влияние генов на пол человека
Как гены влияют на человека
Уже более 100 лет генетики изучают, как различия в генах определяют наше здоровье, а также влияют на нашу склонность к способностям лучше освоить ту или иную сферу деятельности. Генетические исследования сегодня помогают людям лучше понять их организм, узнать больше о своем биологическом наследии через поколения и повлиять на те или иные его аспекты.
Что определяют наши гены?
Некоторые мировые генетические лаборатории уже предлагают общественности наборы для тестирования талантов, которые должны помочь с определение талантов среди детей путем определения конкретных генов.
Недавние исследования показали, что существует связь между специфическим геном ACTN3 и спортивными способностями. Это, например, послужило основой для детских генетических тестов Atlas Sports Genetics, фирмы по генным технологиям в Боулдере, штат Колорадо. Цель теста – предсказать, будет ли ребенок лучше в скоростных и силовых видах спорта, таких как футбол или спринт. Подобный тест предлагают в Сингапуре – здесь находят 33 генетически заложенных признака, включая интеллект, память, эмоциональный фактор и склонность к предпринимательству. В Китае говорят об 11 различных генах, определяющих IQ ребенка, память, фокусировку и даже спортивные способности.
Действительно, генетика имеет большое значение, просто потому что наша ДНК – это своеобразный программный код, который предопределяет буквально все в структуре нашего организма, поскольку дает инструкции для создания белков и клеток. На что влияют гены:
Однако к этим данным и генетическим тестам на таланты необходимо относиться с определенной долей скептицизма. Ученые по всему миру говорят об этических проблемах подобного тестирования и опасности выбора профессии или вида спорта для ребенка только на основании результатов теста. Гораздо важнее – личные интересы человека, его отношение к выбранной отрасли, его упорный труд над тем, что ему нравится.
На самом деле, в данный момент еще очень трудно определить, какие участки ДНК и как гены влияют на человека и будет ли ребенок предрасположен к определенным талантам. Исследования показывают, что лишь 2-3% генетической вариации определяют такие черты, как интеллект и спортивные результаты. Эксперты сходятся во мнении, что даже тестирование на ACTN3 и другие похожие тесты для прогнозирования способностей ребенка все еще находятся на ранней стадии исследования.
Когда проявится талант и способности, заложенные в генах
Талант к чему-либо – не просто хороший результат, а одаренность, заметная окружающим. Но нельзя сказать точно, когда проявится талант. Иногда человек десятилетиями не подозревает, что имеет склонность к какому-либо предмету просто потому, что у него не было возможностей для обучения этому или его окружение не способствовало развитию таланта.
Но некоторые таланты могут проявиться в очень раннем возрасте. Самый известный пример – Вольфганг Амадей Моцарт, который начал создавать музыкальные произведения в возрасте пяти лет. Но не будем забывать, в какое время и в каком окружении воспитывался великий композитор – его отец был придворным скрипачом и композитором, а значит, любовь к музыке окружала Амадея с первых дней его жизни.
Вот почему важно предлагать ребенку разные занятия с раннего возраста. Непреодолимое желание заниматься чем-либо и выдающиеся результаты могут продемонстрировать генетическую предрасположенность к выбранной сфере.
Можно ли чего-то достичь, если информация не заложена в генах
Ответить на этот вопрос однозначно науке в данное время не под силу. Мы можем рассмотреть один частный пример. Одно из наиболее интересных явлений сегодня – спортивное мастерство ямайских спринтеров. Одни из лучших спринтеров в мире родом с этого островного государства в Карибском море. И Усэйн Болт, и Элейн Томпсон – олимпийские чемпионы с Ямайки, которые имеют звание самых быстрых людей в мире. Кроме того, ямайские спортсмены – это 19 человек из 26 самых быстрых людей всех времен, когда-либо соревнующихся в беге на 100 метров. Эти цифры слишком странные, чтобы быть простым совпадением, учитывая, что население Ямайки составляет всего 2,8 миллиона человек. Ученые, которые исследовали молекулу ДНК ямайских спринтеров, предположили существование «гена скорости» и определили ген ACE.
Этот конкретный вариант гена увеличивает вероятность того, что у вас будет сердце больше среднего, которое может перекачивать кровь с высоким содержанием кислорода в мышцы быстрее, чем у обычного человека. Данные показали, что у ямайцей намного чаще проявляется этот вариант гена, чем у европейцев или даже жителей Западной Африки.
Как ни странно, 75% ямайцев, как спортсменов, так и не спортсменов, также обладают геном ACTN3, который помогает развивать мышечную силу. И только 70 процентов спортсменов международного уровня из США имеют этот вариант гена.
Итак, заложены ли ваши потенциальные спортивные способности в первую очередь в этих двух генах? Сложно сказать.
Во-первых, генетика спорта невероятно сложна, и более вероятно, что здесь задействован целый ряд генов, а не конкретная аномалия. Кроме того, Яннис Питсиландис, биолог из Университета Глазго, изучал генетику ямайских спринтеров и не смог генетически выделить подгруппу, которая заставляла их бегать быстрее, чем все остальные. Вместо этого он утверждает, что на Ямайке много быстрых спринтеров, потому что вся страна поощряет этот вид спорта, подобно тому, как Соединенные Штаты одержимы футболом.
Давайте рассмотрим другой пример – способность легко решать математические задачи. К сожалению, здесь еще меньше убедительных материалов относительно роли генетики в академическом успехе. Согласно обширному исследованию близнецов, проведенному учеными из Королевского колледжа Лондона, возможно, что гены математических и языковых навыков наследуются от родителей. Однако ученые не смогли определить точные гены, которые могут быть ответственны за эти навыки.
Как насчет музыкальных способностей? Ситуация тоже остается неясной. Хотя никаких прямых связей между генами и музыкальными способностями установлено не было, некоторые ученые считают, что музыкальные достижения на самом деле могут быть связаны с желанием заниматься музыкой, у которого есть генетические предпосылки. Исследование более 10000 идентичных шведских близнецов, проведенное неврологом Мириам Мосинг из Каролинского института (Швеция), показало, что склонность человека заниматься музыкой может наследоваться ребенком на 70%. Тем не менее, ни одно из исследований не может считаться окончательным, поскольку никакого конкретного варианта гена еще не найдено.
Как же мы ответим на поставленный в начале вопрос, существует ли ограничение возможностей через гены? В данный момент ученые не знают ответа на этот вопрос, но вы определенно можете достичь успеха в интересной вам отрасли, имея мотивацию к этому, получая образование и усердно работая.
Как человеку изменить свою генетическую информацию
Большинство генов, которые мы получаем от наших родителей, являются их копиями, которые работают так же, как и у них. Но не всегда ген ребенка будет идеальной копией. Изменения в генах называются мутациями, и они есть у каждого человека, и совсем необязательно это плохое явление. Некоторые мутации позволяют организму работать лучше, чем оригинальный ген, а многие вообще не имеют значения. Другие мутации – причина проблем. Состояние, которое вызывается мутациями, называется генетическим заболеванием. Но наиболее распространенные заболевания вызваны сочетанием генных изменений и образа жизни человека.
Можно ли поменять свою генетику? Мы не можем изменить наши гены, но мы можем изменить свое поведение. Человек может принять меры для предотвращения болезней, снижения риска их проявления и попробовать найти проблемы на ранних стадиях, когда лечение работает лучше всего. Хорошая генетика – расплывчатое понятие, поскольку гены могут включаться и выключаться под воздействием различных факторов. Отказ от вредных привычек, занятия спортом, достаточный сон и сбалансированное питание – как правило, этих основных рекомендаций, которые дает каждый врач, достаточно для снижения негативного влияния генетики на организм.
УЧАСТИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ И ВНЕГЕНЕТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В РАЗВИТИИ ФЕНОТИПИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ПОЛА ОСОБИ.
Пол – одна из основных характеристик живого организма. Нет человека, птицы, животного вообще, а есть мужчина и женщина; петух и курица; кот и кошка, т.е. существа разного пола. По определению Большой Советской Энциклопедии пол – совокупность морфологических и физиологических особенностей, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению.
Все организмы исходно бисексуальны. У некоторых раздельнополых видов пол может формироваться фенотипически. Например, у кольчатого морского червя бонеллии личинка может поселиться на хоботке самки и развиваться в самца, а может опуститься на дно, и тогда она превратится в самку. У высших животных пол обусловливают особые гены – реализаторы (XY хромосомы у самцов и XX – у самки). Они контролируют выработку гормонов пола, которые, собственно, и определяют пол.
Выделяют следующие компоненты биологического пола: генетический пол, гонадный пол, внутренний генитальный пол, наружный генитальный пол, гормональный пол и пол вторичных половых признаков. Генетический пол зависит от набора половых хромосом; гонадный пол имеет синонимичное название – пол половых желез: у самок яичник, а у самцов яички; внутренний генитальный пол определяется наличием внутренних половых органов (предстательной железы и семенных пузырьков либо матки и маточных труб), в то время как наружный генитальный – наличием наружных половых органов; гормональный пол обуславливается преобладанием в крови определенного вида половых гормонов (мужских – андрогенов и женских – эстрогенов); пол вторичных половых признаков виден по оволосению (по мужскому или женскому типу), наличию или отсутствию развитых молочных желез, голосу, строению скелета, распределению подкожной жировой прослойки и др., причем развитие вторичных половых признаков определяется как уровнем половых гормонов, так и расовыми, иными генетическими особенностями, характеристиками внешней среды.
Рассматривая влияние генотипа и факторов среды на пол организма, стоит сказать, что у разных организмов его степень различна. У большинства организмов развитие признаков осуществляется на основе наследственной программы, заключенной в генотипе. Однако известны примеры, когда половая принадлежность организма целиком зависит от условий, в которых он развивается. Следовательно, роль генотипа и среды в развитии признаков пола, и значение их факторов в формировании патологически измененного человека велика.
Цель данной работы заключается в рассмотрении аспектов пола организма, таких как признаки пола организма и типы его определения, а также влияние генетических и внегенетических факторов в развитии фенотипических признаков пола особи.
Генетика пола
Пол – совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение. При рассмотрении половых отличий организмов следует различать следующие понятия:
Генетический пол (хромосомное определение пола) – определяется наличием в соматических клетках определенных половых хромосом
Вторичное определение пола – характеризуется появлением наружных половых органов и вторичных половых признаков
Генетический пол организма определяется в момент оплодотворения и обусловлен гетерогаметностью мужского пола. Образование двух типов сперматозоидов обеспечивает численное равенство полов в следующем поколении. Однако фактическое соотношение полов в популяции с возрастом изменяется. Поэтому предлагается выделять первичное, вторичное и третичное соотношение полов.
Общая схема первичной детерминации пола выглядит следующим образом: на ранних этапах эмбрионального развития возникает конкретный сигнал, включающий некий ген. Этот ген, в свою очередь, активизирует развитие и дифференцировку гонад в определенном направлении, а функционирование последних определяет развитие половых признаков.
Биологической основой генетического механизма определения пола является бисексуальность эмбриональных гонад. Опыты по удалению зачатков гонад у эмбрионов позволили сделать вывод: «специализация развивающихся гонад в семенники или яичники определяет последующую половую дифференцировку эмбриона». А выявление людей с единственной Х-хромосомой, развивающихся по женскому типу, а также людей с наборами половых хромосом ХХY, развивающихся по мужскому типу, позволили сделать вывод, что Y-хромосома несет генетическую информацию, необходимую для формирования пола.
Исследования генетиков позволили локализовать и определить структуру гена, определяющего развитие зачатков гонад в семенники. Этот ген получил название SRY. Отсутствие в клетках эмбриона Y-хромосомы приводит к развитию из зачатков гонад яичников. Половая система организмов включает не только семенники и яичники, но и другие органы (женские – фаллопиевые трубы, матка, влагалище и мужские – придаток семенников, семявыводящие протоки, семенные пузырьки). Эти органы развиваются из протоков зародышевой почки эмбриона. Мюллеров проток является предшественником труб, матки и верхней части влагалища, Вольфов проток – органов мужской половой системы. Развитие этих протоков в окончательные органы контролируется антимюллеровым гормоном.
Обязательным условием нормального развития половой системы является наличие функционально активных рецепторов для половых гормонов. Мутации генов, которые кодируют эти рецепторы, приводят к тем же последствиям, как и отсутствие соответствующего гормона в организме.
Можно сделать вывод, что на формирование пола и нормальное развитие половой системы оказывают влияние:
1. Наличие Y-хромосомы в клетках эмбриона
2. Образование гормонов (мужских и женских половых, антимюллерова), которые влияют на формирование половых органов
3. Наличие функционально активных рецепторов, через которые гормоны реализуют свое действие.
На формирование половых признаков оказывают влияние гены, локализованные в различных хромосомах, поэтому знания функциональной активности этих генов позволяют объяснить встречающиеся несоответствия генетического и фенотипического пола, а также возникновения у человека гермафродитизма. Основными причинами этих нарушений являются либо хромосомные мутации, либо мутации генов, кодирующих гормоны и рецепторы гормонов.
Роль генетических факторов в развитии признаковпола особи.
Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен так называемый H-Y антиген, находящийся на поверхности клеток, несущих Y- хромосому. Единственной функцией его считается дифференцировка гонад. Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных гормонов, вырабатываемых гонадами. Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки организма, включая клетки гонад. Мутация всего одной Х-хромосомы, кодирующей белок-рецептор тестостерона, приводит к синдрому тестикулярной феминизации особей XY, или синдрому Мориса Клетки-мутанты не чувствительны к действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола. При этом внутренние половые органы оказываются недоразвитыми и такие особи полностью стерильные. Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих и человека взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.
Таким образом, пол человека представляет собой менделирующий признак, наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания. Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным полом (XX). В результате в природе обнаруживается наследственная дифференцировка организмов на мужской и женский пол и устойчивое сокращение во всех поколениях количественного равенства полов.
Рольвнегенетическихфакторов в развитии признаков пола особи
Пол организма, как и любой признак, развивается не только под влиянием генотипа, но и под воздействием факторов внешней среды. Однако стоит сказать, что для разных организмов степень влияния генотипа и факторов внешней среды на определение пола различна, т.е. у одних организмов (человек, большинство млекопитающих) определяющим является генотип, а других (рыбы, некоторые черви) – факторы внешней среды. Так у червя Bonellia viridis самка относительно большая, а самец имеет микроскопические размеры. Он постоянно живет в половых путях самки. Личинка червя обладает потенциями обоего пола (бисексуальна). Развитие самца или самки из такой личинки зависит от случая: если личинка, плавающая в воде, встретит свободную от самца самку и зафиксируется на ней, она превратится в самца, если нет – в самку.
Иногда факторы внешней среды оказывают существенное влияние на определение пола и у млекопитающих. Так, у крупного рогатого скота при одновременном развитии двух разнополых близнецов бычки рождаются нормальными, а телочки – часто интерсексами (организм, у которого в той или иной степени развиты одновременно признаки как одного, так и другого пола). Это объясняется более ранним выделением мужских половых гормонов и влиянием их на пол второго близнеца.
Описаны случаи проявления у человека мужского фенотипа при содержании половых хромосом XX и женского (синдром Мориса или тестикулярной феминизации) – при генотипе XY. При синдроме Мориса и эмбриогенезе идет закладка семенников, начинающих продуцировать мужские половые гормоны. Однако у таких зародышей не образуется белок-рецептор (рецессивная генная мутация), который обеспечивает чувствительность клеток развивающихся органов к тестостерону. Вследствие этого развитие по мужскому типу прекращается, и проявляется женский фенотип.
Переопределение пола можно наблюдать у атлантической сельди. Сельди живут небольшими стаями, в каждой из которых имеется один самец и несколько самок. Если самец погибает, то через некоторое время самая крупная самка превращается в самца.
Таким образом, биологической основой изменения и переопределения пола является изначальная генетическая бисексуальность организмов. Это объясняет возможность изменения в процессе онтогенеза.
Значение средовых и генотипических факторов в формировании патологически измененного фенотипа человека
Говоря о роли вышеупомянутых факторов в формировании патологически измененного фенотипа особи того или иного пола, стоит отметить хромосомные патологии.
Фенотипические проявления хромосомных мутаций зависят от следующих главных факторов:1) особенности вовлеченной в аномалию хромосомы (специфический набор генов); 2) тип аномалии (трисомия, моносомия, полная, частичная); 3) размер недостающего генетического материала при частичной моносомии или избыточного генетического материала при частичной трисомии; 4) степень мозаичности организма по аберрантным клеткам;
5) генотип организма; 6) условия среды.
Изменение числа хромосом происходит в результате нерасхождения их в мейозе или при делении клеток на ранней стадии развития оплодотворённого яйца. Нерасхождению хромосом при первых делениях оплодотворённого яйца способствует, например, высокий возраст матери. Хромосомные аберрации (мутации, изменяющие структуру хромосом) обусловливаются физическими (ионизирующее излучение) и химическими (например, лекарственные препараты с мутагенным эффектом) факторами; вирусами (краснухи, вирусного гепатита, ветряной оспы и др.), антителами и различными расстройствами метаболизма. Хромосомные болезни могут быть связаны с излишком генетического материала (полисемия — наличие одной или нескольких добавочных хромосом; полиплоидия; дупликация);с утратой части генетического материала (нуллисомия, моносомия, делеция);с хромосомными перестройками (транслокация, различные перестановки участков хромосом).
Вследствие конкретности нашей темы мы рассмотрим группу хромосомных патологий, связанных с изменениями половых хромосом.
Таким образом, значение средовых и генотипических факторов в формировании патологически измененного фенотипа человека очень велико, так как фенотип есть реализация генотипа в ходе индивидуального развития и в определенных условиях среды обитания, факторы которой часто оказывают определяющее значение на проявление и развитие того или иного признака и свойства. Поэтому организмы, имеющие одинаковые генотипы, могут заметно отличаться друг от друга по фенотипу.
Следствием генетических нарушений могут возникать врожденные заболевания и аномалии развития. Врожденные болезни могут быть результатом генетических нарушений и следствием вредных воздействий на плод, развивающийся из нормальных половых клеток, без генетических мутаций.
В то же время существуют патологии, обусловленные только воздействием факторов среды. Но и при этих болезнях причины, течение и исход их будет определяться генотипом. Следовательно, формирование патологического фенотипа детерминировано наследственной информацией при условии влияния окружающей среды.
Заключение
Пол – это совокупность морфологических, физиологических, биохимических, поведенческих и других признаков организма, и в зависимости от значимости этих признаков развиваются первичные и вторичные половые признаки, обуславливающие гаметогенез, сближение и соединение гамет в процессе оплодотворения, а также непосредственное сближение полов.
Половая принадлежность организма, более того, зависит от сочетания либо количества половых хромосом в его кариотипе, что свидетельствует о расположении генов, определяющих пол, в этих хромосомах. У человека Y- хромосома играет очень важную роль в определении пола, которая содержит часть генов, не имеющих идентичных и наследующиеся по мужской линии. Однако в развитии признаков пола принимают участие и гены в аутосомах.
Что касается роли генотипа и среды в развитии признаков пола, то нужно отметить, что пол организма, как и любой признак, развивается под влиянием генотипа и под воздействием факторов внешней среды. Однако стоит сказать, что для разных организмов степень влияния генотипа и факторов внешней среды на определение пола различна, т.е. у одних организмов (человек, большинство млекопитающих) определяющим является генотип, а других (рыбы, некоторые черви) – факторы внешней среды. Следовательно, развитие половых признаков каждого организма будет детерминировано по-своему. В то же время, говоря о патологически измененном фенотипе, думаем, что он, будучи нормальным или патологическим, остается результатом взаимодействия наследственных свойств организма и условий внешней среды.
Список используемой литературы:
Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. «Общая биология» – М.: Просвещение, 2000, с. 100-114
Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В. «Биология.
Приложение
Рис. 2. Фазы жизненного цикла многоклеточных животных
В рамках реализации «Государственной молодежной политики Российской Федерации на период до 2025 года» и направления «Вовлечение молодежи в инновационную деятельность и научно-техническое творчество» коллективами преподавателей различных вузов России в 2009 году было предложено совместное проведение электронной научной конференции «Международный студенческий научный форум».
Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки
Кадр из видео «Мир эпигенетики», иллюстрированного пятиминутного рассказа «как будто для детей» об эпигеноме как источнике изменчивости
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Что представляет собой эпигеном, какова его роль в жизни клетки и чем он выступает по отношению к геному? Второстепенным дополнением, неким приложением или же загадочной, малоизученной системой, управляющей генетическими процессами? В последние годы наука находит всё новые определения этому термину. Предрасположенность к наследственным болезням, генетическая стабильность, адаптация, реакция на стрессовые факторы, темпы развития и старения клеток — во всём этом задействована «структура» под названием эпигеном. Изучение эпигенетических закономерностей открывает для биологии двери в лабиринты познания, где можно найти ответы на многие неразрешимые вопросы современной науки.
Конкурс «био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Младшая сестра генетики
Чтобы понять, что такое эпигеном и эпигенетика, сначала нужно прояснить, что такое геном и генетика. Геном — это совокупность генов того или иного организма. Генетика — наука, изучающая механизмы реализации генетической информации и передачи генов потомству. Соответственно, эпигеном — совокупность специфических меток, определяющих активность генов, но не затрагивающих первичную структуру ДНК. Эпигеном (приставка «эпи-» в переводе с греческого означает «над») представляет собой своеобразный регуляторный слой, расположенный как бы «над» геномом клетки. Условно говоря, эпигеном раздает команды, какие гены должны работать (экспрессироваться), а какие — отдыхать (или «молчать», то есть находиться в состоянии сайленсинга). Эпигенетика — научное направление, изучающее эпигенетические модификации генома, пути реализации состояний генов, их передачу в клеточных генерациях и механизмы регуляции наследственной информации (без изменения нуклеотидной последовательности) в ответ на действие внешних факторов [1].
Со времени первых открытий в области генетики и до недавних пор в науке прочно укоренилось представление о том, что структура ДНК — это единственный носитель наследственной информации. Благодаря крупномасштабным расшифровкам геномов, в том числе человеческого [2], была раскрыта природа гена и мутаций — нарушений генетической записи, — поняты принципы организации ДНК, изучены последовательности нуклеотидов, обусловливающие наследственные патологии. Было установлено, что генетическая информация человека хранится в 23 парах хромосом, содержащих 20–25 тысяч генов (оказалось, что точно определить их количество тоже не очень-то просто [3]), или три миллиарда пар нуклеотидов, несущих азотистые основания преимущественно четырех типов: аденин, тимин, гуанин, цитозин (сокращенно — А, Т, Г, Ц). Однако роль внешних факторов в механизмах реализации генетической информации была сведена к минимуму. Проще говоря, ученые считали: что записано в генόм, того не вырубишь топором [4].
Действительно, ДНК — это основа основ большинства жизненных форм. В ее структуре записано всё о живом организме, начиная с его видовых характеристик, морфологических параметров, предрасположенностей к болезням, заканчивая типом высшей нервной деятельности, поведенческими особенностями и наклонностями. Но было бы неправильно воспринимать геном как некий фатум, которым заранее предопределена жизнь индивида. Не всем генетическим «предсказаниям» суждено сбыться: некоторые из них еще не раз будут переписаны в течение онтогенеза (индивидуального развития организма).
Со временем ученые пришли к выводу, что активность многих генов непостоянна: они включаются (экспрессируются) и выключаются (репрессируются) в зависимости от воздействия внешних факторов. Это изменение активности генов, не затрагивающее первичную структуру ДНК, но влияющее на проявление тех или иных свойств и признаков, и составило предмет изучения эпигенетики.
Эпигенетика — сравнительно молодое направление науки. Впервые этот термин в 1942 году употребил английский ученый Конрад Уоддингтон. Изучая ряд закономерностей, научное сообщество пришло к выводу, что функции живого организма не обусловлены одной только закодированной в генах информацией, а во многом служат ответом на сигналы из окружающей среды. То, как происходит эпигенетически обусловленное включение и выключение определенных генов, стало одним из важных открытий современности, за что в 2006 году американским исследователям присудили Нобелевскую премию [10].
Классическая менделевская генетика опирается на то, что в основе изменений фенотипических признаков лежат мутации ДНК, то есть механические — случайные или индуцированные — изменения структуры наследственной информации. Эпигенетика опирается на варианты нормы, представленные модификациями. Каждое из нарушений эпигенома имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, и выступает эпигенетическим эквивалентом генетической мутации. Однако, несмотря на всю свою значимость, эпигенетика всё равно остается вторичной по отношению к генетике, ее младшей сестрой, ответвлением, а не самостоятельной наукой. Поскольку основным носителем наследственной информации является геном, эпигенетические механизмы могут только управлять работой тех или иных генов, исходя из имеющегося в наличии материала. Эпигеном служит механизмом контроля реализации генетической информации, что осуществляется посредством модификаций отдельных нуклеотидов. Проще говоря, не все гены, которые у нас есть, работают. Одни гены проявляют активность в одной клетке и неактивны в другой, и наоборот. Существуют некие регуляторные элементы, управляющие активностью генов. По современным представлениям, к таким элементам относятся: метилирование ДНК, гистоновые модификации, ацетилирование, фосфорилирование, гликозилирование, разнообразные микроРНК и другие структуры/процессы, «дирижирующие» нашим геномом [10], [11].
Рассмотрим самую известную и самую важную модификацию — метилирование ДНК. Это единственная химическая модификация ДНК, задействованная во многих генетических процессах у эукариот. Метилирование — добавление СН3-группы к цитозину ферментами ДНК-метилтрансферазами (рис. 1), что приводит к инактивации целого гена, в состав которого входит этот модифицированный нуклеотид.
Метилцитозин, немало удививший исследователей туберкулезной бациллы еще век назад, иногда называют пятым основанием ДНК, а недавно ученому миру явилось и шестое: «Шестое ДНК-основание: от открытия до признания» [12]. — Ред.
Рисунок 1. Модификация цитозина в 5-метилцитозин с участием ДНК-метилаз и S-аденозилметионина
Что же происходит, когда к цитозину, входящему в состав того или иного гена, присоединяется метильная группа? Оказывается, такая модификация провоцирует присоединение белков, изменяющих состояние хроматина. Чаще всего эпигенетическая регуляция осуществляется именно путем дифференциального метилирования цитозина в специфических участках генома. Формально ген никуда не девается, он продолжает находиться на своем месте, но никак себя не проявляет. Ген словно выключен, он не может производить продукт. В таком выключенном состоянии ген способен наследоваться. Передача потомству признаков, приобретенных организмами в течение жизни, в том числе посредством метилирования, называется эпигенетической наследственностью. Это наследование сохраняется у нескольких клеточных поколений или нескольких поколений живых существ.
Но всегда ли плохо то, что гены выключаются? Если представить, к примеру, что путем такой нехитрой модификации происходит выключение каких-либо вредоносных генов, вызывающих развитие патологий, наследственных аномалий или онкотрансформацию клеток, это же будет хорошо. Однако эпигеном может и навредить организму, инактивируя нужные гены. Еще до конца не изучено, как поддерживаются и воспроизводятся те или иные эпигенетические состояния [1].
Как уже упоминалось, метилирование ДНК влияет на многие генетические процессы у эукариот. Оно контролирует экспрессию генов, задействовано в пререкомбинационных событиях (предшествующих рекомбинации — процессу перераспределения генов между участками хромосом), выполняет функцию защиты от встраивания экзогенных нуклеотидных последовательностей, ограничивает перемещение транспозонов (особых участков ДНК, способных передвигаться по геному). Метилирование связано в основном с репрессией генов, инактивацией чужеродных последовательностей, регулировкой развития и организации генома. Регуляторные эпигенетические механизмы могут вызывать перемены в генетической активности. Метилирование цитозина в ДНК эукариот относится к ключевым факторам их развития. Оно оказывает влияние на структурно-функциональную организацию генома, принимая участие в регуляции конформационных изменений хроматина, что способствует изменениям в соответствующих локусах (местах локализации гена на хромосоме). ДНК в разных типах клеток организма метилирована по-разному. Это связано с расхождениями в выполняемых функциях, степени дифференцировки клеток и свойственной им экспрессии генов [13–15].
Различные эпигеномы как разные варианты реализации наследственной информации представляют собой своего рода набор параллельных реальностей, существующих в каждой клетке нашего организма. От того, какой ген заблокирован или разблокирован, зависит проявление того или иного фенотипического признака, а также скорость старения [16] и способность взаимодействовать с окружающей средой. Является ли это включение-выключение случайным или запрограммированным процессом и как связаны между собой различные «миры» эпигеномов, пока известно мало. Но сам факт того, что наука уже вплотную подошла к таким вопросам, не может оставаться без внимания.
На страже спокойствия генома. Метилирование как защитный механизм
Метилирование как функция защиты генетического материала от встраивания вирусных и других чужеродных нуклеотидных последовательностей встречается даже у таких примитивных живых организмов, как бактерии. Осуществляется это за счет системы рестрикции-модификации. Чужеродная ДНК, попав в бактерию, расщепляется рестриктазами (специальными ферментами, разрезающими ДНК в определенных участках). Однако те же самые последовательности собственной ДНК бактерии защищены от расщепления метильными метками [17].
Считается, что метилирование в качестве механизма, предотвращающего проникновение в геном чужеродных последовательностей, сохраняется и у более сложных организмов. Оно подавляет распространение вирусных генов, тандемных повторов (бессмысленных последовательностей ДНК) и транспозонов. Больше всего таких модификаций наблюдается в некодирующих районах ДНК. Метилирование репрессирует «ненужные» гены путем добавления метильной группы к цитозиновым остаткам в составе этих последовательностей. У млекопитающих, в частности человека, метилирование повторяющихся участков играет важную роль в стабилизации ДНК. В свою очередь, если повторяющиеся участки деметилируются (теряют метильные метки), они становятся мутагенными и вызывают геномную нестабильность — хромосомные аномалии, каскад апоптозных реакций, онкотрансформацию клетки. Метилирование обеспечивает целостность генома, а также стабилизирует двойную спираль ДНК за счет усиления связи с комплементарным гуанином [4], [18], [19].
Процессы метилирования и деметилирования ДНК эукариот принимают участие в регуляции экспрессии генов в ходе роста, дифференцировки, старения клеток и их реакций на повреждающие воздействия [19], [20]. Негативные факторы способны переключать программы функционирования генов. В частности, метилирование задействовано в регуляции экспрессии генов в ответ на биотические (вирусные, грибковые, бактериальные инфекции) и абиотические (температура, радиация, УФ-излучение) стрессы [21–23]. К примеру, при действии радиационного стресса уровень метилирования генома снижается, вследствие чего активируется транскрипция транспозонов, избыток которых может вызывать генетическую нестабильность, хромосомные аномалии и другие повреждения ДНК. Однако в ответ на увеличение транскрипционной активности происходит обратная реакция: запускаются защитные процессы метилирования транспозонных промоторов — регуляторных участков, обеспечивающих транскрипцию (рис. 2). Таким образом, радиация провоцирует повышение уровня метилирования ДНК, что может быть проявлением защитной реакции — ответа генома на усиление транспозонной активности. То есть, с одной стороны, стресс активирует мобильные элементы и увеличивает их вредное действие, с другой — это ведет к запуску эпигенетического «молчания» транспозонов и стабилизации хромосом. Также в пользу того, что метилирование ДНК участвует в защите генома, поддерживая его постоянство в изменяющихся условиях, говорит и тот факт, что искусственное снижение метилирования вызывает увеличение транспозонной активности и количества хромосомных перестроек [13], [24].
Рисунок 2. Метильные группы в регуляторной области гена препятствуют транскрипции. Механизм — прямое ингибирование.
Согласно данным, полученным на животных, радиация способствует подавлению тотального метилирования в непосредственно облученных тканях, а также в тканях-«свидетелях». До недавнего времени считалось, что биологические последствия ионизирующего облучения связаны с прямыми повреждениями ДНК. Но сегодня эта концепция дополнена. Было обнаружено, что облученные клетки провоцируют повышение уровня генных мутаций и хромосомных аберраций (нарушений структуры хромосом) в соседних клетках, которые не подвергались действию радиации. То есть молекулярные и клеточные эффекты в них обусловлены не самόй ионизирующей радиацией, а сигналом повреждения из облученных клеток. Эти реакции называются эффектом свидетеля. Они хорошо изучены на культурах клеток. Предполагается, что облученные клетки выделяют эпигенетические сигнальные факторы, которые и в необлученных соседках вызывают аналогичные изменения. Природа этих факторов и точный механизм «эффекта свидетеля» еще довольно слабо исследованы [25].
Если провести аналогию между геномом и человеческим обществом, то транспозоны можно было бы сравнить с антисоциальными элементами или просто нарушителями общественного порядка. В зависимости от размеров и мест локализации транспозоны могут быть как мелкими хулиганами, так и опасными преступниками, сеющими хромосомный беспорядок. Метилирование в таком случае считалось бы внутригеномной полицейской службой, поскольку именно оно выступает основным механизмом, предотвращающим разгул транспозонного «бандитизма» в ДНК. Навешивание метильных меток на потенциально опасные генетические последовательности изолирует их от общества, обеспечивает стабильность и порядок, позволяя добропорядочным генам спокойно трудиться на благо клетки и организма.
Старость — не радость, а эпигенетическая программа
Эпигеном — пластичная система, функционирующая в соответствии с программой развития и реагирующая на воздействие внешних факторов. Считается, что существует эпигенетически обусловленный каскад изменений, охватывающих процессы старения и реакции на стрессовые факторы [26–28]. Поэтому одним из важных направлений современных исследований является выяснение роли метилирования цитозина в регуляции экспрессии генов в механизмах стрессового ответа и возрастной деградации. Понимание аспектов эпигенетического контроля старения поможет прояснить, что служит отправной точкой этого процесса.
При старении наблюдается уменьшение числа генов, «работающих» в молодости, и активация генов, которые «спали», пока организм был полон бодрости и здоровья, но «проснулись» на этапе его одряхления. Потеря функциональной активности генов, нарушение проницаемости мембран, увеличение количества неактивного хроматина, возрастание частоты хромосомных аберраций, изменение паттернов (шаблонов) метилирования тотальной ДНК и отдельных генов — всё это составляет многокомпонентный детерминированный процесс старения. И хотя пока не найдены группы генов, запускающие каскад молекулярных событий в стареющей клетке, осуществление программы старения в последнее время часто связывают с эпигенетическими механизмами (рис. 3).
По некоторым предположениям, метилирование ДНК запрограммировано и играет ключевую роль в реализации процесса возрастной гибели клеток. Концепция запрограммированной гибели клеток в ходе старения объясняется активацией эпигенетических механизмов на фоне снижения эффективности репарационных (ремонтных) систем. Согласно одной из гипотез, апоптоз (программируемая клеточная гибель) связан с активацией определенных «генов старения», которые запускают деградационные процессы в клетке. Это происходит путем снижения уровня метилирования ДНК, что наблюдается в процессе старения дифференцированных клеток и сопровождается дерепрессией хроматина. В итоге активируются дремлющие транспозоны, склонные ввергать клетку в состояние генетического хаоса. Возрастная потеря метильных меток ускоряет клеточную гибель, в ткани меняется цитокиновый фон, что может подталкивать к гибели соседние клетки. Таким образом, старение чем-то сродни медленным инфекциям. И даже иногда к ним приравнивается: некоторые биологи допускают возможность миграции «освобожденных» транспозонов в другие клетки [1], [29–32].
Рисунок 3. Эпигенетика отсчитывает часы жизни. Подробно о «часах жизни» и их разновидностях рассказано в статьях [16], [33], [34].
Возрастное снижение метилирования было доказано на примере горбуши в середине ХХ столетия [35]. Позже это подтвердилось и в отношении других организмов. Также было установлено, что искусственное деметилирование ведет к преждевременному старению животных. Идея о том, что старение и уменьшение метилирования взаимосвязаны, стала новым словом в эпигенетике. Кроме того, снижение метилирования в ходе старения ведет к конформационным изменениям хроматина, что повышает доступность ДНК для нуклеаз (ферментов-разрушителей) и нарушает целостность макромолекул стареющей клетки. При ослаблении метилирования ДНК становится более чувствительной к действию вредных факторов, эндогенных ферментов, транспозонов [26], [36]. Стабильность генома у организмов с более «молчаливыми» транспозонами выше, что делает их устойчивыми к повреждающим факторам среды и обеспечивает им бόльшую продолжительность жизни в сравнении с организмами, чей уровень репрессии мобильных генетических элементов низок. Полагают, что восстановление в стареющей клетке эпигенетических маркеров, свойственных молодой клетке, может привести к необходимой репрессии транспозонов, стабилизации генома и замедлению темпов старения [37], [38].
С возрастом снижается экспрессия генов поддержания клеточного равновесия, в результате чего начинается свойственная старению деградация тканей и органов. Происходит увеличение числа разрывов в ДНК и сшивок ДНК с белком, снижаются активности ферментов поддержания структуры хромосом и количество 5-метилцитозина, накапливаются структурные дефекты. Процесс старения сопровождается транскрипцией определенных генов и синтезом ряда белков. Этот каскад сурово скоординированных событий подчинен некой программе. Переход к каждой новой стадии онтогенеза (индивидуального развития) характеризуется изменениями эпигенетического статуса, который обеспечивает активацию или репрессию специфического набора генов. С помощью воздействия на эпигеном можно некоторым образом корректировать генетическую программу развития живых организмов [36], [39–41].
Все перечисленные процессы действуют в направлении ухудшения состояния и функционирования генетического аппарата. А реализуются они под действием внешних и внутренних факторов. Старение — это результат изменения надгеномных процессов, которые на определенном этапе онтогенеза запускают деструктивные механизмы по двум направлениям. С одной стороны, происходит индукция генетической программы деградации структур и функций, которая репрессирует гены поддержки клеточного гомеостаза и активирует гены, отвечающие за реакции распада. С другой стороны, запускается механизм ослабления деятельности защитных систем, что делает клетку восприимчивой к повреждающему действию стрессовых факторов. Несмотря на эффективную репарационную машину, в структуре ДНК с возрастом накапливаются разрывы и другие дефекты, всё меньше и меньше индуцируются защитные белки теплового шока, в делящихся клетках сильно сокращается длина теломер (защитных концевых участков хромосом). Всё это — элементы единого многосложного процесса надгеномной регуляции процессов старения. Согласно некоторым гипотезам, множественность механизмов старения эукариот может быть обусловлена тем, что природа страхуется от появления долгоживущих видов и особей [42], [43].
Всей этой котовасии со старением и даже нестарением «Биомолекула» посвятила целый уникальный спецпроект. Из материалов которого, в общем-то, не следует, что старение — это злой умысел Природы. Например, можно обратиться к статьям: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить» [44], «Нутригеномика: питание vs. заболевания» [45], «Сон и старение I: „Часы в мозге“ и влияние генов на ритм жизни» [46] — и далее проследовать по ссылкам на другие, не менее интересные странички проекта. — Ред.
Метки смерти на генах. Метилирование и онкогенез
Недостаточное метилирование (гипометилирование) генома было одним из первых выявленных эпигенетических маркеров онкозаболеваний. Гипометилирование ведет к активации генов, которые в норме должны молчать. В случае опухолей это индивидуальные онкогены, пребывающие в здоровой клетке в метилированном (неактивном) состоянии. Понижение тотального уровня метилирования генома выражается в снятии естественных репрессивных меток с онкогенов, что вызывает каскад разрушительных событий. Попутно гипометилирование больших участков генома активирует транспозоны, за счет чего увеличивается хромосомная нестабильность и растет число аномалий. Эти два процесса ставят клетку на путь онкологической трансформации. Во многих лабораториях именно тотальное гипометилирование ДНК диагностируется как основной признак раковых клеток [15], [47], [48].
Вместе с тем, онкогенез сопровождается и гиперметилированием (избыточным метилированием) CpG-островков в области промоторов генов (рис. 4). В норме 90% CpG-островков не метилированы, то есть транскрипционно активны. Метилирование в этих участках чревато фатальными последствиями, поскольку вызывает «выключение» генов — супрессоров (подавителей) опухолей. Гены-онкосупрессоры, противостоящие онкологическому процессу, перестают работать, что дает зеленую улицу раковой трансформации, вызывает бесконтрольное деление клеток опухоли. Одним из лабораторных маркеров диагностики рака на ранних стадиях выступает повышенное метилирование CpG-островков генов — супрессоров опухолей [49], [50].
Рисунок 4. CpG-островок промоторной области гена. а — Транскрипционно активный (неметилированный) островок. б — Сайленсированный (метилированный) островок.
Как видим, рак не обходится без эпигенетических событий. Как недостаток метилирования, так и его избыток в равной мере способствуют раковому перерождению здоровой клетки. Нарушенное метилирование ведет к аномалиям развития и опухолеобразованию. Как тут не вспомнить о том, что всё хорошо в меру. Онкогенез — это многофакторный и многоэтапный процесс, включающий в себя как активацию онкогенов, так и молчание генов-онкосупрессоров. Каждое из этих нарушений эпигенома для опухолевой прогрессии имеет не меньшее значение, чем генетические нарушения, то есть служит эпигенетическим эквивалентом генетической мутации [50]. Изменение нормальных паттернов (шаблонов) метилирования ДНК неизбежно ведет к отрицательным последствиям. А сохранение здорового статуса метилирования генома является основным условием нормального развития организма.
Выходит, что рак — это не только генетически обусловленное заболевание, как считалось раньше, а заболевание, в основе которого лежит ряд еще во многом не изученных эпигенетических изменений. При этом нельзя считать, что неправильное метилирование — всего лишь маркер онкозаболевания; зачастую оно выступает причиной последнего. Так, например:
Здесь стоит отметить, что активация гена, наступающая вследствие деметилирования определенных сайтов, может происходить только в том случае, если в клетке присутствует специфический транскрипционный фактор. Этим объясняется ограниченное количество генов, активированных в опухолях посредством гипометилирования [50].
Однако нельзя забывать, что недостаток метилирования ДНК так же опасен, как и его избыток, и так же служит причиной ряда онкопатологий. К примеру, при хроническом лимфолейкозе наблюдается тотальное деметилирование ДНК в раковых клетках на фоне высокой ДНК-метилтрансферазной активности. Тотальное снятие метильных меток оказывает значительное дестабилизирующее действие на геном эукариот, меняет структуру хроматина, степень его конденсации, время репликации, что может вызывать нарушения экспрессии различных генов [15], [54].
Вместе с тем не менее опасна и спонтанная потеря сайтов метилирования. Спонтанное дезаминирование (потеря аминогрупп) 5-метилцитозина приводит к возникновению остатка тимина и образованию неканонической пары оснований Г:Т, которая становится мишенью для системы репарации. Репаративные ферменты удаляют тимин из этой пары и восстанавливают исходную последовательность Г:Ц, однако иногда возникают мутации, выражающиеся в замене пары Г:Ц на А:Т. Именно нестабильность 5-метилцитозина и спонтанные замены Г:Ц на А:Т привели в ходе эволюции к низкому уровню CpG-динуклеотидов в геноме млекопитающих. Таким образом, спонтанный мутагенез, происходящий в животной клетке при отсутствии экзогенных и эндогенных агентов, нарушает структуру многих генов, в том числе и онкосупрессоров. Этот механизм играет не последнюю роль в процессах онкологической трансформации [55].
Помимо аберрантного метилирования промоторов генов-онкосупрессоров, в опухолевых клетках обнаруживается и нестабильность микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК), при которой микросателлитные маркеры представлены одновременно многими разными аллелями, дополнительными к двум родительским [52], [56]. Сателлитные ДНК в геноме человека в норме высоко метилированы. В процессе опухолеобразования наблюдается микросателлитная нестабильность, резкое гипер- или гипометилирование (в зависимости от вида опухоли). В качестве примера здесь можно упомянуть ген MLH1, продукт которого участвует в репарации ошибок спаривания нуклеотидов. Гиперметилирование промотора этого гена и микросателлитная нестабильность ассоциированы с опухолями желудочно-кишечного тракта и некоторых других органов [52].Изменчивость микросателлитных последовательностей по-разному проявляется на разных стадиях развития и зависит от состояния дифференцировки и типа ткани [57].
Однако не все гены задействованы в эпигенетических событиях канцерогенеза. Ген белка р53 не содержит в своей промоторной области CpG-островков и не поддается метилированию. Нарушение функций р53 наблюдаются во многих случаях рака, но инактивация его гена обусловлена не эпигенетическими, а генетическими механизмами. В кодирующей части гена присутствуют одиночные метилированные CpG-динуклеотиды, которые в силу спонтанного дезаминирования 5-метилцитозина мутируют с заменой комплементарных пар [50], [52].
Кстати, подобные таблетки фармкомпании уже производят, да и природа не отстает: вещества — модификаторы эпигенома обнаружены в растительных продуктах, особо почитаемых приверженцами здорового питания: «Пилюли для эпигенома» [59]. Только вот к природным «технологиям» есть небольшая (для всех, кроме фармацевтов, Эркюля Пуаро и детектива Монка) претензия: беспорядочно там всё как-то. — Ред.
Перспективы изучения эпигенома
Общая черта, присущая как метилированию, так и мутациям — это наследуемость, хотя в отличие от большинства мутаций метилирование — процесс обратимый. Контроль модификации ДНК интересен прежде всего для биотехнологической отрасли. Воздействуя на эпигеном, можно не только вылечить ряд заболеваний, но и добиться промышленной выгоды. К примеру, направленная регуляция экспрессии генов у растений способна увеличить их продуктивность. Замечено, что в результате обработки 5-азацитидином наблюдается увеличение белка в зерновках пшеницы за счет активации генов запасных белков. Причем индуцированные химическим агентом признаки сохраняются в течение трех поколений. Какие механизмы отвечают за возвращение к исходному паттерну метилирования, соответственно, и к исходному фенотипу — пока неизвестно [60], [61].
Как отмечалось выше, эпигеном — система пластичная, что позволяет в перспективе подобраться к рычагам управления эпигенетическими модификациями, минимизировать действие неблагоприятных факторов и обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Ключ к разгадке наследственных патологий, продлению жизни, управлению полезными свойствами живых организмов — всё это сулит эпигенетика. Уже сегодня можно без преувеличения сказать, что открытия в области эпигенетики в скором времени поднимут биологическую науку на качественно новый уровень развития, и это кардинальным образом изменит саму человеческую цивилизацию.