Что относится к эпигенетическим структурам днк в митохондриях
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
Научная электронная библиотека
Юров И. Ю., Воинова В. Ю., Ворсанова С. Г., Юров Ю. Б.,
2.9. Эпигенетические процессы и наследственные болезни
В исследованиях генетических процессов, связанных с патогенезом заболеваний, особое внимание уделяется не только изменениям последовательностей ДНК, но также и транскрипционной активности ДНК в клетке. Вариация активности генома (экспрессия генов) как в отдельно взятой клетке, так и во всем организме достигается за счет различных эпигенетических процессов. Эпигенетические процессы представляют собой наследуемые изменения в экспрессии генов, нарушающие законы Менделя, без количественного или качественного (мутационного) изменения последовательности ДНК. В настоящее время описан целый ряд эпигенетических феноменов и процессов, таких как инактивация хромосомы Х, геномный импринтинг, унипарентальная дисомия, изменение порядка репликации ДНК, метилирование ДНК, биохимическая модификация гистонов и другие. Изучает подобные процессы особое направление в генетике – эпигенетика. Наиболее изученными эпигенетическими процессами являются модификация химической структуры ДНК за счет метилирования цитозина ЦГ динуклеотидов в 5′-положении, приводящее к транскрипционной инактивации генов, а также различные биохимические модификации гистоновых белков, образующих хроматин, которые могут, как приводить к инактивации, так и к активации генов. Следует отметить, что эпигенетические механизмы лежат в основе нормальной активности клетки, тогда как нарушение этих процессов приводит к целому ряду функциональных аномалий различных тканей организма, среди которых наиболее часто встречаются пороки развития центральной нервной системы. Наиболее подробно изученным эпигенетическим феноменом является процесс инактивации хромосомы Х.
Несмотря на то, что вклад каждой хромосомы Х (отцовской и материнской) должен составлять примерно 50 %, у значительного числа женщин наблюдается инактивация преимущественно одной из родительских хромосом Х – неравная Х-инактивация или сдвиг Х-инактивации. Известны следующие механизмы инактивации хромосомы Х, приводящие к случайной (равной) [1] и неравной Х-инактивации [2, 3]:
1) процесс, приводящий к случайной Х-инактивации, следующий: отцовская или материнская хромосома Х независимо инактивируется в каждой клетке на ранних стадиях развития плода. Инактивация генов сохраняется за счет метилирования цитозина на неактивной хромосоме Х. Таким образом, достигается практически эквивалентная (50:50) экспрессия генов отцовской и материнской хромосом Х в организме.
2) процесс, приводящий к неслучайной Х-инактивации, следующий: одна из хромосом Х (отцовская или материнская) имеет летальную мутацию, что препятствует дальнейшему развитию клеток, в которых хромосома Х с мутацией активна. В результате чего, в организме присутствуют преимущественно клетки, в которых мутированная хромосома Х неактивна, и, таким образом, в организме наблюдается неравная Х-инактивация.
3) процесс, приводящий к неслучайной Х-инактивации, может быть следующий: мутации в гене XIST приводит к тому, что выбор активной хромосомы Х неслучайный.
Неравная инактивация хромосомы Х представляется одной из особенностей ряда наследственных заболеваний. Болезни, связанные с ней, могут быть вызваны генными или хромосомными (геномными) мутациями, а также внешними факторами, при которых наблюдается неравная инактивация хромосомы Х без мутаций. Эта группа заболеваний включает в себя болезни, связанные с Х-сцепленными рецессивными мутациями, большую часть которых составляет Х-сцепленная умственная отсталость, а также ряд мультифакторных заболеваний (например, аутизм).
Известным эпигенетическим феноменом, имеющим особое значение для медицинской генетики – генетики нервных и психических болезней, является полиморфизм генов или SNP (single nucleotide polymorphisms), приводящий к изменению последовательности ДНК, связанному
с нарушением функциональной активности закодированного им белка. В настоящее время описано несколько подобных генов, полиморфные варианты которых имеют повышенную частоту среди больных нервными и психическими болезнями, например, гены, кодирующие серотониновые и допаминовые рецепторы при шизофрении. Несмотря на то, что этот феномен все же связан с изменением последовательности ДНК, тот факт, что они являются синонимическими мутациями, позволяет рассматривать подобные вариации экспрессии генов в рамках эпигенетики.
Определенные участки гомологичных хромосом не являются функционально одинаковыми. Локусы в таких участках могут показывать различия их активности в зависимости от материнского и отцовского происхождения. Так, определенные гены в зависимости от того, на какой хромосоме (материнской или отцовской) они расположены, вносят различный вклад в развитие эмбриона. Такие специфические различия в регуляции генов в зависимости от родительского происхождения определяются как геномный импринтинг.
Геномный импринтинг может вовлекать генные локусы либо отцовского, либо материнского происхождения. Так, в соматических клетках человека, как у мужчин, так и у женщин отцовская последовательность ДНК гомологичных хромосом может быть активна, в то время как материнская последовательность ДНК инактивирована. Геномный импринтинг и унипарентальная дисомия (см ниже) являются причиной ряда таких заболеваний, как синдром Прадера-Вилли и Ангельмана, связанных с локусами длинного плеча (q) хромосомы 15. Геномный импринтинг также зависит от особенностей метилирования в зависимости от родительского происхождения хромосом (различное метилирование локусов родительских хромосом). Например, если ген материнского происхождения метилирован (инактивирован), а этот же ген отцовского происхождения не является метилированным, то только отцовский ген будет экспрессироваться. Так как импритинг стирается в половых клетках, то гомологичные гены становятся метилированными в женских половых клетках, а в мужских половых клетках – неметилированными, в результате чего в зиготе наблюдается различие в метилировании аллелей импринтированных генов. Особенно хорошо демонстрирует феномен геномного импринтинга один из участков хромосомы 7 у мыши. Если одна третья часть обеих хромосом 7 в эмбрионе мыши отцовского происхождения, то мышь будет иметь большие размеры тела. Напротив, если материнского, то эмбрионы будут иметь маленькие размеры по сравнению с нормой и погибнут в ходе эмбрионального развития. Это объясняется различиями инактивации гена инсулин-подобного фактора роста-2 (IGF2), который расположен в этом участке и является особенно значимым для роста в эмбриональном развитии. Этот участок хромосомы 7 у мыши является гомологичным определенному участку короткого плеча хромосомы 11 у человека. Однородительская дисомия этого участка предрасполагает к наследственным синдромам, которые характеризуются клиникой синдрома Беквита-Видеманна (большой размер тела и опухоль Вилмса). Другим примером однородительской дисомии являются синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана, при которых наблюдается потеря функций одного из хромосомных участков в зависимости от родительского происхождения. Синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана являются клинически различными заболеваниями с нарушениями развития и поведения. Они вызваны потерей функции двух хромосомных участков, локализованных вблизи друг от друга на хромосоме 15. Эти два заболевания различаются клинической картиной вследствие потери функции участка хромосомы либо отцовского, либо материнского происхождения. Это синдромы одного и того же участка одной хромосомы. Делеция этой части хромосомы 15 обнаруживается до 70 % пациентов с синдромами Прадера-Вилли или Ангельмана. Если делеция затрагивает отцовскую хромосому, то это приводит к синдрому Прадера-Вилли и, наоборот, если материнскую – к синдрому Ангельмана. Для синдрома Прадера-Вилли характерны неонатальная гипотония, задержка развития, гиперфагия и ожирение, короткий рост, маленькие верхние и нижние конечности, гипогонадизм и гипопигментация. При cиндроме Ангельмана делеция хромосомы 15 имеет материнское происхождение. Для этой болезни характерны следующие признаки: умственная отсталость с нарушением развития речи, дружеское расположение (ласковый смех без видимых причин), гиперактивное поведение, судороги, специфические изменения в ЭЭГ и гипопигментация. Имеются ДНК маркеры, позволяющие установить родительское происхождение делеции молекулярно-генетическими методами. При синдроме Прадера-Вилли отсутствует отцовский аллель, а при cиндроме Ангельмана – материнский. Примерно 30–35 % пациентов с синдромом Прадера-Вилли и 20–30 % с синдромом Ангельмана не имеют делеции. В этих случаях часто обнаруживают однородительскую дисомию у 30 % детей с синдромом Прадера-Вилли и у 2 % –
с синдромом Ангельмана. У 1–2 % пациентов с синдромом Прадера-Вилли и у 20 % с синдромом Ангельмана не обнаруживают ни делеции, ни однородительской дисомии. В этих случаях болезнь может иметь семейное происхождение. Эти два синдрома являются примером геномного импринтинга у человека. Генные локусы этих синдромов, следовательно, являются объектами геномного импринтинга. Импринтинговые локусы в этом участке затрагивают большое число генов и, по-видимому, контролируются общим центром импринтинга, расположенном в этом районе. Мутации в центре импринтинга могут передаваться половыми клетками одного из родителей.
Унипарентальная или однородительская дисомия является феноменом, определяемым присутствием двух гомологичных хромосом (или хромосомных сегментов), унаследованных только от одного родителя и отсутствием соответствующей хромосомы (или сегмента), унаследованных от другого родителя. Различают два типа унипарентальной дисомии: изодисомия и гетеродисомия. Термин изодисомии относится к наличию двух копий одной и той же родительской хромосомы; гетеродисомия означает, что каждая из двух гомологичных хромосом передалась от одного родителя. Однородительская дисомия может являться причиной различных заболеваний у человека, включая мультифакторные болезни, связанные с нарушениями психики.