http://galachem.ru/akcii-i-rasprodazhi/mn_nucleozol-2017/
Оглавление

Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны

  • 3341
  • 9,1
  • 2
  • 0
Добавить в избранное
Детальное изучение эпигенома дает биологам возможность выбраться из тумана многочисленных теорий старения и более точно понять коренные причины этого явления, а также связанных с ним возрастных болезней.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Эпигенетика — относительно недавно возникшая область науки. Предметом ее изучения являются устойчиво сохраняющиеся в ряду клеточных делений изменения активности генов, не связанные с изменением самой ДНК. Иными словами, за счет эпигенетических модификаций одни гены работают, а другие — молчат. Еще тридцать лет назад в научном сообществе многие из-за укоренившихся догм не хотели признавать важность эпигенетических процессов в биологическом мире. Сейчас к этой области знания приковано внимание множества лабораторий и институтов по всему миру, занимающихся в том числе и изучением природы старения. В геронтологии получило мощное развитие новое направление, связанное с описанием эпигенетических механизмов возрастных изменений.

Эпигенетика начинает поиск

Эпигенетика — это научное направление, изучающее все факторы, которые влияют на активность генома, но не связаны с мутациями ДНК. Так как все наши клетки содержат одинаковую ДНК, эпигенетическое управление активностью генов имеет первостепенное значение при установлении специализации клеток во время развития организма и в последующем функционировании генома. Эпигенетика посредством своих механизмов — например, метилирования цитозиновых оснований ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференции (рис. 1) — управляет работой генома, изменяя структуру хроматина и «включая» или «выключая» наши гены*.

* — Подробнее о процессах эпигенетической модификации генома — в статьях: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» [1], «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» [2], «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах» [3].

Метилирование представляет собой способ регулирования активности генов путем присоединения к цитозиновым основаниям ДНК метильной группы (-СН3). Метилирование подавляет активность гена: синтез РНК (соответственно, и белка) по такой матрице становится невозможным. Это своего рода «заглушка», которую организм использует, инактивируя те или иные гены, работа которых в данный момент ему не нужна или может представлять опасность.

Еще одним важным механизмом эпигенетической регуляции является модификация гистонов, входящих в состав хроматина. Хроматин — это комплекс белков и нуклеотидов, обеспечивающий надежное хранение и нормальную работу ДНК. В наших клетках упаковка ДНК похожа на склад бижутерии. Иначе никак невозможно уложить спираль длиной два метра в одно маленькое клеточное ядро. Нить ДНК наматывается в полтора оборота на многочисленные «бусинки» из нескольких специальных белков, гистонов. Так формируются повторяющиеся структурные единицы эукариотического хроматина, называемые нуклеосомами. В каждой нуклеосоме содержится восемь молекул гистонов — по две молекулы каждого из четырех видов белков (H2A, H2B, H3, H4). Гистоны имеют «хвостики» — белковые «наросты», которые могут удлиняться или укорачиваться специальными ферментами. Длина такого «хвоста» напрямую влияет на активность генов, находящихся вблизи него.

Гистоновый «хвост» может подвергнуться процессу ацетилирования, то есть замене в нём атомов водорода на остаток уксусной кислоты. В результате этого связь гистонов с ДНК, основанная на притяжении разнозаряженных частиц, ослабится, гистон диссоциирует (отдалится от ДНК), и упаковка ДНК станет более «рыхлой» (менее плотной). Тогда белки-регуляторы смогут легче присоединяться к ДНК, и активность гена повысится. Эпигенетические процессы взаимосвязаны друг с другом: так, увеличение уровня метилирования ДНК обычно сопряжено со снижением уровня ацетилирования гистонов, и наоборот. Помимо ацетилирования существует множество других способов модификаций гистонов: метилирование, фосфорилирование, сумоилирование и так далее. Эти модификации могут как разрыхлять, так и «заматывать крепче» упаковку ДНК, что приводит к увеличению или уменьшению экспрессии генов соответственно.

Не так давно был обнаружен еще один уровень эпигенетической регуляции, заключающийся в воздействии на экспрессию генов посредством некодирующих РНК (нкРНК). Эти РНК могут регулировать активность гена как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях — то есть могут как «заглушать» транскрипцию, предотвращая синтез мРНК и препятствуя тем самым считыванию информации с гена, так и приводить к разрушению уже синтезированной мРНК. Этот механизм назвали РНК-интерференцией. В 2006 году за его открытие американские исследователи Эндрю Файер и Крейг Мелло были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины*.

* — Подробнее о РНК и связанных с ней механизмах воздействия на геном рассказано в статьях: «Обо всех РНК на свете, больших и малых» [4], «Как избавиться от РНК за несколько минут» [5], «микроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров» [6].

Важные научные открытия, связанные с эпигенетикой, появляются практически ежегодно. И хотя ученые находятся в самом начале пути, полученные данные показывают исключительную ценность этого научного направления. Получив мировое признание, эпигенетика вскоре перешла из чисто научной области исследований в очень прикладную, когда выявилась ее тесная связь с развитием и старением. Не случайно одна из недавних статей в Nature вышла под названием «Эпигеномика начинает поиск» [7]. И этот поиск уже дает свои результаты.

Структура хроматина

Рисунок 1. Структура хроматина и эпигенетические механизмы воздействия на геном. Модификации гистонов: Ас, ацетилирование; Me, метилирование; Ub, убиквитинирование; P, фосфорилирование. Метилирование цитозина ДНК — Me ~ C. РНК-интерференция: miРНК, малые некодирующие РНК.

Метилирование и его связь со старением

В научных трудах по геронтологии часто встречается описание онтогенеза (индивидуального развития организма) лососевых рыб. И, как уже известно, молниеносно развивающееся сразу после нереста старение рыб этого вида сопровождается массивным деметилированием ДНК [8]. Установлено, что с возрастом происходит общее снижение уровня метилирования ДНК. В ДНК, которую брали у эмбрионов и новорождённых, присутствует наибольшее количество метилированных цитозиновых оснований. Получается, что некоторые гены, которые были «заглушены» и молчали в детском и молодом возрасте, к старости начинают проявлять активность. Другая, меньшая часть генов, напротив, с возрастом «замолкает», подвергшись метилированию. Последствия таких изменений генной активности сегодня еще не до конца изучены, но некоторые аспекты уже известны.

Так, довольно большая часть метилированного генома человека (по некоторым данным, до 90%) приходится на подвижные элементы ДНК — ретротранспозоны*. Некоторые вирусные агенты, такие как аденовирус или вирус гепатита В, попадая в наш организм, также могут блокироваться посредством метилирования. Характерный для человека ретротранспозон Alu из-за ослабления его метилирования в старости может начать перемещаться — создавать свои копии и вставлять их в разные точки генома, нарушая этим нормальную работу генов. Подобные неконтролируемые перемещения ретротранспозонов несут в себе немалую опасность и могут быть причиной серьезных патологий: сегодня с активностью подвижных элементов ДНК связывают около ста заболеваний [9].

* — О мобильных генетических элементах эукариот можно прочитать в статьях: «Тайны „молекулярных паразитов“, или Как путешествовать по геному» [10], «Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге» [11], «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?» [12].

Насколько большим может быть влияние эпигенетики на продолжительность жизни, показали в своих работах ученые из Австралийского национального университета, Роберт Кухарски и его коллеги. В 2008 году Science опубликовал результаты их исследований о влиянии фермента ДНК-метилтрансферазы-3 (DNMT-3) на продолжительность пчелиной жизни [13]. Долгое время оставалось загадкой, каким образом из генетически совершенно одинаковых личинок появляются две разные касты пчел — рабочие и королевы (или матки).

ДНК-метилтрансфераза и ДНК

Рисунок 2. Комплекс ДНК-метилтрансферазы с ДНК. Рисунок с сайта www.bionet.nsc.ru.

Если рабочие пчелы живут всего несколько недель, то матки — несколько лет. Такая огромная разница в длине жизненного пути генетически одинаковых организмов является следствием особого питания: тех личинок, которым суждено стать королевами, дольше кормят маточным молочком. Молекулярные механизмы этого явления стали понятны, когда Р. Кухарски и его команда искусственно уменьшили количество фермента DNMT-3 у личинок пчел. Этот фермент прикрепляет метильные группы к ДНК (рис. 2), подавляя экспрессию генов. Без DNMT-3 активность некоторых генов у личинок оказалась повышенной, и в итоге большинство из них превратилось в королев даже без кормления маточным молочком. Расшифровка пчелиного эпигенома подтвердила это предположение: в ДНК пчеломаток было найдено значительно меньше метильных групп, чем у рабочих пчел. Несколькими годами позже группа Р. Кухарски, проводя исследование уровня метилирования цитозина в нервной системе рабочих пчел и пчеломаток, нашла 561 ген со значительными различиями в метилировании между двумя пчелиными группами [14].

Конечно, не только особенности эпигенома влияют на срок жизни пчеломатки. Как сегодня известно, долгожительницу из королевы делает совокупность факторов: это и нужное соотношение полиненасыщенных и насыщенных жирных кислот, и уменьшенное содержание цитохрома с (который способен запускать процесс клеточной гибели, апоптоз), и повышенная антиоксидантная активность [15].

Как выяснилось, влияние эпигенома на продолжительность жизни чрезвычайно велико и у людей. Так, в 2013 году большая группа итальянских генетиков, возглавляемая Джованни Витале, опубликовала результаты работы, в ходе которой изучались возрастные изменения метилирования ДНК [16]. Объектами исследования стали две группы женщин-ровесниц, жительниц Северной Италии. В одной группе были собраны пожилые итальянки, имевшие матерей-долгожительниц и отцов, проживших не менее 77 лет. К другой группе отнесли итальянок, родители которых умерли, прожив около 70 лет (отцы — 67 лет, матери — 72 года). Распределив таким образом исследуемых, ученые поставили себе задачу сравнить, какие изменения на генном уровне могут лежать в основе долголетия. А также выяснить, существует ли явная преемственность в этом вопросе — передаются ли факторы долгожительства по наследству?

Результаты их работы превзошли все ожидания и показали следующее.

Снижение метилирования ДНК (гипометилирование), характерное для пожилого возраста, происходило гораздо быстрее у итальянок, чьи родители не дожили до 70 лет, чем у их сверстниц, имевших родителей-долгожителей. Исследователи обнаружили, что метилирование (а значит, и блокирование) элемента Alu было значительно выше у потомков долгожителей. Даже в старости люди, получившие в наследство от родителей хорошее здоровье, мало чем отличались на молекулярно-генетическом уровне от молодых людей. И такие потенциально опасные элементы генома, как ретротранспозоны, были у них надежно блокированы. Можно с большой долей уверенности говорить, что хорошее здоровье (как, впрочем, и плохое) передается по наследству.

Понимание природы эпигенетики показало, что родители ответственны за здоровье своих детей гораздо в большей степени, чем это считалось ранее. Совсем недавно было показано, что такая привычная сегодня вещь, как лишний вес будущих родителей, может самым негативным образом сказаться на их потомстве. Известный американский генетик Рэнди Джиртл и его коллеги из Университета Дьюка провели исследования ДНК лейкоцитов из пуповинной крови младенцев, родившихся в госпитале при их университете. По словам ученых, анализ зафиксировал существенное снижение уровня метилирования гена инсулиноподобного фактора роста 2 (IGF 2) у тех детей, чьи родители имели лишний вес: «Мы обнаружили у новорождённых, отцы которых страдали ожирением, значительное снижение метилирования IGF2 в ДНК, извлеченной из лейкоцитов пуповинной крови. Понижение уровня метилирования IGF2 связано с повышенным риском развития раковых заболеваний» [17].

Возрастные отклонения и эпигеном

Уже известно, что возрастные изменения эпигенома тесно связаны с другими возрастными явлениями, такими как увеличение продукции активных форм кислорода, укорочение теломер и т.д. Активные формы кислорода (АФК) и связанные с ними процессы с легкой руки знаменитого американского биолога Денгама Хармана (и не менее знаменитого российского биолога В.П. Скулачёва) рассматриваются сегодня некоторыми учеными в качестве одного из основных факторов старения. Хотя сами АФК участвуют во многих физиологических процессах (особенно по части иммунной системы), с возрастом может происходить опасное повышение их уровня. Обладая большой химической активностью, АФК потенциально способны повреждать мембраны клеток, митохондриальную и ядерную ДНК*. Они задействованы во многих возрастных процессах и связанных с ними патологиях: атеросклерозе, болезни Альцгеймера и др. Так, к примеру, при сердечно-сосудистых болезнях АФК блокируют производство белков-сиртуинов (в частности, SIRT1), что ведет к цепи отклонений и развитию патологий (рис. 3). При болезни Альцгеймера АФК участвуют в патологических процессах образования амилоида, а также способствуют активации провоспалительных факторов — например, ядерного фактора транскрипции NF-kB [18].

* — Подробнее АФК и связанные с ними процессы рассмотрены в статьях «Активный кислород: друг или враг, или о пользе и вреде антиоксидантов» [19] и «Антиоксиданты против пиелонефрита» [20].

Болезни сердца, легких и нервной системы

Рисунок 3. Окислительный стресс, эпигенетика и болезни сердца, легких и нервной системы. ROS — активные формы кислорода; SIRT1 — sirtuin 1, белок из семейства сиртуинов; iNOS — индуцируемая синтаза оксида азота; eNOS — эндотелиальная синтаза оксида азота; NO — оксид азота; 8-oxo — 8-гидроксигуанин, маркер окислительного повреждения ДНК; HDAC2 — гистондеацетилаза 2; NF-kB — ядерный фактор транскрипции каппа-B; p21 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 1A; р16 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 2A. Рисунок из [18].

Еще в 1994 году Зигмунд Вейцман и его коллеги из Северо-Западного университета (Чикаго) обнаружили, что окисление свободными радикалами гуанина, обязательного «напарника» цитозина в двухцепочечной ДНК, влияет на метилирование. Окисленный продукт гуанина, 8-гидроксигуанин (8-OHdG), известный маркер окислительного повреждения ДНК, не только увеличивал частоту мутаций, но и препятствовал нормальному метилированию цитозина [21]. Оказалось, что эпигеном тесным образом связан с регулированием уровня АФК: общее возрастное уменьшение метилирования ДНК развивается параллельно с повышением уровня АФК и окислительным стрессом. И эти процессы связаны между собой. Так, возрастной окислительный стресс, вызванный повышенной продукцией АФК, достоверно снижает количество уже упоминавшихся сиртуинов, к которым сегодня приковано пристальное внимание геронтологов. Сиртуины представляют собой семейство консервативных (то есть встречающихся у всех живых организмов) белков, выполняющих одну из эпигенетических функций — деацетилирование гистонов. Многочисленные эксперименты показали благотворную роль сиртуинов в поддержании здоровья и увеличении продолжительности жизни. АФК же снижают уровень этих белков, сокращая тем самым срок жизни.

Фолатный цикл, p66Shc, эпигеном и старение

Если взять наугад любую патологию из длинного списка возрастных болезней (таких, как атеросклероз, болезнь Паркинсона, диабет или ревматоидный артрит), то совершенно точно обнаружится непосредственное участие эпигенома в их развитии. Этот вопрос сегодня хорошо изучен и уже ни у кого не вызывает сомнений. К примеру, у больных атеросклерозом обнаруживается повышенный уровень токсичного для артерий гомоцистеина. И причина этого — сбой в работе сложного биохимического процесса под названием фолатный цикл, который тесно связан с метилированием ДНК и эпигеномом.

Фолатный цикл представляет собой каскад биохимических реакций, в котором задействовано большое количество ферментов (рис. 4). Для нормального протекания фолатного цикла необходимы витамины B9 (фолиевая кислота), В6 и В12. В этом цикле происходит перенос метильных групп, которые присоединяются к гомоцистеину, а избыток гомоцистеина превращается в метионин. Метионин переходит в свою активную форму, S-аденозилметионин (SАМ), который в клетке служит основным донором метильных групп, необходимых для синтеза и метилирования ДНК, РНК, белков и фосфолипидов [22].

Схема фолатного цикла

Рисунок 4. Схема фолатного цикла. В реакции, катализируемой ферментом MTHFR, из тетрагидрофолата и серина образуется 5,10-метилентетрагидрофолат, который затем восстанавливается до 5-метилтетрагидрофолата. На следующем этапе метильная группа от 5-метилтетрагидрофолата переносится на гомоцистеин в реакции, катализируемой В12-зависимой метилтрансферазой. В результате реметилирования гомоцистеина образуется метионин. Данную реакцию катализирует цитоплазматический фермент метионинсинтаза (MTR). Для работы фермента необходим метилкобаламин, производное витамина В12. Метионинсинтаза обеспечивает преобразование гомоцистеина в метионин посредством реакции, в которой метилкобаламин выступает в роли промежуточного переносчика метильной группы. При этом происходит окисление кобаламина, и фермент MTR переходит в неактивное состояние. Рисунок из [22].

В фолатном цикле может произойти сбой по двум причинам: генетическим (из-за мутаций генов ферментов фолатного цикла) или алиментарным (из-за дефицита метионина, фолиевой кислоты и других витаминов группы В). Дефицит возникает, если в рационе недостает продуктов, богатых этими веществами, или если эти вещества плохо усваиваются — как правило, на фоне вредных привычек, приема лекарств, инфекций и др.

Нарушение фолатного цикла угрожает организму сразу тремя последствиями. Первое: низкий уровень одного из производных этого цикла, 5,10-метилентетрагидрофолата, приводит к разрывам в ДНК и нарушению процессов репарации [23]. Второе: возникает дефицит основного донора метильных групп, S-аденозилметионина (SAM), без которого невозможно производить метилирование ДНК. И третье последствие: нарушается метаболизм гомоцистеина, и его уровень в крови начинает расти. А далее токсичный для клеток гомоцистеин запускает цепную реакцию со множеством патологических ответвлений.

Какой это может иметь вид? Как показали работы американских и корейских биологов — С. Ким и соавторов, — повышенная концентрация гомоцистеина в крови имеет прямую связь с дисфункцией эндотелия (тонкого слоя клеток, выстилающего поверхность сосудов) и атеросклерозом [24]. Причем активным участником в повреждающем действии гомоцистеина на клетки эндотелия является белок с «дурной репутацией», p66Shc, который обладает окислительной и проапоптозной (подстрекающей клетку к самоубийству) активностью. Подопытные мыши с нокаутированным («выключенным») геном p66shc, показывали существенное увеличение продолжительности жизни [25]. При этом такие мыши были удивительным образом устойчивы к действию окислительного стресса и развитию основных патологий, традиционно связываемых со старением: гиперхолестеринемии (повышению уровня холестерина), гипергликемии (повышению уровня глюкозы) и ишемии. И даже ударные дозы алкоголя не убивали таких мышей!

Как выяснилось, гомоцистеин в повышенных концентрациях способен увеличивать экспрессию эндотелиального p66shc посредством гипометилирования конкретных динуклеотидов CpG в промоторе (регуляторном участке гена) p66shc. И этот механизм играет важную роль в вызванной гомоцистеином эндотелиальной патологии. Дело в том, что p66Shc повышает продукцию АФК, которые признаны одной из основных причин возрастной дисфункции эндотелия [24]. Примечательно, что точно таким же действием на p66Shc, как гомоцистеин, обладают и липопротеины низкой плотности (ЛПНП, или, по-обывательски, «плохой» холестерин), рассматриваемые как один из факторов развития метаболического синдрома, которому подвержено огромное количество людей в мире. Выяснилось, что ЛПНП в состоянии вызывать гипометилирование двух динуклеотидов CpG и ацетилирование гистона 3 в промоторе p66shc, что ведет к повышению его активности [26].

Итальянский исследователь Джовамбаттиста Пани связал возрастную активность p66Shc и АФК с еще одним белком, вызывающим повышенный интерес у геронтологов, — mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих), который регулирует в клетке процессы, связанные с развитием и клеточным ростом (рис. 5) [27]. По мнению одного из самых авторитетных исследователей mTOR, Михаила Благосклонного (Roswell Park Cancer Institute, США), этот белок занимает одно из центральных мест в процессах старения живых организмов, стимулируя развитие возрастных патологий, укорачивающих жизнь [28].

p66Shc и старение

Рисунок 5. Две модели, показывающие, как p66Shc может объединять АФК и mTOR/S6K-каскад в процессе старения. а — АФК активируют белок p66Shc (или просто p66), который в свою очередь активирует рибосомную S6-киназу (S6K). АФК могут производиться в митохондриях в ответ на поступление питательных веществ (нутриентов), таким образом создавая альтернативный маршрут для детекции питательных веществ посредством S6K. б — Активированная p66 киназа S6K увеличивает образование АФК в митохондриях. В этом случае р66 может стимулироваться клеточным стрессом, белком р53 или экзогенными оксидантами. В обоих примерах воздействие р66 на старение тормозится ограничением калорий, что снижает поставку нутриентов. Активация p66 происходит в результате повышенной экспрессии (показана увеличенным значком) и фосфорилирования серина (буква «Р»). Оба изменения возникают в ответ на различные стрессы в клетках млекопитающих. Рисунок из [27].

Но не только дисфункция эндотелия и сердечно-сосудистые болезни связаны с гомоцистеином и повышенной активностью p66Shc. Уже известно, что p66Shc напрямую связан с отклонением, которое сегодня чаще всего рассматривают в качестве точки отсчета ускоренного старения — с резистентностью к инсулину, когда клетки перестают взаимодействовать с этим гормоном [29]. Вместе с резистентностью к инсулину развиваются липо- и глюкозотоксичность — разрушительное воздействие избытка жирных кислот (прежде всего пальмитиновой) и глюкозы на клеточные структуры. И далее объем последствий растет как снежный ком: повышение продукции провоспалительных цитокинов, накопление опасных метаболитов (диацилглицерола, сорбитола, церамида), окислительный стресс, нарушение синтеза АТФ и дисфункция митохондрий, повреждение эндотелия и атеросклероз, гликозилирование белков, накопление амилоида, повреждение клеток, ускоренное старение. Подавляющее число долгожителей не приобретает резистентности к инсулину до самой глубокой старости. И наоборот — бόльшая часть людей, преждевременно погибших от сердечно-сосудистых патологий, имела резистентность к этому гормону.

Сегодня большое внимание геронтологов приковано к механизмам благотворного воздействия на организм ограничения калорий. Как показали исследования, урезанный по калориям рацион может продлевать жизнь. Самый яркий и часто приводимый пример такого влияния — жители японского острова Окинава, которые при суточном рационе менее 2000 ккал уверенно держат первое место в мире по числу долгожителей. Суть этого феномена складывается из многих факторов, в том числе и из эпигенетических. Обнаружилось, что ограничение калорий меняет в позитивную сторону профиль метилирования ДНК: снижается метилирование генов — подавителей опухолевого роста, что ведет к их активации, и повышается метилирование онкогенов. Кроме этого, ограничение количества потребляемой глюкозы, которая дает немалую часть калорий, в эксперименте приводило к феномену расширения лимита Хейфлика — предела клеточного деления, лежащего в основе ограниченности срока жизни клетки (рис. 6). И опять это происходило вместе с изменениями эпигенома — изменениями в метилировании ДНК и модификациями гистонов, влияющими на активность ключевых генов — р16 и hTERT [30].

Ограничение глюкозы

Рисунок 6. Влияние ограничения потребления глюкозы на продолжительность жизни. Ограничение поступления глюкозы может влиять на эпигенетическую регуляцию как в нормальных, так и в раковых клетках. В нормальных клетках это приводит к репрессии гена р16 и активации hTERT, что позволяет расширить лимит Хейфлика. Белок р16 замедляет процесс размножения клеток, ген hTERT кодирует фермент теломеразу, способный наращивать концевые участки ДНК, сокращающиеся при делении клеток, — теломеры. В предраковых клетках противоположные эффекты на p16 и hTERT приводят к апоптозу и гибели опасных клеток. Рисунок из [30].

Эпигеном и теломеры

Еще один ассоциированный с возрастом процесс — укорочение теломер (повторяющихся последовательностей ДНК, стабилизирующих концевые участки хромосом, но уменьшающихся в длине при каждом клеточном делении) — также оказался тесно связанным с эпигеномом.

Американские биологи из Института Солка и Гарвардского университета, Родерик О'Салливан и его коллеги, провели исследования, выясняющие влияние клеточного деления на структуру хроматина. Как видно из работы О'Салливана и соавторов, в стареющих клетках с сильно укороченными теломерами характер упаковки ДНК в хромосомах значительно меняется [31]. Также выяснилось, что с возрастом при каждом делении клетки вместе с укорочением теломер происходит уменьшение синтеза специальных белков-гистонов*. На нуклеосомные гистоны, как швейная нить на катушку, наматывается молекула ДНК, упаковываясь таким образом в ядрах клеток. Посредством ацетилирования-деацетилирования гистонов происходит регулирование плотности упаковки ДНК. Если нужно «заглушить» гены, упаковка уплотняется, и считывающие информацию белки не могут присоединиться к регуляторным нуклеотидам. Если, наоборот, работа какого-то гена необходима, хроматин «разрыхляется», упаковка ДНК становится менее плотной и доступной для регуляторных белков.

* — Свойства этих белков описаны в статье «Катится, катится к ДНК гистон» [32].

Очевидно, что гистоны хроматина играют очень важную роль в нормальной работе генома. И обнаруженное американскими исследователями возрастное снижение их синтеза, связанное с делением клетки и укорочением теломер, может приводить к дестабилизации генома. По предположению О`Салливана и его коллег, хронический стрессовый сигнал генерируется за счет сокращения теломер и приводит к снижению синтеза гистонов двух видов, H3 и H4. В свою очередь, это не позволяет точно восстановить ландшафт хроматина при следующем делении, и повреждение ДНК постепенно ограничивает жизнь клетки. Даже незначительные изменения в равновесии системы «ДНК — гистоны», по мнению ученых, могут нарушить синтез ДНК, архитектуру хроматина и жизнеспособность клеток.

Но, как оказалось, это не единственно возможная взаимосвязь теломер, старения и эпигенома. Не так давно проследили еще одну потенциальную связь. В.А. Галицкий и его коллеги из Института биохимии им. А.А. Палладина (Киев) описали возможность укорочения теломер на фоне возрастной геномной нестабильности. И вот как это может выглядеть.

По мнению украинских биохимиков, микроРНК в стволовых клетках поддерживают исходный профиль эпигенетических маркеров, что и лежит в основе уникальных качеств стволовых клеток (в первую очередь, их способности к долгой жизни). Но дифференцировка — превращение стволовых клеток в специализированные* — требует репрессии генов некоторых микроРНК, чтобы те не мешали активности ряда нужных генов. В результате этого происходит возрастная потеря эпигенетических маркеров, снижается уровень метилирования ДНК. А это может приводить к дерепрессии «дремлющих» в ДНК ретротранспозонов и других мобильных элементов и, как следствие, к их перемещениям и повреждению ДНК. В ответ в клетке могут запуститься системы репарации ДНК, провоцирующие несанкционированные рекомбинации в участках теломер (так называемых теломерных кэпах). И по этой причине теломеры будут терять свою длину [33]. А укорочение теломер, как мы знаем, выступает одним из признанных маркеров старения организма.

* — Этот процесс на примере профориентации клеток крови прекрасно проиллюстрирован (в прямом смысле) в комиксе «Кем быть? Как гемопоэтическая стволовая клетка выбирает профессию» [34]. — Ред.

Заключение. «Эпигенетический дрейф»

Насколько сильно меняется эпигеном с возрастом в зависимости от внешних факторов, наглядно показали исследования ДНК близнецов, выполненные испанскими учеными, Марио Фрага и его коллегами. Изучая монозиготных (однояйцевых) близнецов, они определили, что близнецы в возрасте трех лет идентичны не только генетически, но и эпигенетически [35]. А вот у 50-летних — по-прежнему одинаковых генетически — людей возникают существенные эпигенетические различия (рис. 7). Причем тем больше, чем внушительнее географическая дистанция между местами их проживания и, следовательно, разница в условиях проживания. Это может говорить о том, что подобные различия возникают не случайно, а зависят от условий, в которых живут люди.

Метилирование ДНК близнецов

Рисунок 7. Разница в метилировании ДНК близнецов в возрасте трех и 50 лет. Для того чтобы определить эпигенетические различия между близнецами, исследователи разработали оригинальную методику окраски одинаковых участков (локусов) гомологичных хромосом. В случае одинаковой экспрессии эти локусы окрашивались в желтый цвет, если были гипометилированы — в красный, а если гиперметилированы — в зеленый. Так вот, если у 3-летних близнецов хромосомы были окрашены практически полностью в желтый цвет, то у 50-летних явно доминировали зеленый и красный. Рисунок из [35].

Результаты всех этих исследований позволили немецкому генетику Акселю Шумахеру разработать концепцию «эпигенетического дрейфа» — постепенного изменения с возрастом профиля метилирования ДНК* [36]. Согласно концепции, возрастзависимый «эпигенетический дрейф» является естественным процессом, наблюдающимся у всех, даже полностью здоровых людей. Но у тех, кто подвергается сильному влиянию окружающей среды, вредных привычек, стрессов, неправильного питания, дрейф может «давать крен» в сторону неблагоприятных профилей, негативно меняя работу генома.

* — О природе различных, не только эпигенетических, возрастных изменений в клетках и возможных путях их преодоления образно рассказывает статья «Зачем клетки стареют» [37]. — Ред.

После всех проведенных исследований ученые могут уверенно говорить, что основу долголетия и хорошего здоровья вместе с другими факторами во многом определяет именно состояние эпигенома. А оно складывается из двух составляющих: из того, что мы получили в наследство от своих родителей, и из привычек, которые мы выработали в нашей жизни. Как сказал один из основоположников эпигенетики, профессор МГУ Б.Ф. Ванюшин, «нет никакого сомнения в том, что метилирование ДНК и модификации гистонов, а также избирательный сайленсинг генов малыми РНК играют очень важную роль в жизни клетки и организма, поэтому дальнейшие исчерпывающие исследования в этой захватывающей области знаний — очень важная и плодотворная задача нашего века» [38]. И с этим трудно поспорить. Остается ждать новых открытий, которые подарит нам область знаний, стремительно ворвавшаяся в нашу жизнь, — наука ЭПИГЕНЕТИКА.

Литература

  1. Развитие и эпигенетика, или история о минотавре;
  2. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
  3. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?;
  4. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
  5. Как избавиться от РНК за несколько минут;
  6. микроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров;
  7. Callaway E. (2014). Epigenomics starts to make its mark. Nature508, 22;
  8. Вайсерман А.М., Войтенко В.П., Мехова Л.В. (2011). Эпигенетическая эпидемиология ассоциированных с возрастом заболеваний. Онтогенез42, 1–21;
  9. Hancks D.C. and Kazazian H.H. (2012). Active human retrotransposons: variation and disease. Curr. Opin. Genet. Dev. 22, 191–203;
  10. Тайны «молекулярных паразитов», или Как путешествовать по геному;
  11. Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге;
  12. Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?;
  13. Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. (2008). Nutritional control of reproductive status in honeybees via DNA methylation. Science. 319, 1827–1830;
  14. Lyko F., Foret S., Kucharski R., Wolf S., Falckenhayn C., Maleszka R. (2010). The honey bee epigenomes: differential methylation of brain DNA in queens and workers. PLoS Biol. 8, e1000506;
  15. http://biomolecula.ru#;
  16. Gentilini D., Mari D., Castaldi D., Remondini D., Ogliari G., Ostan R. et al. (2013). Role of epigenetics in human aging and longevity: genome-wide DNA methylation profile in centenarians and centenarians’ offspring. Age (Dordr). 35, 1961–1973;
  17. Soubry A., Schildkraut J.M., Murtha A., Wang F., Huang Z., Bernal A. et al. (2013). Paternal obesity is associated with IGF2 hypomethylation in newborns: results from a Newborn Epigenetics Study (NEST) cohort. BMC Med. 11, 29;
  18. Cencioni C., Spallotta F., Martelli F., Valente S., Mai A., Zeiher A.M., Gaetano C. (2013). Oxidative stress and epigenetic regulation in ageing and age-related diseases. Int. J. Mol. Sci. 14, 17643–17663;
  19. Активный кислород: друг или враг, или о пользе и вреде антиоксидантов;
  20. Антиоксиданты против пиелонефрита;
  21. Weitzman S.A., Turk P.W., Milkowski D.H., Kozlowski K. (1994). Free radical adducts induce alterations in DNA cytosine methylation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91, 1261–1264;
  22. Гречанина Е.Я., Лесовой В.Н., Мясоедов В.В., Гречанина Ю.Б., Гусар В.А. (2010). Закономерная связь между развитием некоторых эпигенетических заболеваний и нарушением метилирования ДНК вследствие дефицита ферментов фолатного цикла. Ультразвуковая перинатальная диагностика29, 27–59;
  23. Доставка лекарственных препаратов на основе рецептор-опосредованного эндоцитоза;
  24. Kim C.S., Kim Y.R., Naqvi A., Kumar S., Hoffman T.A., Jung S.B. et al. (2011). Homocysteine promotes human endothelial cell dysfunction via site-specific epigenetic regulation of p66shc. Cardiovasc. Res. 92, 466–475;
  25. Галимов Е.Р. (2010). Роль p66shc в окислительном стрессе и апоптозе. Acta Naturae. 4, 49–56;
  26. Kim Y.R., Kim C.S., Naqvi A., Kumar A., Kumar S., Hoffman T.A., Irani K. (2012). Epigenetic upregulation of p66shc mediates low-density lipoprotein cholesterol-induced endothelial cell dysfunction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 303, 189–196;
  27. Pani G. (2010). P66SHC and ageing: ROS and TOR? Aging (Albany NY). 2, 514–518;
  28. Blagosklonny M.V. (2013). MTOR-driven quasi-programmed aging as a disposable soma theory: blind watchmaker vs. intelligent designer. Cell Cycle12, 1842–1847;
  29. Ranieri S.C., Fusco S., Panieri E., Labate V., Mele M., Tesor V., Ferrara A.M. et al. (2010). Mammalian life-span determinant p66shcA mediates obesity-induced insulin resistance. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107, 13420–13428;
  30. Tollefsbol T. (2014). Dietary epigenetics in cancer and aging. Cancer Treat. Res. 159, 10;
  31. O’Sullivan R.J., Kubicek S., Schreiber S.L., Karlseder J. (2010). Reduced histone biosynthesis and chromatin changes arising from a damage signal at telomeres. Nat. Struct. Mol. Biol. 17, 1218–1225;
  32. Катится, катится к ДНК гистон;
  33. Галицкий В.А. (2009). Эпигенетическая природа старения. Цитология5, 388–397;
  34. Кем быть? Как гемопоэтическая стволовая клетка выбирает профессию;
  35. http://biomolecula.ru#;
  36. Wang S.C., Oelze B., Schumacher A. (2008). Age-specific epigenetic drift in late-onset Alzheimer’s disease. PLoS ONE. 3, e2698;
  37. Зачем клетки стареют;
  38. Ванюшин Б.Ф. (2013). Эпигенетика сегодня и завтра. Вавиловский журнал генетики и селекции. 17, 805–832..

Комментарии

Вас также может заинтересовать