Достижения эпигенетики

ВВЕДЕНИЕ

Впервые термин «эпигенетика» предложил выдающийся английский генетик Конрад Халл Уоддингтон (Conrad Hall Waddington) еще в 1947 году.

Эпигенетика (греч. επί —  над, выше, внешний) — в биологии, в частности в генетике — представляет собой изучение закономерностей  эпигенетического наследования — изменения  экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими изменение последовательности ДНК.

Эпигенетика  - это раздел современной биологии, предметом которого является изучение наследования в ряду клеточных поколений функциональной активности генов, не связанное с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК.

Эпигенетические изменения  сохраняются в ряде клеточных  делений, а также могут передаваться следующим поколениям при мейозе. При этом, они не вызывают каких-либо изменений в последовательности ДНК и приводят к дифференциальной экспрессии генов.

Эпигенетику можно определить как процесс взаимодействия генотипа организма со средой при формировании фенотипа. Она изучает механизмы, при помощи которых, на основе генетической информации, заключенной в одной  клетке (зиготе), за счет различной экспрессии генов в различных типах клеток, может осуществляться развитие многоклеточного  организма, состоящего из дифференцированных клеток. Нужно отметить, что многие исследователи до сих пор относятся  к эпигенетике скептически, поскольку  в её рамках допускается вероятность  негеномного наследования в качестве адаптивного ответа на изменения  внешней среды, что противоречит доминирующей в настоящее время геноцентрической парадигме.

Актуальность выбранной  темы доклада очень высока, т.к. сегодня эпигенетика числится среди десятка дисциплин и технологий, которые в ближайшее время перевернут нашу жизнь. Если прошлый век был веком генетики (расшифрован геном), то наше столетие – время эпигенетики. Прежде ее не считали наукой, а сегодня она получила материальные доказательства, раскрыта природа эпигенетических сигналов.

Целью данной работы является обозначение и рассмотрение основных достижений эпигенетики, а задачей – знакомство с представлениями о природе эпигенетических процессов и их протекании на эпигенетическом уровне. В настоящее время эта молодая динамичная наука предлагает революционный взгляд на молекулярные механизмы развития живых систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Эпигенетика: переписать  код жизни

До недавнего времени  считалось, что наша наследственная информация передается из поколения  в поколение только генетически, т.е. через последовательность ДНК, гены. Сегодня с появлением новой  науки XXI в. эпигенетики специалисты  все чаще находят исключения из этого  основного правила генетики. Центральные  догмы биологии – генетический закон  Менделя и теория эволюции Дарвина  – требуют серьезного пересмотра. Все-таки французский естествоиспытатель Жан-Батист Ламарк 200 лет тому назад был прав, хотя бы отчасти. Он утверждал, что характерные признаки организма, приобретенные в течение его жизни, могут быть наследуемы. Что же такое эпигенетика? Почему тот образ жизни, который мы ведем сейчас, отразится завтра на наших детях и внуках? Эпигенетика – это не зависящие от последовательности ДНК наследуемые процессы, влияющие на экспрессию генов: метилирование ДНК, ацетилирование гистоновых белков, на которые накручивается нить ДНК для более компактного хранения в ядрах клеток, и реструктуризация хроматина. Передача или изменение наследуемой информации во время мейоза или митоза, основанная не на последовательности ДНК, может происходить также с помощью прион-протеинов и белков. Другими словами, на протяжении всего прошлого столетия в традиционной науке считалось, что жизненный опыт, образ жизни, пища, привычки и характер никаким образом не влияют на гены будущего потомства, т.е. наследуемая информация, которая записана в наших половых клетках, не может быть изменена в ходе жизни, кроме случаев мутаций, например, после облучения, как в Хиросиме и Нагасаки, или алкоголизма, опять же через мутагенез. Считалось, что положительный или отрицательный приобретенный опыт индивида никаким образом не может быть «записан» в его геном и передан потомству. Оказывается, это не так¹. Постулат о наследственной передаче признаков только через последовательность четырех нуклеотидов в ДНК уже полностью не согласуется с фактами современной науки. Тщательные исследования образа жизни и болезней нескольких поколений семей показали, что от того, как жили наши родители и прародители, зависит, чем будем болеть мы, и какой образ жизни будет у наших детей и внуков. Как же все это работает? И как передается такая наследуемая информация в поколениях?

Все началось с триумфальных экспериментов профессора Рэнди  Джиртла (Randy Jirtle) и Роберта Уотерленда (Robert Waterland) из университета Дьюка, США. Исследователями были созданы уникальные трансгенные мыши, названные агути, так как в их геном был интегрирован одноименный ген, дающий животным не только желтую окраску и лишний вес, но и предрасположенность к раку и диабету. В обычных условиях эти грызуны приносят такое же потомство, тучное, желтое и болезненное, но ученые смогли сделать так, что потомство вдруг начало рождаться здоровым, имело нормальную окраску и жило долго. Эффект гена агути был полностью стерт, хотя ни один нуклеотид ДНК мыши не был изменен. Произошло это всего лишь потому, что перед рождением нового потомства состав питания самок был изменен. Ученые посадили будущих мам на диету, обогащенную веществами с метильной группой (один атом углерода соединен с тремя атомами водорода). Таких метильных групп много в овощах и фруктах, например в луке, чесноке и свекле. Эмбрионы мышей, которые были на такой диете, выключали ген агути у себя на хромосомах. Другими словами, чем больше метильных групп поступало с пищей и вовлекалось в питание зародышей, тем больше они были доступны для специальных ферментов, катализирующих присоединение метильной группы к ДНК.

И наоборот, чем меньше метильных  групп поступало с пищей и  было присоединено на эмбриональную  ДНК в области гена, тем более  активным становился этот ген.

Рэнди Джиртл так прокомментировал свое открытие журналу Discover в статье «ДНК – это не судьба»: «Эпигенетика доказывает, что мы ответственны за целостность нашего генома. Раньше мы думали, что только гены предопределяют, кто мы. Сегодня мы точно знаем: все, что мы делаем, все, что мы едим, пьем или курим, оказывает воздействие  на экспрессию наших генов и генов  будущих генераций. Эпигенетика  предлагает нам новую концепцию  свободного выбора». Как выразилась Эмма Уайтлоу (Emma Whitelaw) из Квинслендского института медицинских исследований, Австралия: «Мы должны помнить: то, что  мы наследуем от наших родителей, – это хромосомы, а хромосомы  состоят из ДНК только на 50%, остальную  половину составляют протеины, несущие  эпигенетические маркеры».

Другой примечательный эксперимент  провел Майкл Мини (Michael Meaney) из Университета Макгилла в Монреале, Канада. Исследователи  наблюдали за поведением крыс во время  воспитания потомства. Они подметили, что новорожденные крысята, которые  регулярно получали надлежащую материнскую  опеку, росли достаточно смелыми  и спокойными по характеру. Напротив, малыши, которых матери игнорировали во время воспитания, вырастали боязливыми и нервными. Причины этого, как  оказалось, были чисто эпигенетическими: обычная забота матерей о потомстве  контролировала уровень метилирования  именно тех генов мозга детенышей, которые отвечают за реакцию на стресс – рецепторов гормона кортизола, экспрессируемых в гиппокампе. В  другом эксперименте тот же вопрос рассматривался применительно к  человеку. По результатам магнитно-резонансного томографирования специалисты определяли, накладывает ли на мозг взрослых людей  отпечаток то, как о нем в детстве заботились родители. Оказалось, что и здесь материнская забота сыграла ключевую роль в организации мозга. Испытуемые, страдавшие в детстве от дефицита материнской любви и опеки, имели гораздо меньший размер гиппокампа, чем дети из нормальных семей. А величина этого органа определяет не только силу памяти человека и скорость мышления, но и предрасположенность к психическим заболеваниям – таким как, например, посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР)².

2. Эпигенетика и рак

Что касается рака и эпигенетики, то науке уже давно известны онкогены, или гены, которые «запускают»  процесс образования раковой  опухоли. Эти гены выключены в  нормальных здоровых клетках за счет метилирования промоутеров этих генов, так называемых островков CpG (цитозин и гуанин в цепи ДНК  находятся рядом и соединены  фосфором, таких оснований в одном  островке может быть от 200 до несколько  тысяч, примерно 70% промоутеров всех генов имеют эти островки). Ацетальдегид алкоголя и многие ингредиенты табака ингибируют образование метильных  групп на ДНК, это включает «спящие» онкогены, они начинают работать, превращая  клетки в раковые. Известно, что до 60% всех мутаций в половых клетках  приходится именно на островки CpG, что  нарушает правильную эпигенетическую  регуляцию генома. Метильные группы попадают в наш организм с пищей, через пути фолиевой и метиониновой аминокислот. Эти две аминокислоты не вырабатываются нашим организмом, поэтому должны постоянно поступать  с пищей. Если пища бедна ими, то нарушение  процессов метилирования ДНК  неизбежно.

Известный канадский исследователь  рака Моше Зиф (Moshe Szyf ) из Университета Макгилла также разделяет революционные  идеи эпигенетики: «В противоположность генетическим мутациям эпигенетические изменения потенциально обратимы. Мутировавший ген, скорее всего никогда не сможет вернуться в нормальное состояние. Единственное решение в данной ситуации – вырезать или дезактивировать этот ген во всех клетках, которые его несут. Гены же с нарушенным паттерном метилирования, с измененным эпигеномом могут быть возвращены к норме, и довольно просто. Уже существуют эпигенетические лекарства, например 5-азацитидин (коммерческое название – видаза), разрешенный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и представляющий собой неметилированный аналог цитидина, нуклеозида ДНК и РНК, который, встраиваясь в ДНК, снижает ее уровень метилирования. Это лекарство используется сейчас против миелодиспластического синдрома, известного также, как прелейкемия»³.

3. Эпигенетика и  эпидемия  ожирения 

Эпигенетика довольно быстро начинает находить ответы на вопросы, на которые традиционная генетика так  и не смогла ответить за последнюю  сотню лет. Так, профессор педиатрии  Роберт Уотерленд (Robert Waterland) из Медицинского колледжа Бэйлора в Хьюстоне, США, говорит в интервью, опубликованном в газете The Times под заголовком «Как твое поведение может изменить ДНК твоих детей»: «Сегодня во всем мире эпидемия ожирения. Почему мы становимся все полнее и полнее? Одна из гипотез – переедание матери до и во время беременности, что вызывает эпигенетические изменения в механизме экспрессии генов». Эта гипотеза была экспериментально подтверждена профессором с помощью опытов, проведенных на животных: перекормленные самки мышей каждый раз производили еще более тучное потомство. Другой исследователь, Маркус Пэмбри (Marcus Pembrey) из Института детского здоровья при Лондонском университете, опубликовал две важные работы по эпигенетике. В одной было показано, что если отцы детей начали курить до 11 лет, то их сыновья имеют повышенный риск ожирения.

 В другой были проанализированы  записи изолированной шведской  коммуны и выяснено, что мужчины, чьи прадеды в прошлом недоедали и страдали от постоянной нехватки продовольствия, жили гораздо дольше, чем мужчины из той же коммуны, чьи предки никогда не голодали.

В другом исследовании, проведенном  канадской группой ученых из Центра по изучению наркотической зависимости  и психического здоровья в Торонто  во главе с Джонатаном Миллом (Jonathan Mill), было показано, как много генов (около 40 ключевых) подвержено эпигенетическим  изменениям у больных, страдающих шизофренией  – психической болезнью, переходящей  из поколения в поколение в  одной и той же семье без  ясных генетических причин. «Мозг  особенно чувствителен к эпигенетическим  изменениям, особенно во время эмбрионального развития, – говорит доктор Милл. – Вот почему пренатальное воздействие  алкоголя, табака и других токсинов имеет такие сильные последствия в отношении наследственности».

Исследование Абрахама Райхенберга (Abraham Reichenberg) из Медицинской школы Маунт-Синай в Нью-Йорке выявило, что дети, зачатые их отцами в возрасте после 40 лет, имели риск развития аутизма в течение жизни почти в шесть раз больше, чем дети, отцы которых в момент зачатия были моложе 30 лет, и что причины такой колоссальной разницы – чисто эпигенетические⁴.

 

4. Опыты по переносу  биологической информации и омоложению             людей

В статье С. Демкина "Назовут ли доктора Цзяна  Эйнштейном   XXI века?" (Техника-молодежи, N3, 1996 г.) говориться об уникальных   экспериментах, проведенных  китайским доктором Ю.В.Цзяном Каньчжена  в   Хабаровском мединституте. Результаты экспериментов иллюстрированы фотографиями. В чем смысл опытов?

Между   источником   СВЧ-излучения (в широком диапазоне частот 1-100 ГГц) и биологическим  объектом, на  который  направлено  воздействие, биологический приемник) помещен биологический объект - биологический источник, с которого считывается информация.

СВЧ-излучение, "омывая" биологический источник переносит информацию на биологический приемник. Когда в качестве биологических объектов приемника  использовались зародыши, изменения затрагивали всю особь. При облучении куриных яиц электромагнитным полем, «омытых» (модулированных) информацией  утки, у  появившихся из этих яиц цыплят наблюдались: перепонки на лапах, утиная форма головы,    длинная шея  и менялось положение глаз.  Аналогично был получен  кролик с зубами козла. Огурцы - формой  и  вкусом, напоминающие дыню. Подсолнечные семена  - формой и вкусом напоминающие арахис. Кукуруза с признаками пшеницы⁵.

Но самые интересные опыты  проводились доктором Цзяном  на человеке, точнее на пожилых людях. Эксперименты были направлены  на   изменение биологического времени  в соматических клетках.

В  качестве  источника  брался  молодой  здоровый организм. А в качестве приемника – организм с проблемами. Вначале в качестве подопытного   Цзян   использовал  своего  80-летнего отца.

В результате  у  него  исчезли   хронические заболевания, аллергический зуд, шум  в ушах,  доброкачественная опухоль. Там, где была  лысина, через полгода  появились волосы, а седые начали  чернеть, через год вырос зуб  на  месте  выпавшего  20  лет назад. В 1991 г. Цзян получил свидетельство на  изобретение и разрешение Минздрава России  на использование метода СВЧ-терапии. После чего он поставил   эксперимент  с  группой  из 14 добровольцев, у которых было множество   болезней. Из них шесть человек полностью излечились от недугов, включая о доброкачественные опухоли, состояние еще шести существенно улучшилось, и лишь у двух ничего не изменилось. Кроме того, у девяти человек пропала седина, одиннадцать человек внешне  помолодели   на 5-10 лет, у семи  улучшились половые функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В XXI веке эпигенетика числится среди десятка дисциплин и технологий, которые в ближайшее время перевернут нашу жизнь.

Прежде эпигенетику не считали наукой, а сегодня она получила материальные доказательства, раскрыта природа эпигенетических сигналов, которыми управляют довольно сложные процессы – метилирование ДНК, ацетилирование гистоновых белков, на которые накручивается нить ДНК для более компактного хранения в ядрах клеток, и реструктуризация хроматина. Новая наука поможет понять причину рака, тяжелых наследственных заболеваний.

По выражению нобелевского лауреата Питера Медовара: «Если генетика полагает, то эпигенетика располагает. У человека могут быть прекрасные гены, но они не реализуются, если эпигенетика никудышная».

Ответ на дополнительный вопрос:

Чем отличается эпигенетика  от генетики, если речь идет об организмах с одинаковым генотипом?

Однояйцевые близнецы являются одним из примеров организмов с одинаковым генотипом. Если разобраться в чем отличие генетики от эпигенетики на данном примере, то можно предположить, что в контексте генетики однояйцевые близнецы будут интересовать исследователей по вопросам устройства и особенностей одинакового генотипа, а в контексте эпигенетики – как развивается процесс взаимодействия генотипа организма со средой при формировании фенотипа, в особенности, если однояйцевые близнецы будут находиться в разной среде обитания.