Эпигенетика – направление генетики, сравнительно недавно оформившееся в самостоятельную область исследований. Но уже сегодня эта молодая динамичная наука предлагает революционный взгляд на молекулярные механизмы развития живых систем.
Одна из наиболее дерзких и вдохновляющих эпигенетических гипотез о том, что активность многих генов подвержена влиянию извне, сейчас находит подтверждение во множестве экспериментов на модельных животных. Исследователи осторожно комментируют их результаты, но не исключают, что и Homo sapiens не в полной мере зависит от наследственности, а значит может на нее целенаправленно воздействовать.
В перспективе, если ученые окажутся правы и им удастся подобрать ключи к механизмам управления генами, человеку станут подвластны физические процессы, происходящие в организме. В их числе вполне может оказаться и старение.
Эпигенетика («эпи» — в переводе с греческого «над») — это раздел современной биологии, предметом которого является изучение наследования в ряду клеточных поколений функциональной активности генов, не связанное с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК.
Почему это, генетическое, в общем, направление выделилось в отдельную науку?

В 1957 году он в качестве поясняющей метафоры сформулировал концепцию «эпигенетического ландшафта».
Эпигенетические траектории в некоторой степени связаны между собой.

возможен переход с одной траектории на другую, в связи с чем, на основании одной и той же генетической программы возможно формирование множества траекторий онтогенеза (поливариантность онтогенеза).
Траектории, получающие преимущество, Уоддингтон называл креодами.
«Хребты», разделяющие траектории — репеллерами (от англ. to repel – отталкивать). (комментарий с сайта: http://afonin-59-bio.narod.ru / генетика онтогенеза)

Таким образом, концепция Конрада Уоддингтона объясняет, как из одной клетки (зиготы)
образуется многоклеточный организм, состоящий из клеток, кардинально различающихся между собой по виду и функциональной нагрузке.
И это уже не только генетика…
Но не так давно в научном мире к эпигенетике относились настороженно. Почему отношение изменилось?
Еще со времен Уоддингтона предполагалось, что эпигенетические модификации играют важную роль в развитии, а у взрослого организма практически не происходят. Однако оказалось, что это не так. В последние годы появляется все больше доказательств, что эти процессы крайне чувствительны к сигналам окружающей среды, и эпигенетические модификации, индуцированные в ответ на те или иные внешние воздействия на «критических» стадиях раннего развития (у человека это внутриутробный период и несколько месяцев после рождения) могут закрепляться («импринтироваться») на всю жизнь и определять дальнейшую судьбу организма.
Отношение к эпигенетике было настороженным, потому что она в некоторых своих аспектах довольно «мистична». Например, на генетическом уровне все просто: по классической версии изменения (мутации) происходят случайным образом и только потом «полезные» отбираются отбором.
На физиологическом уровне все тоже довольно-таки понятно. Адаптация к окружающим условиям происходит за счет активной эксплуатации органов и систем, критичных для выживания в данных условиях (например, жизненная емкость легких критична в условиях высокогорья), благодаря чему они улучшают свою функциональную способность, увеличиваются в размерах и т.д.
Эпигенетические изменения имеют направленный характер и соответствуют характеру индуцировавшего их стимула. Другими словами, они направлены на адаптацию организма к изменениям условий его существования.

Таким образом, эпигенетические адаптивные изменения (увеличение длины шерсти) индуцируются еще до наступления холодов, адаптация к которым выгодна для организма. Как происходит эта «эпигенетическая адаптация», никому не понятно, но выглядит это довольно загадочно, так как предполагает наличие у клеток организма едва ли не «разумного начала», целенаправленно направляющего эпигенетические изменения в определенном, увеличивающем адаптацию, направлении. Однако «ценой» эпигенетической адаптации зачастую являются болезни, например, диабет или рак.
В последние годы появилась возможность молекулярного анализа эпигенетических модификаций.


Еще один пример. Исследования, проведенные в 2006 году сотрудниками Национального онкологического центра Испании под руководством д-ра Марио Фраги (Mario F. Fraga), показали, что эпигеном может изменяться под влиянием окружающих условий на протяжении всей жизни.
Эпигеном — это совокупность всех эпигенетических маркеров, обусловливающих экспрессию генов в данной клетке.
Так вот ученые пытались получить ответ на вопрос, почему генетически идентичные (однояйцевые) близнецы проявляют разную предрасположенность к болезням, в том числе и к тем, которые определяются генетическими факторами.
Оказалось, что, если в 3-летнем возрасте характеристики метилирования определенных хромосомных регионов у таких близнецов практически идентичны, то к 50-летнему возрасту между ними возникают очевидные различия. Причем исследователи заметили, что эти различия тем больше, чем большим является расстояние между местами обитания близнецов, то есть, чем больше отличаются условия их жизни.
Результаты этих и подобных им исследований и привели к тому, что поначалу крайне скептическое отношение к эпигенетике в последние годы стало резко меняться.
Есть еще один аспект, объясняющей настороженное отношение к эпигенетике многих ученых. Речь идет о так называемых трансгенерационных эффектах, то есть, о том, что в ряде случаев индуцированные эпигенетические изменения могут проявляться в фенотипе последующих поколений.
Такие эффекты обнаружены во многих работах. Результаты этих работ льют воду на мельницу ламаркизма, который, как казалось до последнего времени, навсегда отвергнут как лженаука, и говорят о том, что наследование приобретенных признаков в определенных ситуациях все же возможно.
Например?


На рис. Жан Ламарк.
В 1809-м году вышла книга Ламарка «Философия зоологии», в которой он высказал предположение, что живым организмам присущее стремление к «прогрессу» и способность меняться под действием среды, передавая эти изменения потомству.

Да и вообще, его опыты, хоть и стали классическими, достаточно абсурдны. Зачем было мучить бедных животных, если прекрасно известно, что практиковавшееся столетиями среди иудеев обрезание крайней плоти никак не повлияло на ее величину.
Сейчас исследования по эпигенетике проводят во многих лабораториях мира.
В харьковском Институте проблем эндокринной патологии Наталья Красова с сотрудниками подвергали беременных крыс социальному стрессу. Для этого их каждые три дня переносили в новые клетки. Не успеет несчастное животное, искусанное сородичами, пока найдет свою социальную нишу, прийти в себя, как его снова переселяют. Эксперименты, конечно, жестокие, но результаты того стоили. Оказалось, что потомки переживших стрессы самок намного больше предрасположены к диабету, чем самок из контрольной группы. И эта склонность сохранялась в нескольких последующих поколениях.
Подобных примеров можно привести много. Результаты подобных работ и привели к тому, что отношение к эпигенетике в последние годы изменилось.

( по выражению английского биолога (Питера Медавара)
(Peter B. Medawar)?

Если говорить научно-популярным языком о предмете исследований эпигенетики: в организме есть белки, активирующие ферменты (белковые группы), отвечающие за работу тех или иных генов. Влияние различных факторов извне, через метаболические реакции может оказывать положительное или отрицательное влияние на работу таких белков, корректируя их взаимодействие с ферментами. В следствие этого какие-то гены «включаются», а какие-то «выключаются».
Какие эпигенетические механизмы сегодня известны? В чем разница между эпигенетическими и генетическими механизмами наследования? И как клетки «запоминают» cложные регуляторные процессы, происходящие в ответ на эпигенетические сигналы?
Генетические механизмы наследования известны всем нам еще со школьной скамьи и связаны с передачей из поколения в поколение определенных последовательностей ДНК (генов).

На рис. метилирование ДНК — процесс, когда с одной из четырех «букв » генного алфавита — с цитозином — взаимодействует метильная группа, состоящая из атома углерода (С) и трех атомов водорода (Н). Этот маркер блокирует считывание информации, заставляя ген «молчать».
Исследования ученых подтверждают — нарушение метилирования ДНК — путь к раку, поэтому данные о характере метилирования генов используются для ранней диагностики онкологических заболеваний.

На рис. для сканирования наследственной информации, специфическим ферментам необходим доступ к соответствующему фрагменту ДНК. Он возможен лишь в случае неплотного контакта ДНК и гистонов. Ослабление связи между ними обеспечивается химической модификацией их концевых участков — «хвостов». Без нее ДНК остается плотно упакованной, и ген не активируется.

Американцам Эндрю Файру (Andrew Z. Fire) и Крэйгу Мэллоу (Craig C. Mello) “за открытие фундаментального явления РНК-интерференции — подавления экспрессии генов с помощью двуцепочечной РНК” в 2006 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Молекулы дцРНК могут представлять собой РНК-шпильку или две спаренные комплементарные друг другу цепи РНК.
Длинные молекулы дцРНК нарезаются (процессируются) в клетке на короткие ферментом Dicer: один из его доменов специфически связывает конец молекулы дцРНК (отмечен звездочкой), при этом другой — производит разрывы (отмечены белыми стрелками) в обеих цепях дцРНК.
В результате образуется двунитевая РНК длиной 20-25 нуклеотидов (siРНК), а Dicer переходит к следующему циклу разрезания дцРНК, связываясь с ее новообразованным концом.
Эти siРНК могут включаться в состав комплекса, содержащего белок Argonaute (AGO). Одна из цепей siРНК в комплексе с белком AGO находит в клетке комплементарные ей молекулы матричной РНК (мРНК). AGO разрезает молекулы мРНК-мишени, в результате чего мРНК деградирует, или останавливает трансляцию мРНК на рибосоме. Короткие РНК могут также подавлять транскрипцию (синтез РНК) гомологичного им по нуклеотидной последовательности гена в ядре.
( рисунок, схема и комментарий / журнал «Природа» №1, 2007 г.)
Возможны и другие, пока не известные, механизмы.
Разница между эпигенетическими и генетическими механизмами наследования в их стабильности, воспроизводимости эффектов. Генетически обусловленные признаки могут воспроизводиться неограниченно долго, пока в соответствующем гене не возникает определенное изменение (мутация).
Индуцированные определенными стимулами эпигенетические изменения обычно воспроизводятся в ряду клеточных поколений в пределах жизни одного организма. Когда они передаются в следующие генерации, то могут воспроизводиться не более 3-4 поколений, а потом, если индуцировавший их стимул исчезает, постепенно сходят на нет.
Совершенно верно. Эпигенетические маркеры действительно находятся не В нуклеотидах а НА них (метилирование) либо ВНЕ их (ацетилирование гистонов хроматина, микроРНК).
То, что происходит при передаче этих маркеров в следующие поколения, лучше всего объяснить, используя в качестве аналогии новогоднюю елку. Переходящие из поколения в поколение «игрушки» (эпигенетические маркеры) полностью снимаются с нее в процессе формирования бластоциста (8-клеточного зародыша), а потом, в процессе имплантации «надеваются» на те же места, где находились раньше. Это было известно уже давно. А вот то, что стало известно недавно, и что полностью перевернуло наши представления в биологии, имеет отношение к эпигенетическим модификациям, приобретенным на протяжении жизни данного организма.
Например, если у организма под влиянием определенного воздействия (теплового шока, голодания и т.д.), происходит устойчивая индукция эпигенетических изменений («покупка новой игрушки»). Как предполагалось раньше, подобные эпигенетические маркеры бесследно стираются при оплодотворении и образовании зародыша и, таким образом, не передаются потомкам. Оказалось, что это не так. В большом количестве работ последних лет эпигенетические изменения, индуцированные средовыми стрессами у представителей одного поколения, обнаруживались у представителей 3-4 последующих поколений. Это свидетельствует о возможности наследования приобретенных признаков, что до последнего времени считалось абсолютно невозможным.
Это все факторы, действующие на протяжении чувствительных (сенситивных) этапов развития. У человека это весь период внутриутробного развития и первые три месяца после рождения. К важнейшим можно отнести питание, вирусные инфекции, курение матери во время беременности, недостаточная наработка витамина D (при инсоляции), материнский стресс.
То есть, они увеличивают адаптацию организма к изменяющимся условиям. А какие «мессенджеры» существуют между факторами окружающей среды и эпигенетическими процессами – пока никому не известно.
Но, кроме того, есть данные, говорящие о том, что наиболее «сенситивный» период, во время которого возможны основные эпигенетические модификации – периконцептуальный (первые два месяца после зачатия). Возможно, действенными могут оказаться попытки направленного вмешательства в эпигенетические процессы даже до зачатия, то есть на половые клетки еще до образования зиготы. Однако эпигеном остается достаточно пластичным и после окончания этапа эмбрионального развития, некоторые исследователи пытаются его корректировать и у взрослых людей.

А какие вопросы в эпигенетике сейчас являются ключевыми? Как их решение может продвинуть изучение механизмов (процесса) старения?
Я считаю, что процесс старения по своей сути является эпигенетическим («старение как этап онтогенеза»). Исследования в этой области начались только в последние годы, но, если они увенчаются успехом, возможно, человечество получит новое мощное средство для борьбы с болезнями и продления жизни.
Ключевыми сейчас являются вопросы эпигенетической природы заболеваний (например, рака) и разработка новых подходов к их предупреждению и лечению.
Если удастся изучить молекулярные эпигенетические механизмы возрастных заболеваний, можно будет успешно противодействовать их развитию.

При полной генетической идентичности они различаются только тем, что будущую пчеломатку во время развития кормят маточным молочком на несколько дней больше, чем обычную рабочую пчелу.
В результате у представителей этих пчелиных каст формируются несколько отличные эпигенотипы. И, несмотря на внешнее и биохимическое подобие, длительность их жизни различается в 50 раз!
В процессе исследований в 60-е годы было показано, что метилирование ДНК уменьшается с возрастом. Но удалось ли ученым продвинуться в ответе на вопрос: почему это происходит?
Метилирование ДНК действительно уменьшается с возрастом, почему это происходит – пока не известно. Одна из версий – что это следствие адаптации, попытка организма приспособиться как к внешним стрессам, так и ко внутреннему «сверхстрессу» — старению.

Чтобы произвести изменения на генном уровне, нужно выявить и заменить мутировавшую «букву» ДНК, может быть участок генов. Пока наиболее перспективный путь для осуществления таких операций — биотехнологический. Но до сих пор это экспериментальное направление и особых прорывов в нем пока нет. Метилирование более пластичный процесс, его проще изменять — в том числе, с помощью фармакологических препаратов. Возможно ли научиться избирательно контролировать метилирование ДНК? Что еще для этого еще предстоит сделать?
Но избирательно влиять на экспрессию генов можно, и для этого прекрасно подходят интерферирующие РНК, которые действуют высокоспецифично, только на «собственные» гены. Такие работы уже проводятся.
Например, недавно американские исследователи пересаживали мышам, у которых была подавлена функция иммунной системы, опухолевые человеческие клетки, которые могли свободно размножаться и метастазировать в иммунодефицитных мышиных организмах. Ученым удалось определить экспрессированные гены в метастазирующих клетках и, синтезировав соответствующую интерферирующую РНК и введя ее мышам, заблокировать синтез «раковой» информационной РНК и, соответсвенно, подавить опухолевый рост и метастазирование.
Сигналы могут быть самыми разными. При развитии и стрессе – это сигналы прежде всего гормональной природы, но есть данные, что к экспрессии генов белков теплового шока (HSP70) в культуре клеток может приводить даже влияние низкочастотного электромагнитного поля определенной частоты, интенсивность которого в миллион (!) раз меньше естественного электромагнитного поля. В данном случае это поле, конечно же, действует не «энергетически», а является неким сигнальным «триггером», «запускающим» экспрессию гена. Тут многое еще загадочно.
Например, недавно открытый bystander effect («эффект свидетеля»).
Вкратце его суть такова. Когда мы облучаем культуру клеток, у них возникают реакции широкого спектра, от хромосомных аберраций до радиоадаптивных реакций (способности выдерживать большие дозы облучения). Но если мы удалим все облученные клетки и в оставшуюся питательную среду перенесем другие, необлученные, у них проявятся те же реакции, хотя их никто не облучал.
Предполагается, что облученные клетки выделяют в среду некие эпигенетические «сигнальные» факторы, которые и вызывают в необлученных клетках аналогичные изменения. Какова природа этих факторов – пока никто не знает.
Если будет разработана надежная методика «эпигенетического перепрограммирования» соматических клеток в стволовые, это, безусловно, окажется революцией в биологии и медицине. Пока в этом направлении сделаны только первые шаги, но они обнадеживают.
На рис. развитие диабета (рис. увеличивается при нажатии курсором). При таких аутоиммунных заболеваниях, как диабет 1-го типа, иммунная система человека атакует его собственные органы и ткани.
Некоторые из аутоантител начинают вырабатываться в организме задолго до появления первых симптомов болезни. Их выявление может помочь в оценке риска развития заболевания.
( рисунок из журнала «В МИРЕ НАУКИ», июль 2007 № 7)
А неполноценное (ограниченное по количеству калорий) питание в период внутриутробного развития – прямой путь к ожирению во взрослом возрасте и диабету II типа.
Это означает, что человек все-таки несет ответственность не только за себя, но и за своих потомков: детей, внуков, правнуков?
Да, конечно, причем в значительно большей степени, чем это было принято считать раньше.
При геномном импринтинге один и тот же ген фенотипически проявляется по-разному в зависимости от того, от отца или матери он попадает к потомку. То есть, если ген наследуется от матери, то он уже метилирован и не экспрессируется, тогда как ген, наследуемый от отца не метилирован, и экспрессируется.
Наиболее активно изучается геномный импринтинг при развитии различных наследственных заболеваний, которые передаются только от предков определенного пола. Например, ювенильная форма болезни Гентингтона проявляется только при наследовании мутантного аллеля от отца, а атрофическая миотония — от матери.
И это при том, что сами гены, вызывающие эти заболевания, абсолютно одинаковы независимо от того, наследуются ли они от отца или матери. Различия заключаются в «эпигенетической предыстории», обусловленной их пребыванием в материнском или, наоборот, отцовском, организмах. Другими словами, они несут «эпигенетический отпечаток» пола родителя. При нахождении в организме предка определенного пола они метилируются (функционально репрессируются), а другого – деметилируются (соответственно, экспрессируются), и в таком же состоянии наследуются потомками, приводя (или не приводя) к возникновению определенных заболеваний.
Было ли обследование жителей штата Керала (Индия), в котором фоновое излучение в два, или даже больше раз превышает норму, официальным? Опубликованы ли материалы этого исследования?


(См., напр., последнее на эту тему: Nair RR, Rajan B, Akiba S, Jayalekshmi P, Nair MK, Gangadharan P, Koga T, Morishima H, Nakamura S, Sugahara T. Background radiation and cancer incidence in Kerala, India-Karanagappally cohort study. Health Phys. 2009 Jan;96(1):55-66)
В одном из исследований Вы проанализировали данные по датам рождения и смерти 105 тысяч киевлян, которые умерли в период с 1990 по 2000 гг. Какие выводы были сделаны?
Наибольшей оказалась продолжительность жизни людей, родившихся в конце года (особенно в декабре), наименьшей – у «апрельских-июльских». Различия между минимальными и максимальными среднемесячными значениями оказались очень велики и достигали 2,6 года у мужчин и 2,3 года у женщин. Результаты, полученные нами, говорят о том, что то, сколько человек проживет, в значительной степени зависит от сезона года, в который он родился.
Возможно ли прикладное применение полученной информации?
Какими могли бы быть рекомендации? Например, зачинать детей весной (лучше всего – в марте), чтобы они были потенциальными долгожителями? Но это абсурд. Природа не дает одним все, а другим – ничего. Так и с «сезонным программированием». Например, в исследованиях, осуществленных во многих странах (Италии, Португалии, Японии), выявлено, что наивысшими интеллектуальными возможностями обладают школьники и студенты, родившиеся в конце весны – начале лета (по нашим данным – «короткожители»). Эти исследования демонстрируют бессмысленность “прикладных” рекомендаций по рождению детей в определенные месяцы года. А вот серьезным поводом для дальнейшего научного исследования механизмов, определяющих «программирование», а также поиска средств направленной коррекции этих механизмов с целью продления жизни в будущем, эти работы, безусловно, являются.

Что позволяет оценивать позиции эпигинетики так оптимистично?
После завершения программы «Геном человека» ученое сообщество было в шоке: оказалось, что информация о строении и функционировании человека заключена в приблизительно 30 тысячах генов (по разным оценкам, это всего около 8-10 мегабайт информации). Специалисты, которые работают в сфере эпигенетики, называют ее «второй информационной системой» и считают, что расшифровка эпигенетических механизмов контроля развития и жизнедеятельности организма приведет к революции в биологии и медицине.

Например, в ряде исследований уже удалось выявить типичные закономерности в таких рисунках. На их основе врачи могут диагностировать формирование онкозаболеваний на ранней стадии.
Но осуществим ли такой проект?
Да, конечно, хотя он очень затратный и вряд ли может быть реализован во время кризиса. А вот в перспективе – вполне.
Еще в 1970 году группа Ванюшина в журнале „Nature“ опубликовала данные о том, что метилирование ДНК регулирует клеточную дифференцировку, приводя к различиям в экспрессии генов. И Вы об этом говорили. Но если у организма в каждой клетке содержится один и тот же геном, то эпигеном у каждого типа клеток — свой, соответственно и ДНК метилирована по-разному. Учитывая, что типов клеток в человеческом организме порядка около двухсот пятидесяти — объем информации может быть колоссальным.
Именно поэтому проект «Эпигеном человека» и является очень сложным (хоть и не безнадежным) для реализации.

Все настолько серьезно?

Примеры:
• Информация о фенотипе содержится не только в геноме, но и в эпигеноме, который пластичен и может, изменяясь под воздействием определенных средовых стимулов, влиять на проявление генов – ПРОТИВОРЕЧИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ, СОГЛАСНО КОТОРОЙ ПОТОК ИНФОРМАЦИИ МОЖЕТ ИДТИ ТОЛЬКО ОТ ДНК К БЕЛКАМ, НО НЕ НАОБОРОТ.
• Индуцированные в раннем онтогенгезе эпигенетические изменения могут фиксироваться по механизму импринтинга и менять всю последующую судьбу человека (в том числе психотип, метаболизм, предрасположенность к заболеваниям и т.п.) – ЗОДИАКАЛЬНАЯ АСТРОЛОГИЯ.
• Причиной эволюции, помимо случайных изменений (мутаций), отбираемых естественным отбором, являются направленные, адаптивные изменения (эпимутации) – КОНЦЕПЦИЯ ТВОРЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ французского философа ( Нобелевского лауреата по литературе, 1927 г.) Анри БЕРГСОНА.
• Эпимутации могут передаваться от предков потомкам – НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИОБРЕТЕННЫХ ПРИЗНАКОВ, ЛАМАРКИЗМ.
• Как происходит развитие многоклеточного организма, какова природа сигналов, настолько точно определяющих время возникновения, структуру и функции различных органов тела?
• Можно ли, влияя на эпигенетические процессы, изменять организмы в желательном направлении?
• Можно ли за счет корректировки эпигенетических процессов предотвращать развитие эпигенетически обусловленных заболеваний, например, диабета и рака?
• Какова роль эпигенетических механизмов в процессе старения, можно ли с их помощью продлевать жизнь?
• Возможно ли, что непонятные в наше время закономерности эволюционирования живых систем (эволюция «не по Дарвину») объясняются вовлеченностью эпигенетических процессов?
Естественно, это только мой персональный перечень, у других исследователей он может отличаться.

доктор медицинских наук,
главный научный сотрудник лаборатории математического моделирования процессов старения / Институт геронтологии АМН Украины / Киев /
Научные интересы: биогеронтология, эпигенетика, эпидемиология возраст-зависимых заболеваний.