Епігенетика: нескінченна історія (у трьох томах), том 2.1

Власне епігенетика

Previously на my.science.ua ми встановили, як з’явився термін “епігенетика”. Зараз ми спробуємо встановити “з чим його їдять”, та дізнатись, що ж то воно таке є?

Нагадаю

Клітини містять інформацію, яка дозволяє їм виконувати всі функції, рости і розмножуватись. Ця інформація закодована в ДНК.

Але просто мати інформацію недостатньо для життєдіяльності клітини, навіть недостатньо реалізувати цю інформацію в білки та некодуючі РНК — треба таку реалізацію робити дуже точно та специфічно.

Пояснюю. Генетична інформація, послідовність ДНК, в кожній клітині одного організму однакова (не без винятків, звичайно — див. * внизу сторінки). А от клітини зовсім різні — це і нейрони з аксонами і дендритами нервової системи, і міцні остеоцити, що формують кістку, і палочки та колбочки сітківки ока, що реагують на світло — у всіх них, і багатьох-багатьох інших зовсім різні форми, функції, час життя (цей процес формування різних клітин називається диференціацією клітин)

Але що ж робить їх такими різними, коли інформація, записана в їхній ДНК однакова? А те, що в них по-різному, точно і специфічно для кожного типу клітин реалізується генетична інформація.

Буду знову приводити IT аналогії. Уявіть ряд однакових комп’ютерів, на які встановлена одна і та сама Windows OS (прошу пробачення у Linux та Mac юзерів). Одразу в операційній системі є багато-багато драйверів для різних пристроїв, що можуть бути під’єднані до ПК. Але до одного ПК під’єднають “флешку” і там реалізується відповідний драйвер, а до іншого — плеєр, і там реалізується інший, свій, драйвер. От вже два, попередньо ідентичні, ПК стають різними.

Але, як вже було вказано, організм набагато складніший за комп’ютер. Перш за все, організм бере початок з однієї клітини — зиготи, яка під час ембріогенезу ділиться і дочірні клітини поступово все більш відрізняються один від одної і дають початок новим, ще більш специфічним клітинам, які виконують чіткі функції. Як таке можливо? Тут, нарешті, вступає в роль епігенетика.

Нуклеосома

Згадаємо трохи клітинне ядро — двомембранна структура всередині клітини, яка містить основну кількість клітинної ДНК. В ядрі відбувається синтез РНК (перший етап синтезу білків, які вже виконують різні функції в клітині).

 
Але, можливо, ви пам’ятаєте цікавий факт: одна молекула ДНК дуже довга (хромосоми мають різні розміри, але в середньому розмір іде у порядку сантиметрів/метрів) тоді, як середній радіус клітини — декілька десятків мікрометрів. Отже, треба розмістити щось, що вимірюється у 10^0 м в чомусь, що вимірюється у довжину в 10^-6 м: різниця в довжину у п’ять порядків. І це треба зробити крім того, що дуже компактно, ще і так, аби вся інформація не лежала мертвою вагою, а до неї можна було б дістатись і зчитати з неї РНК. Уявіть собі, що ви б хотіли зв’язати светр, але в вас все-все приладдя — багато різних ниток — запаковані в маленьку коробочку і ви не можете їх з цієї коробочки виймати. Задача десь такого порядку, і більш того, клітина з нею успішно справляється і таки в’яже той светр.

Тому матінка природа і створила гістони — білки (H1, H1A, H2B, H3, H4), що формують кулеподібну структуру, на яку намотується молекула ДНК — нуклеосому.

Епігенетичні модифікації

Епігенетичні модифікації — це зміни в експресії генів, які можуть успадковуватися, і не ґрунтуються на зміні в послідовності пар основ ДНК.

Хроматин в ядрі — ДНК, накручена на гістони, — може перебувати в різних станах: в неконденсованому, розкрученому і здатному до зчитування еухроматині, та цільному, закрученому і нездатному до зчитування гетерохроматині. У кожній клітині нашого організму, що не ділиться (тобто, перебуває в інтерфазі або в стадії кінцевої диференціації G0), відбувається зчитування різних генів і є як еу- так і гетерохроматин. Так от, в різних клітинах — різне співвідношення еу-/гетерохроматину і різні частини геному можуть бути в тій чи іншій стадії. Саме тому клітини такі різні — бо в них зчитуються різні гени, формуються різні білки і регуляторні, некодуючі РНК.

Така структура хроматину, відповідна до однієї клітини, може передаватись у спадок дочірнім клітинам під час поділу. Це і є основний принцип епігенетики — ми маємо справу ї іншим рівнем кодування інформації, який перебуває ніби “зверху над генами” і не виступає в зміні послідовності ДНК, а в тому, яка частина тієї ДНК може бути доступною для зчитування, а яка — ні.

Про основні механізми епігенетичної регуляції – метилювання ДНК та модифікацію гістонів — та про деякі інші ми поговоремо іншим разом, у томі 2,2, адже я боюся що в цьому маленькому повідомленні вже багатсько інформації, і додай я трохи більше, то вона буде занадто тяжкою для легкого читання, яке я тут і намагалась вам надати.

*- не всі клітини людського організму містять однакову ДНК. Винятками є:

• без’ядерні еритроцити, які втрачають ядро (і не тільки) аби залишити місце для гемоглобіну.
• Гамети: чоловічі та жіночі статеві клітини, які втратили половину геному. Див детальніше тут і тут.
• V(D)J специфічна соматична рекомбінація на ранній стадії лімфоїдних тканин. Дуже цікаве явище, яке лежить в основі імунітету. Завдяки такій рекомбінації формується багато-багато форм імуноглобулінів і Т-рецепторів, які реагуватимуть на різні антигени. Подумайте, бактерій і вірусів — чужорідних і небезпечних об’єктів, що потрапляють всередину організму — безліч, і всі вони різні. Але цей процес дозволяє формувати багато-багато антитіл і давати можливість реагувати на велику кількість таких «непроханих гостей».

Рекомендую для базового читання:
Tollefsbol, Trygve (2010). Handbook of epigenetics : the new molecular and medical genetics. London: Academic. ISBN 978-0-12-375709-8. Тут є фрагмент книги в pdf + стаття про роль епігенетики в хворобах