В предыдущих лекциях мы обсуждали, что при делении дочерние клетки получают от материнской не только геномную ДНК, но и связанные с ней эпигенетические детерминанты. В результате гены, которые были подавлены в материнской клетке, остаются неактивными и в дочерних, и наоборот, активные гены сохраняют работоспособность. Такая стабильность эпигенома объясняет, почему, когда стволовые клетки самообновляются, они не забывают, какими свойствами они должны обладать для выполнения своей особенной функции. Однако под действием внутренних и внешних сигналов клетки могут менять эпигенетический ландшафт в определенных локусах генома, и это приводит к закономерному изменению в работе соответствующих генов. Такая пластичность эпигенома позволяет клеткам приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям среды, дифференцироваться и развиваться. При этом обновленный эпигенетический статус также наследуется дочерними клетками. В результате, хотя все клетки организма имеют идентичную последовательность ДНК, то есть являются клонами, разнообразие форм и функций клеток поражает воображение. Итак, в организме статус активности гена может меняться и стабильно поддерживаться без изменения последовательности ДНК. А может ли организм передать эпигенетический статус гена, который был приобретен в процессе жизнедеятельности, своим потомкам в результате размножения? В классической генетике наследуемые изменения фенотипа связывают с изменением в последовательности ДНК. Однако возможно ли эпигенетическое наследование, когда изменение фенотипа наследуется, но без изменений в последовательности ДНК? По-видимому, у животных природа постаралась максимально осложнить такую возможность, поскольку как минимум два фактора препятствуют эпигенетическому наследованию. Во-первых, судьба половых клеток, которые участвуют в размножении, разительно отличаются от пути, который проходят соматические клетки. Предшественники половых клеток появляются на самых ранних этапах эмбрионального развития и сразу мигрируют к будущим половым железам. Там они бережно хранятся всю последующую жизнь. Такая стратегия не просто защищает половые клетки от повреждений, но также запрещает соматическим клетками участвовать в передаче наследственной информации будущим потомкам. Эту невидимую преграду между половыми и соматическими клетками называют "барьер Вейсмана", в честь немецкого зоолога Августа Вейсмана. Во-вторых, образование тотипотентной зиготы и последующее дробление сопровождается значительным репрограммированием генома, хотя у разных организмов детали отличаются. Достаточно хорошо изучено репрограммирование у мышей. Так, для мышей характерны как минимум два раунда репрограммирования метилома. Первое происходит сразу после оплодотворения на стадиях зиготы и раннего дробления. В результате отцовские и материнские метилирования стираются почти полностью, за исключением импринтированных локусов. Затем метилирование устанавливается заново, но в клетках зародышевого пути. Во время миграции к будущим гонадам метилирование снова стирается и устанавливается в соответствии с типом гаметы. Помимо этого, развитие половых клеток сопровождается трансформацией хроматина. В частности созревание сперматозоидов сопровождается почти полным замещением нуклеосом на белки под названием протамины. Это нужно, чтобы сделать ядро сперматозоида как можно более компактным. В отличие от сперматозоидов, ооциты сохраняют гистоны, однако детали репрограммирования остаются менее изученными. Известно, что ооциты накапливают метки активного хроматина H3K4me3 в межгенных областях, энхансерах и даже в промоторах неактивных генов. Как оказалось, в ооцитах эта модификация не связана с транскрипцией, и наличие неканонического метилирования H3K4me3 отличает ооциты от соматических клеток и эмбриональных стволовых клеток. Специфическая эпигенетическая программа развития женских гамет приводит к накоплению в цитоплазме ооцита гистонов, других компонентов хроматина, факторов репрограммирования, и как результат, после оплодотворения женский и мужской геном претерпевает значительные преобразования, главной целью которых является достижение тотипотентности. Итак, эпигенетическое репрограммирование и "барьер Вейсмана" кажутся серьезным препятствием для эпигенетического наследования у животных. Однако, когда речь идет о растениях, то тут все проще. В самом деле, у растений клетки зародышевого пути формируются в генеративных побегах прямо из соматических клеток, а эпигенетические изменения оказываются не настолько драматичными. И неудивительно, что первые примеры эпигенетического наследования были обнаружены именно у растений. Классическим примером эпигенетического наследования являются так называемые эпиаллели. Эпиаллели — это варианты гена с идентичной последовательностью ДНК, но различным уровнем экспрессии. Например, у небольшого растения резуховидки Таля (родственника капусты) делеция гена под названием Superman приводит к двукратному увеличению числа тычинок. И похожий эффект наблюдается у растений, несущих вариант гена Superman под названием clark kent. Этот вариант имеет ту же самую последовательность, что и ген дикого типа, но является гиперметилированным. Таким образом, clark kent — это эпиаллель гена Superman. Растение льнянка обыкновенная — это невысокое растение с красивыми желто-белыми цветками, которое нередко можно встретить на пустырях, опушках и по обочинам дорог. А вот на одном из островов вблизи Стокгольма льнянка растет вот с такими монструозными цветками. Причина — это гиперметилирование гена под названием Lcyc, ответственного за формирование двусторонне-симметричного цветка. С эпиаллелями связано также явление под названием парамутации — наследуемое изменение свойств гена, которое возникает в результате взаимодействия разных вариантов этого гена между собой, и при котором, в отличие от обычных мутаций, нуклеотидная последовательность гена не меняется. Классическим примером служит локус кукурузы b1. Растение, несущее вариант гена B штрих, обладает зеленой окраской. Растение, несущее вариант B-I (Booster intense) — пигментировано. Но если два растения скрестить, при объединении в одном ядре B штрих и B-I происходят необратимые превращения варианта B-I в B штрих, и все потомки гибридного растения становятся зелеными. Причина такого превращения — это метилирование ДНК в кластере повторов, расположенном на 100 килобас выше гена b1. Когда кластер метилирован, ген b1 не может экспрессироваться — это вариант B штрих. Метилированный кластер служит источником некодирующей РНК, которая вызывает метилирование на копии B-I по механизму РНК-интерференции. Также известно, что вариант B-I может спонтанно превратиться в B штрих, но вероятность этого низкая. Таким образом, для растений известно немало примеров наследования признаков, которые возникли без изменения последовательности ДНК. В основе эпигенетического наследования у растений лежит метилирование ДНК и РНК-интерференция. И важным вопросом является то, как именно возникают локусы, подверженные эпигенетическому наследованию? Хотя точный механизм неясен, понятно, что и метилирование, и РНК-интерференция служат механизмами подавления активности мобильных элементов, а мобильные элементы распространяются по геному случайным образом и могут затрагивать работу близлежащих генов. По-видимому, такая случайная, ненаправленная активность транспозонов и приводит к появлению локусов с эпигенетическим наследованием. Мы также говорили, что эпигенетическое наследование у животных осложняется репрограммированием. Однако, несмотря на это, исследователи обнаружили несколько примеров эпигенетического наследования и у животных. Так, у нематоды C. elegans РНК-интерференция целевого гена может приводить к стабильному подавлению транскрипции на несколько поколений вперед. Правда, через несколько поколений сайленсинг пропадает. Также у C. elegans, дрозофилы и даже мыши обнаружены парамутации. Однако в последнем случае количество примеров очень ограничено. В качестве примера парамутации у мыши можно рассмотреть парамутацию Kit. Ген Kit кодирует тирозинкиназный рецептор, который участвует в таких процессах развития, как гемопоэз, дифференцировка клеток зародышевой линии и меланогенез. Гомозиготная делеция Kit летальна, а гетерозиготные мыши имеют белый хвост. Причем белый хвост гетерозиготных родителей сохраняется и у их потомков, имеющих генотип дикого типа. Мы в этом и предыдущих модулях обсуждали, каким образом эпигенетические механизмы позволяют реализовывать сложные программы развития. И одна из самых сложных программ и одна из наиболее непонятных — это старение. В следующем модуле мы обсудим эпигенетику старения.