Почему мы умираем: Передовая наука о старении и поиск бессмертия - Венки Рамакришнан

генетические программы? И почему клетка одного типа не может вдруг превратиться в клетку другого типа? Даже гемопоэтические стволовые клетки, которые дают начало различным клеткам крови, не дифференцируются в нейроны или клетки кожи.

В каждой клетке есть гены, которые экспрессируются всегда, поскольку любой клетке они необходимы. Их называют генами домашнего хозяйства. Что касается других генов, то какие из них включать, а какие оставлять неактивными, в значительной степени зависит от потребностей клетки. Как клетка управляет этим процессом? Вы только что прочитали о транскрипционных факторах – белках, которые отвечают за то, какие гены активно экспрессируются, а какие подавляются. Один из первых и простейших[145] примеров транскрипционного фактора был обнаружен при исследовании того, как бактерия E. coli расщепляет простой сахар лактозу. В природе E. coli с лактозой не сталкивается, поэтому обычно не вырабатывает нужных для ее усвоения ферментов. Так что бактерия действует по обстоятельствам: распознав лактозу, она включает гены, отвечающие за выработку соответствующих ферментов. Когда лактоза заканчивается, клетка эти гены выключает. Это простое и изящное решение: включать и отключать гены в ответ на изменения внешней среды. Значительная часть генной регуляции работает именно так, регулируя транскрипцию в зависимости от внешних стимулов. Механизм контроля обычно не столь прост, как в случае с лактозой, и, как правило, предполагает наличие сложной сети, в которой активируемые гены, в свою очередь, активируют или отключают другие гены, которые также влияют на целые группы генов.

В случае с бактерией E. coli можно изменить реакцию на лактозу, просто убрав лактозу из культуры. Но, если поместить клетку кожи, например, в печень, она не станет вдруг вести себя как клетка печени. Транскрипционные факторы у клеток кожи и печени различаются; к тому же у клеток имеется механизм, который обеспечивает закрепление изменений генной программы надолго, и он предполагает переподключения программы самой ДНК.

До сих пор мы представляли ДНК как простой текст, в котором с помощью четырех символов записана вся информация, необходимая для производства белков, выполняющих различные жизненно важные функции. Но еще до того как стала известна структура ДНК, ученые понимали, что небольшая часть ее четырех оснований A, T, C и G (или U, эквивалентное T в РНК) имеет дополнительные химические группы. Однако первое время никто не понимал, для чего служат такие модификации оснований.

В настоящее время нам известно, что многие из этих дополнительных химических групп – это своего рода метки, которые сигнализируют, должен ли ген быть включен или выключен на продолжительный срок. Самый обычный случай – это метилирование, то есть добавление метильной группы (–CH3) к цитозину (C). Если цитозины в нужном месте метилированы, то находящийся непосредственно за ними ген останется отключенным.

В процессе развития клетка метилирует свою ДНК перед теми генами, которые необходимо отключить, и оставляет неметилированными те участки, где гены должны активно работать. Поэтому клетки, которые дифференцируются в клетки кожи, имеют иную картину распределения метилированных цитозинов, чем, например, нейроны.

Можно было бы предположить, что при делении клеток[146] и копировании ДНК общая картина метилирования утрачивается, поскольку копия ДНК создается из новых строительных блоков, но у клетки есть оригинальный способ восстановления паттерна метилирования материнской клетки. Это означает, что при делении паттерн метилирования с большой точностью передается дочерней клетке и гены, отключенные у определенной клеточной линии, так и останутся отключенными. Наблюдается и обратный процесс: существуют деметилазы, которые удаляют метильные группы, тем самым позволяя отключенным генам включаться вновь. Модификация ДНК описанным способом обеспечивает дополнительный (помимо использования факторов транскрипции) уровень контроля за тем, какие гены будут включаться, а какие отключаться. Более того, этот механизм гарантирует передачу изменений следующему поколению клеток. Метилирование ДНК меняет очередность использования генов. Такие молекулярные метки называются эпигенетическими маркерами, или модификациями, потому что они позволяют с молекулярной точки зрения объяснить феномен «эпигенетического ландшафта», впервые описанного Конрадом Уоддингтоном.

Эпигенетические маркеры не только сохраняются и даже накапливаются с возрастом – они могут даже передаваться по наследству. В конце Второй мировой войны, с сентября 1944 по май 1945 г., в Нидерландах случился жестокий голод, унесший жизни более 20 000 человек. Последующие научные исследования показали, что, несмотря на небольшую продолжительность голода, дети, чье внутриутробное развитие пришлось на те месяцы, всю жизнь страдали от неблагоприятных для физического и психического здоровья последствий. У них наблюдались более высокие показатели ожирения, диабета и шизофрении, а смертность была выше, чем у детей, выношенных раньше или позже голодных месяцев. Эти последствия сказывались в разной степени, в зависимости от того, пришелся ли голод на начало или конец беременности. Сравнение ДНК людей, переживших голод в материнской утробе, с ДНК их младших и старших братьев и сестер показало, что в результате недостатка питания у плода сформировался такой паттерн метилирования, который сохранял влияние до конца жизни человека и ускорял развитие возрастных болезней и наступление смерти. Это яркий пример[147] того, как давление среды вызывает эпигенетические изменения в ДНК, которые остаются на всю жизнь.

ЕСЛИ ЭТО ДЛЯ ВАС КАЖЕТСЯ НЕ СЛИШКОМ СЛОЖНЫМ, не спешите с выводами: ДНК присутствует в клетках не в виде голой молекулы. Она покрыта плотной оболочкой из белков, называемых гистонами, и этот комплекс ДНК и гистонов называется хроматин. Изучение гистонов помогает нам понять, каким образом вся наша ДНК помещается в микроскопическом клеточном ядре. Если вытянуть в одну линию все молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится нить длинной примерно 2 м. Между тем диаметр ядра измеряется микронами – то есть он примерно в миллион раз меньше. Гистоны несут положительный заряд и нейтрализуют отрицательные заряды фосфатных групп ДНК. За счет этого ДНК получает возможность плотно упаковываться внутри ядра.

Первый уровень компактизации ДНК – нуклеосомный: ДНК наматывается на шарообразную основу, состоящую из 8 молекул белков-гистонов, образуя так называемую нуклеосому. Далее нуклеосомы самоорганизуются в волокна, из которых сплетаются в петлеобразные структуры, полностью умещающиеся в ядре. В процессе деления хромосомы дублируются и каждая дочерняя клетка получает точные копии всех хромосом, и как вы, готовясь к переезду, заталкиваете все домашние вещи в грузовик, так и хромосома становится наиболее компактной перед делением. Именно в этот момент она приобретает Х-образную форму, которую мы видим на большинстве популярных изображений хромосом. Однако на протяжении большей части жизни клетки хроматин в ней находится в более рыхлом состоянии.

Проблема, связанная с упаковкой хроматина, состоит в том, что у клетки в любой момент должен быть доступ к информации в ДНК. Это все равно что иметь огромную библиотеку в доме, где не хватает места расставить все книги так, чтобы их было легко достать в любой момент. Можно упаковать основную часть в коробки и унести на чердак, а книги, которые читаешь или планируешь прочитать в ближайшее время, расставить удобно на полках или сложить стопками на тумбочке. Клетке тоже приходится следить за тем, чтобы соответствующие участки хроматина оставались доступными, даже если бо́льшую его часть она хочет отключить. И для этого она помечает гистоны, добавляя к ним определенные химические группы. Как и в случае с метилированием ДНК, существуют как ферменты, которые расставляют эти гистоновые метки, так и ферменты, которые их удаляют. Метки на гистонах могут сообщать клетке, что нужно привлечь на этот участок другие белки, чтобы либо инактивировать хроматин, либо распаковать его, а значит, они тоже работают как эпигенетические маркеры. Одной из обычных меток для гистонов служит ацетильная группа, и ферменты, которые ее расставляют, называются гистонацетилазами.

Как правило, метилирование ДНК и ацетилирование гистонов вызывают противоположные эффекты. При метилировании ген, следующий за метилированным участком, обычно блокируется, а ацетилирование гистона, наоборот, сигнализирует о том, что отмеченный ген надо активно транскрибировать. И тот и другой эффект можно обратить вспять, задействовав ферменты деметилазы или деацетилазы.

Цель обеих модификаций состоит в том, чтобы создать поверх самой последовательности ДНК второй и более долговременный механизм изменения программы той или иной клетки. Это позволяет