Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности

Начальная мРНК содержит в себе все экзоны и все интроны. Затем в процессе сплайсинга из нее удаляются интроны. Но во время сплайсинга некоторые экзоны также могут быть удалены. Одни экзоны будут сохранены в окончательной мРНК, тогда как другие будут потеряны. Различные белки, создаваемые в результате этого, могут обладать довольно схожими функциями или радикально отличаться друг от друга. Клетка может экспрессировать разные белки, руководствуясь тем, какие из них ей необходимы в данный момент, или реагируя на получаемые ею различные сигналы. Если мы определяем ген как нечто, кодирующее белок, то этот механизм означает, что всего 20000 или около того генов способны кодировать гораздо большее количество белков, чем 20000. Когда мы рассуждаем о геноме, то обычно используем какую-то уж слишком двухмерную терминологию, как будто речь идет о железнодорожных путях. Лаборатория Питера Фрейзера из Бабрахамского института в Кембридже опубликовала потрясающую работу, в которой утверждается, что истина не имеет ничего общего с этим заблуждением. Питер Фрейзер работает с генами, которые кодируют белки, требующиеся для вырабатывания гемоглобина, пигмента в красных кровяных тельцах, переносящего кислород по всему нашему организму. Для создания конечного пигмента необходимо определенное количество различных белков, а находятся они в разных хромосомах. Доктор Фрейзер обнаружил, что в клетках, производящих гемоглобин в больших количествах, эти хромосомные зоны размягчаются и вытягивают из себя крошечные отростки, от чего становятся похожими на растопыривших щупальца осьминогов. Эти мягкие зоны, собираясь на каком-нибудь маленьком участке клеточного ядра, начинают колебаться из стороны в сторону, пока не найдут себе подобных, после чего смешиваются друг с другом. Тем самым они существенно повышают шансы того, что все белки, требующиеся для создания функционального пигмента гемоглобина, будут экспрессированы одновременно[18].

В каждой клетке нашего организма содержится 6 000 000 000 пар оснований. Почти 120 000 000 из них кодируют белки. Сто двадцать миллионов — звучит внушительно, но на самом деле это всего лишь около 2 процентов их общего количества. Так что, хотя мы считаем белки самым важным продуктом, который синтезируют клетки, но примерно 98 процентов нашего генома не участвуют в кодировании белков.

До недавнего времени причина, по которой мы обладаем такой огромной ДНК, и при этом настолько ничтожная ее часть отвечает за вырабатывание белков, оставалась тайной за семью печатями.

В последние десять лет мы наконец начали потихоньку разбираться, в чем тут дело, и в очередной раз это явление оказалось связано с регулированием экспрессии генов эпигенетическими механизмами. Настало время перейти к рассмотрению молекулярной биологии эпигенетики.

Глава 4. Жизнь, какой мы знаем ее теперь

Занимаясь наукой, важно уметь не столько добывать новые факты, сколько изобретать новые способы осмысления их.

Сэр Уильям Брэгг

До сих пор наше повествование было сосредоточено, главным образом, на результатах, на явлениях, которые мы можем наблюдать и на основании этого делать выводы, что они происходят по эпигенетическим причинам. Но любой биологический феномен имеет под собой физическую базу, и именно ее мы обсудим в этой главе. Все эпигенетические явления, о которых мы говорили выше, являются результатами вариативности в экспрессии генов. Клетки сетчатки, например, экспрессируют совсем иной набор генов, чем, скажем, клетки мочевого пузыря. Но каким же образом различные типы клеток активируют или репрессируют разные группы генов?

Специализированные типы клеток в сетчатке и мочевом пузыре располагаются на самом дне двух разных впадин на эпигенетическом ландшафте Уоддингтона. Работы Джона Гердона и Шиньи Яманаки убедительно показали нам, что, какие бы механизмы ни использовали клетки для того, чтобы всегда оставаться в этих ложбинах, они не имеют никакого отношения к изменению исходного чертежа ДНК клетки. Он всегда остается постоянным и не подвергается корректировкам. Следовательно, активация и репрессия определенных наборов генов должно осуществляться с помощью какого-то другого механизма, причем такого, который мог бы оставаться в рабочем состоянии очень долгое время. Этот тезис не подвергается сомнению, поскольку нам известно, что некоторые клетки, такие, например, как нейроны головного мозга, относятся к настоящим долгожителям. Возраст нейронов мозга 85-летнего человека, к примеру, составляет около 85 лет. Они формируются в самом раннем детстве и остаются неизменными на протяжении всей жизни человека.