Эпигенетика

Современный взгляд на эпигенетику

Благовещенский И.Ю., Фомичев К.А., Сазанов А.А.

Под термином эпигенетика, в настоящее время понимают наследуемые в ряду митотических и мейотических делений состояния хроматина и экспрессии генов, которые не связанные с изменениями в нуклеотидной последовательности ДНК.

В основе эпигенетической памяти лежит биохимическая модификация структуры хроматина. Установлено, что остатки цитозина в составе CpG последовательностей ДНК у животных и CpNpG-последовательности у растений могут быть метилированы в 5 положении. Такая модификация характерна для неактивного хроматина, транскрипция с которого не осуществляется. Перенос метильной группы с S-аденозил метионина на остаток цитозина осуществляется несколькими группами метилтрансфераз. Одна группа осуществляет поддерживающее метилирование вновь синтезированной дочерней нити ДНК на основе рисунка метилирования материнской нити, а другая группа производит метилирование de novo в ответ на сигналы клеточной дифференцировки и различные факторы внешней среды.

С модификацией ДНК сопряжена, также, ферментативная модификация другого компонента хроматина – гистонов. Четыре коровых гистона, образуют нуклеосому, структуру на которую намотана нить ДНК. Существует множество вариантов модификаций аминокислотных остатков гистонов, с разным сродством к ДНК и характерных для различных состояний хроматина. В связи с этим даже появилось понятие «гистонового кода» – набора модификаций соответствующих транскриционно активному, транскрипционно неактивному или конденсированному хроматину митотических хромосом, а также гистонам смещающимся с ДНК в S-фазе клеточного цикла. Так ацетилирование остатков лизина и аргинина обычно связано с транскрипционно активным состоянием хроматина, а метилирование этих аминокислотных остатков, наоборот, со снижением транскрипционного статуса.

Модификация хроматина лежит в основе такого явления как геномный импринтинг (запечатлению). Этот термин появился в 1960 году и первоначально относился к выборочной элиминации мужских хромосом у некоторых насекомых. Исследования по трансплантации ядер половых клеток мышей в 1980 гг. показали невозможность развития эмбрионов несущих только материнские или только отцовские пронуклеусы, более того даже наличие лишь двух гомологических хромосом от одного родителя может иметь летальные последствия для эмбриона. Оказалось, что причина данного явления в различиях метилирования ДНК аллелей в мужских и женских гаметах. Вследствие этого, появление в геноме обоих копий аллей подвергшихся импринтингу (выключению) приводит к эпигенетической неполноценности эмбриона, хотя с точки зрения классической генетики он имеет нормальный набор генов. У человека на сегодняшний день обнаружено более 30 импринтированных генов, а общее их число оценивается 200-500.

Давно известным и одним из хорошо изученных эпигенетических феноменов относится инактивация половой X-хромосомы у самок плацентарных млекопитающих. В соматических клетках самок млекопитающих две Х-хромосомы, соответственно и набор генов на них двойной, по сравнению с соматическими клетками самцов, у которых в ядре находится только одна Х-хромосома. Для компенсации дозы генов у самок одна из Х-хромосом инактивируется с формированием специфической ядерной структуры названной тельцем Барра. В основе этого процесса лежит экспрессия некодирующей белкок РНК XIST, которая взаимодействует с хроматином Х-хромосомы, как-бы облепляя её, и привлекает белковые комплексы активирующие ДНК-метилазы и гистоновые ацетилазы, следствие работы которых является формирование факультативного гетерохроматина и инактивации X-хромосомы. Интересно, что экспрессия другой некодирующей РНК TSIX антисмысловой к XIST препятствует её экспрессии в активной Х-хромосоме.

Нобелевская премени «по медицине и физиологии» 2006 года была присуждена Эндрю Файеру и Крейгу Мелло за открытие другого интересного эпигенетического феномена – РНК-индуцирумого подавления экспрессии генов или РНК-интерференции. Исследователи обнаружили, что введение в организм круглого червя Caenorabditis elegans двухцепочечной РНК ведет к специфической репрессии гомологичного ей по нуклеотидной последовательности гена. Позже РНК интерференция была обнаружена почти у всех эукариотических организмов. На первом этапе этого эпигенетического процесса происходит расщепление ферментом РНК-эндонуклеазой III-типа экзогенной двуцепочечной РНК попавшей в клетку на небольшие, также двухцепочечные фрагменты длинной 20-25 нуклеотидов, названные малыми интерферирующими РНК. Эти одна из нитей таких фрагментов переходит в состав специфического эндонуклеазного комплекса и, взаимодействуя с комплементарной последовательностью матричной РНК, разрушает последнюю, либо в составе другого комплекса, попадая в ядро, переводит в транскрипционно неактивное состояние хроматин с комплементарной ДНК. Функции РНК-интерференции на уровне клетки сравнивают с функциями иммунной системы на уровне организма. Считается, что РНК-интерференция является внутриклеточным аналогом иммунной системы, предохраняющим эукариотическую клетку от РНК-вирусов и мобильных генетических элементов (транспозонов). Ведутся активные работы по созданию лекарственных средств на основе интерферирующих РНК, позволяющих заблокировать синтез продуктов принимающих участие в развитии заболеваний человека, однако эффективных и безопасных векторов для доставки интерферирующих РНК в клетку пока не найдено. Перспективно применение малых интерферирующих РНК и в биотехнологических целях.

Известно, что геном растений метилирован в значительно большей степени чем животных. В первичной нуклеотидной последовательности 5-метил цитозин встречается даже чаще чем неметилированный цитозин. Показано что, применение деметилирующих агентов приводит к активации промоторов и началу экспрессии ранее выключенных генов. наследуемым в ряду поколений. Такое изменение фенотипа напоминает обычную мутацию

Значительная часть генов у растений находится в неактивном состоянии применение деметилирующих агентов приводит к активации промоторов наследуемым в ряду поколений.

До недавнего времени считалось что эпигенетический рисунок млекопитающих формируется в перилод эмбрионального развития и впоследствии остается неизменным. Хотя этот период по прежнему считается эпигенетически наиболее важным, однако эксперименты с лабораторными животными показали что употребление ряда веществ сказывается на метилировании различных участков хроматина определенным образом. Так недостаток или, наоборот, избыток в пище веществ, служащих предшественниками для субстратов метилирования ДНК сказывается на поддержании метилирования ДНК. Кроме того ряд веществ может влиять на эпигеном и более и через более сложные механизмы.

Я ем ГМО!

Роль биологического образования в разрушении ложных стереотипов о вреде генетически модифицированных организмов

Исламшина А.Р., Большакова Е.И., Сазанов А.А.

Школа призвана давать систематические фундаментальные знания. Руководствуясь принципом научности, учителя должны способствовать формированию истинных, подлинных знаний и представлений, отделяя вымысел от действительности, разрушая ложные стереотипы. Одним из примеров ложного стереотипа, прочно укоренившегося в массовом сознании, является опасность генетических модифицированных организмов (ГМО).

В настоящее время ГМО уже широко вошли в современную жизнь, в первую очередь, в медицину и в производство продуктов питания (различные молочные, хлебобулочные и кондитерские изделия, диетические продукты на основе сои, кукурузы и т.д.). Существует ли реальная опасность ГМО?

Зачастую, незнание каких-либо фактов приводит к страху перед ними. В данном случае - незнание сущности ГМО и процесса их образования приводит к формированию ложных стереотипов, к страху перед новыми достижениями науки.

К ГМО относят три группы организмов:

- генетически модифицированные микроорганизмы (ГММ);

- генетически модифицированные животные (ГМЖ);

- генетически модифицированные растения (ГМР) – наиболее распространенная группа.

ГМО - это трансгенные организмы, наследственный материал которых изменён методами генной инженерии с целью придания им желаемых свойств.

Генная инженерия – совокупность методов, позволяющих искусственно получать молекулы ДНК, содержащие генетическую информацию из двух и более источников биологического или химического происхождения. К основным этапам генной инженерии относят:

- фрагментация молекул ДНК из различных источников (бактерий, вирусов, культур клеток или тканей) с помощью ферментов рестрикции;

- расщепление с помощью фермента рестриктазы молекулы ДНК- вектора, способной автономно реплицироваться в клетке (плазмидная или вирусная ДНК);

- соединение фрагментов ДНК с вектором в единую молекулу с помощью фермента ДНК- лигазы, способного замыкать фосфодиэфирную связь между соседними нуклеотидами в местах разрыва полимерной цепи; этот этап приводит к образованию рекомбинантной (химерной) молекулы ДНК, несущей новый набор генетической информации;

- введение рекомбинантной ДНК в живую клетку;

- направленный отбор индивидуальных клеток, содержащих рекомбинантную ДНК и обладающих соответствующими генетическими характеристиками.

Этот методический подход расширяет возможности изучения ДНК, позволяет синтезировать в бактериальной клетке белки и пептиды человека и животных, которые сложно синтезировать химическим путем (интерферон, соматотропин, инсулин, соматостатин). Возможно использование генной инженерии для изучения наследственных болезней. Медики начали пользоваться генетической модификацией уже давно, для того чтобы спасти больного, которому нужны новые лекарства. Их изготавливают при помощи модифицированных бактерий или дрожжей. Все белковые препараты создаются при помощи встраивания генов. Во всем мире наблюдается активное применение ГМО в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии.

Так ученые пытаются решить проблемы дефицита железа в организмах людей при анемии, вызванной дефицитом этого элемента, путем воздействия на разные факторы в растениях, которые способствуют повышению содержания железа в пищевых культурах и улучшению его усвоения.

Следует отметить, что прежде попадания на рынок ГМО проходят государственную проверку и регистрацию. Этим занимается несколько организаций, каждая из которых проводит свою часть испытаний. Например, в нашей стране за генетическую оценку ГМО отвечают Центр «Биоинженерия» РАН и Медико-биологический научный центр РАН. Медико-биологическую оценку дают Институт питания РАН, НИИ вакцин и сывороток им. И.И.Мечникова и Федеральный научный центр гигиены им.Ф.Ф.Эрисмана. Технологическую оценку обеспечивает Московский государственный университет прикладной биотехнологии Минздрава РФ. Полная процедура проверки одного ГМО занимает несколько лет.

Несмотря на огромный потенциал генной инженерии и ее уже реальные достижения, использование ГМО воспринимается в мире не однозначно. В СМИ регулярно появляются статьи и репортажи о «продуктах-мутантах». При этом у потребителя по причине незнания и непонимания складывается превратное представление о проблеме, начинает преобладать чувство страха. На недостатке знаний многие спекулируют. Приведем примеры (далеко не самые нелепые) подобных утверждений из «научно-популярной» литературы.

«Опыты с дождевыми червями показали, что за двести дней «большой выползок», которого кормили трансгенной кукурузой, терял в весе до 40%. Крупнейшие производители, в том числе производители популярных продуктов детского питания, мясных изделий, чью продукцию мы видим на прилавках каждый день, попросту саботируют исследования, поскольку не могут работать без соевых наполнителей, а 60% всей сои, выращиваемой в мире – генномодифицировано.»

«Доктор биологических наук И.В.Ермакова (Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН) провела серию экспериментов на крысах. Изучены были пять поколений грызунов, которых начали кормить ГМ-продуктами до спаривания. С одного из мясокомбинатов была взята модифицированная соя трех типов. 60% родившихся крысят погибли в течение нескольких дней, оставшиеся 40% сильно отставали в развитии. На продемонстрированных фото видно, что сравнительные размеры подопытных крысят и крысят из контрольной группы существенно различаются – нормальные головы кажутся непропорционально большими для тщедушных тел. Выжившие крысята при спаривании между собой уже во втором поколении потомства не дали. В печени, почках, семенниках подопытных крыс произошли очевидные морфологические изменения, нарушения кровотока, дегенерация. У наблюдаемых крыс было отмечено нарушение инстинктов, в том числе и материнского инстинкта, повышение уровня тревожности. Используемая в ходе эксперимента модифицированная соя, была устойчива к обработке гербицидом типа Round-up, он хорошо известен садоводам: при обработке подобным средством обычные растения погибают, а вот ГМ-растения – выживают и накапливают в себе ядовитые вещества.»

В отношении изложенного выше хотелось бы отметить как совершенную некорректность проведенных экспериментов, так и неадекватность сделанных выводов. Во-первых, было необходимо удостовериться в том, что сравниваются изогенные или даже близкие к изогенным линии сои. Во-вторых, следовало учесть, что состав образца сои (или любой сельскохозяйственной культуры) в значительной степени зависит от места и условий произрастания и сбора. Высокая культура постановки эксперимента предполагает, чтобы ГМ и не-ГМ соя выращивалась на одном и том же или на соседних полях, чтобы уменьшить влияние почвы и места произрастания на состав сои. Для преодоления сезонной вариабельности, образцы сои также должны быть выращены в один год. Ни один из вышеуказанных факторов не контролировался в экспериментах Ермаковой. Национальные и международные агентства, контролирующие качество продуктов питания, проанализировали результаты многочисленных исследований с животными и сделали вывод, что ГМ соя так же безопасна, как и обычная соя. Более 500 млн. га ГМ сои были возделаны в течение последнего десятилетия. Огромные ее количества были скормлены, причем в высоких концентрациях, домашним животным, птицам и рыбам. И не было сообщений о задержке роста или репродуктивных проблемах, как можно было бы ожидать, если бы выводы Ермаковой были корректными.

Для разрушения сложившихся ложных стереотипов и формирования научного мировоззрения у учащихся в отношении ГМО мы предлагаем следующую общую систему построения доказательств:

1) Чужеродные белки разрушаются ферментами ЖКТ при прохождении пищи.
2) Через кишечную мембрану не проникают вещества, сильно отличающиеся от приемлемых для организма (соли, аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды, моносахариды).
3) Даже (неизвестно как) прошедшая через ЖКТ и кишечный барьер ДНК не сможет проникнуть в ядро клетки и встроиться в хромосомы, потому что у обычных клеток отсутствует механизм обмена ДНК, он есть только у половых клеток и некоторых микробов.
4) Если чужеродный ген даже и смог проникнуть в ДНК клетки, он не обязательно наследуется, то есть, повлияет на потомство.
5) Иными словами, вероятность наследственных изменений по причине употребления ГМО оценивается в величинах, которые значительно ниже вероятности влияния прочих потенциально негативных факторов (дезодорантов, ультрафиолета, мобильных телефонов).

Таким образом, ГМО угрожает не столько здоровью и природе, сколько устоявшимся общественным стереотипам: экономическим, юридическим, этическим. В задачу преподавателя входит объяснение истинности происходящего, во избежание образования ложных представлений о жизни и её процессах.

Приветствую всех, кому не безразличны вопросы биологического образования!