации опухолевых клеток. Так, для лечения миелодиспластического синдрома в комплексной терапии применяют препараты децитабин (Decitabine) и азацитидин (Azacitidine) [18]. С 2015 г. для лечения множественной миеломы в сочетании с классической химиотерапией применяют панобиностат (Panibinostat), являющийся ингибитором гистоновой деацитилазы [19]. Данные препараты по данным клинических исследований оказывают выраженный положительный эффект на уровень выживаемости и качество жизни пациентов.

Изменения экспрессии тех или иных генов могут происходить и в результате действия на клетку факторов внешней среды. В развитии сахарного диабета 2-го типа и ожирения играет роль так называемая «гипотеза экономного фенотипа», согласно которой недостаток питательных веществ в процессе эмбрионального развития приводит к развитию патологического фенотипа [20]. На моделях животных был выявлен участок ДНК (локус Pdx1), в котором под влиянием недостаточности питания снижался уровень ацетилирования гистонов, при этом наблюдались замедление деления и нарушения дифференцировки B-клеток островков Лангерганса и развития состояния, схожего с сахарным диабетом 2-го типа [21].

Активно развиваются и диагностические возможности эпигенетики. Появляются новые технологии, способные анализировать эпигенетические изменения (уровень метилирования ДНК, экспрессию микроРНК, посттрансляционные модификации гистонов и др.), такие как иммунопреципитация хроматина (CHIP), проточная цитометрия и лазерное сканирование, что дает основания полагать, что в ближайшее время будут выявлены биомаркеры для изучения нейродегенеративных заболеваний, редких, многофакторных болезней и злокачественных новообразований и внедрены в качестве методов лабораторной диагностики [22].

Итак, в настоящее время эпигенетика бурно развивается. С ней связывают прогресс в биологии и медицине.

Литература

ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н. И. Пирогова МЗ РФ, Москва

Источник