Текст книги "Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает"

Автор книги: Манель Эстейер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)

Глава 10
У всех человеческих болезней есть эпигенетическая составляющая

Рак стал точкой отсчета эпигенетических исследований болезней человека с момента открытия тотального гипометилирования генома в 1980-х, антионкогенов в 1990-х и первых эпигенетических лекарств в начале XXI века.

Однако мы не должны считать рак единственной болезнью, связанной с эпигенетикой, так как на самом деле любая патология, которая поражает человека, в большей или меньшей степени содержит эпигенетическую составляющую. Действительно, если мы задумаемся о болезнях с большим процентом смертности в странах Запада, то обязаны включить в этот список рак, а также нейродегенеративные и сердечно-сосудистые заболевания. На сегодняшний день уже начинают появляться новые открытия, связанные с эпигенетическими отклонениями, которые воздействуют и на две последние группы патологий.

Онкоген – ген, который появляется в результате мутации и ошибочной активации гена, называемого протоонкогеном. Протоонкогены регулируют рост клеток, и когда они мутируют и активируются по ошибке, это приводит к избыточному росту клеток, что влечет за собой появление опухоли.

Альцгеймер – нерешенная проблема

Такие нейродегенеративные заболевания, как Альцгеймер и другие виды деменции, ужасны по многим причинам. Они обычно не убивают пациента напрямую, но развиваются от небольших потерь памяти до инвалидности и абсолютной зависимости от других даже при самых маленьких жизненных потребностях, что в итоге превращает человека в живого мертвеца.

Альцгеймер, в конечном счете, является болезнью, которая не только поражает пациента, но и сказывается на всем его окружении и предполагает огромные денежные затраты. Самое худшее – то, что мы еще не располагаем эффективными медикаментами для ее лечения.

Конечно, ее воздействие на социум настолько серьезно, что уже многие годы наука изучает эту болезнь в поиске причин ее появления и способов предотвращения или лечения. Благодаря этим исследованиям мы узнали, что классическая генетика отвечает только за 10 % случаев. А что с остальными 90 %?

Последние исследования доказывают, что эпигенетика играет не последнюю роль во многих случаях, так как было установлено, что химические модификации гистонов важны для кратковременной памяти, в то время как метилирование ДНК важно для долговременной памяти.

И наша команда, и другие исследовательские группы, изучая разные участки мозга (например, кору головного мозга) больных с нейродегенеративными патологиями, пришли к выводу, что аномальное метилирование некоторых генов имеет отношение к белкам, связанным с болезнью, в частности тау-белкам и бета-амилоидам. Благодаря этим наблюдениям начали проводиться испытания первых экспериментальных моделей Альцгеймера на мышах, чтобы убедиться, что эпигенетические лекарства окажут какой-либо эффект на эти патологии.

Эпигенетика и другие болезни

Совершенно ясно, что при сердечно-сосудистых заболеваниях, например атеросклерозе или инфаркте миокарда, генетические факторы (мутации в генах, которые усваивают холестерин) действуют заодно с диетами, богатыми жирами, но эпигенетика не дремлет, причем высовывается она настолько, что недавно мы смогли доказать, что артерия аорты пациента с атеросклеротическими бляшками обладает искаженным эпигеномом в сравнении с нормальными стенками сосудов.

Тау-белок – часто встречающийся в центральной нервной системе белок, который вмешивается в структуру нейронов. Отклонения в работе этого белка связаны с некоторыми типами деменции, включая синдром Альцгеймера.

Список может быть продолжен аутоиммунными заболеваниями, подобными системной красной волчанке, в случае которой потеря метилирования ДНК приводит к тому, что антигены показывают себя во всей красе и вызывают аномальный иммунный ответ; или диабету: пациенты с этим диагнозом демонстрируют процент жира, отличный от физиологического процента при эпигенетической регуляции глюкозы; или ревматоидному артриту, вызванному глобальной утратой метилирования, которое приводит к активации паразитических последовательностей ДНК, потере генетического следа и прогрессирующим дефектам в хромосомах. И список пополняется каждую неделю…

Надежда для больных с редкими болезнями: синдром Ретта и синдром ICF

В других случаях генетические и эпигенетические эффекты объединяются и доказывают, что генетика и эпигенетика, несмотря на все их различия, всегда идут рука об руку и разделять их не следует. Мы говорим о так называемых редких, или орфанных, заболеваниях, при которых мутировавший ген является эпигенетическим. Генетическое отклонение встречается в гене, связанном с метилированием ДНК, то есть с модификациями гистонов или некодирующими РНК.

Бета-амилоиды – пептиды, или маленькие белки, чрезмерное скопление которых в мозге приводит к различным заболеваниям, среди которых болезнь Альцгеймера.

Самый известный пример: заболевание, носящее название синдром Ретта, поражает преимущественно девочек. Впервые оно было описано в 1966 году австрийским педиатром доктором Андреасом Реттом, который смог выделить внутри разнородной группы детей-аутистов эту подгруппу пациентов. Однако так как первое описание заболевания было опубликовано на немецком языке, эта информация не получила широкого распространения до 1983 года, когда доктор Бенгт Хагберг снова описал болезнь и назвал ее «синдромом Ретта» в честь первооткрывателя.

Доктор Хагберг изучил истории болезни тридцати пяти пациентов, которые демонстрировали прогрессивную энцефалопатию, и обратил внимание на то, что в этой группе было больше девочек, которые после нормального развития с семи до восемнадцати месяцев начинали испытывать прогрессирующие ухудшение, пока в возрасте полутора лет болезнь не переходила в серьезный аутизм и атаксию (расстройство координации движений). Кроме того, он отметил отсутствие осознанного использования рук, а также замену преднамеренных движений на механические и повторяющиеся, что оказалось наиболее узнаваемой чертой этой болезни, поскольку эти движения выглядели так, будто девочки постоянно мыли руки.

Тот факт, что болезни подвержены только женщины, указывал на то, что корень проблемы кроется в принадлежности к определенному полу. Возможно, поврежденный ген находился в Х-хромосоме. На самом деле этот синдром наблюдается с довольно высокой частотой, до такой степени, что уже стал второй по распространенности причиной задержки умственного развития женщин.

Белок МеСР2 – составляет вместе с белками MBD1, MBD2, MBD3 и MBD4 семейство со связью с метилированной ДНК. Эти белки присоединяются только к участкам ДНК, которые были до этого метилированы.

Впрочем, хотя с этой точки зрения синдром Ретта и кажется довольно частым заболеванием, в абсолютных показателях количество пациентов не так уж и впечатляет: одна больная на каждые десять – пятнадцать тысяч женщин не вызывает достаточно интереса, чтобы добиться необходимого финансирования со стороны официальных структур.

В этом случае большая часть научных достижений имела место только благодаря поддержке родителей. Особенно знаменательным был вклад Кэти Хантер, матери ребенка с синдромом Ретта, которая основала международную ассоциацию для родителей таких детей. Именно эта организация собрала необходимые средства для финансирования исследований.

Эти исследования впервые увенчались успехом в 1999 году: было доказано, что болезнь связана с мутациями в белке МеСР2, одном из тех, что распознают метилированную ДНК и связывают метилирование ДНК с транскрипционным сайленсингом.

Транскрипционный сайленсинг – клеточный процесс, в ходе которого ген выключается, а следовательно, перестает транскрибироваться.

В этом заключается самый интересный аспект этого синдрома: хотя речь идет о генетической болезни, привлекает внимание то, что поврежден эпигенетический элемент – уже упомянутый белок МеСР2.

Таким образом, синдром Ретта имеет двойное происхождение: с одной стороны, генетическое, потому что возникает из-за инактивации мутировавшего гена, а с другой стороны, эпигенетическое, так как потеря функции МеСР2 прерывает цепочки событий с момента метилирования ДНК в процессе транскрипционной репрессии, так что гены, которые должны быть репрессированы, таковыми не являются.

Этот факт демонстрирует важность белка МеСР2 в регуляции генов и, несмотря на то что заболевание не самое распространенное, изучение синдрома Ретта помогает понять значимость метилирования ДНК в развитии нервной системы, в частности то, когда оно необходимо для становления профилей экспрессии.

На данный момент девочки, болеющие синдромом Ретта, являются предметом тщательных исследований, и можно определить, какая именно мутация произошла в их белке. В последние годы знания о молекулах и клетках этой болезни значительно расширились, поэтому мы надеемся, что усилия многочисленных исследовательских групп не пропадут даром и значительное сокращение последствий мутации белка МеСР2 станет возможным.

Другой любопытный и довольно редкий пример генетической болезни с влиянием эпигенетики – синдром иммунодефицита, центромерной нестабильности и лицевых аномалий (Immunodeficiency, Centromere instability and Facial anomalies, ICF – аббревиатура английского названия этой болезни). Этот крайне редкий синдром (всего описано полсотни случаев по всему миру) обязан своим существованием мутациям ДНК-метилтрансфе-разы DNMT3B, которая кодирует фермент таким образом, что у людей, которые подвержены этой болезни, минимальное снижение активности DNMT влечет за собой грандиозные эффекты: в первую очередь дефицит иммунитета, а также серьезные лицевые аномалии, задержку психомоторного развития и роста и различные инфекции.

Патологии, которые мы только что описали, являются примерами того, как эпигенетика и генетика действуют заодно. Как синдром ICF, так и синдром Ретта – заболевания генетические, потому что в конце концов причина их возникновения – мутация, но мы говорим об эпигенетических отклонениях, поскольку отсутствие функции мутировавших генов вызвано генетической модификацией или ее интерпретацией.

Это не единственные заболевания с подобными характеристиками. Список довольно длинный и включает в себя синдром Рубинштейна – Тейби, синдром Со-тоса, синдром Кабуки и т. д. Существует более пятисот генов, задействованных в становлении эпигенетических профилей, так что поле для исследования широчайшее, и оно заслуживает нашего полного внимания, если мы хотим помочь семьям, страдающим от этих патологий.

С другой стороны, очень важно помнить, что нет редких больных – есть редкие заболевания. И объединившись, эти больные и их семьи бросают важный вызов системе здравоохранения и обществу, так что так или иначе мы все должны им помогать.

А сейчас некоторые данные о лечении

Какими лекарствами в будущем возможно будет вылечить нейродегенеративные заболевания?

На данный момент они еще не открыты. Последний появившийся метод лечения Альцгеймера – использование ультразвука с целью разбивать амилоидные бляшки, но это практически не связано с эпигенетикой.

А сердечно-сосудистые заболевания? Появится ли способ контролировать избыток «плохого» холестерина?

Уже сейчас используются статины с целью сократить уровень липополисахаридов низкой плотности, так называемого плохого холестерина.

Что касается эпигенетики, то доказано следующее: как модификации гистонов, так и метилирование ДНК являются важными процессами в регулирования сердечно-сосудистой функции, так что эти отклонения в эпигенетическом аппарате могут быть потенциально связаны с появлением подобных патологий. Так что можно смело рассматривать перспективу того, что в будущем мы сможем разработать лекарства, которые помогут предотвратить или вылечить подобные заболевания, которые – и мы должны об этом помнить – становятся причиной многочисленных смертей.

Известно ли, каково влияние статинов на эпигенетическом уровне?

Как ни странно, доказано, что статины не только полезны для уменьшения уровня «плохого» холестерина, но имеют и противоопухолевое влияние при раке толстой кишки. Это влияние состоит в том, что они способствуют экспрессии одного белка, так называемого р27, который задерживает рост клеток благодаря действию статинов на компонент эпигенетического аппарата – белка EZH2.

Насколько близки мы к выключению генов редких эпигенетических заболеваний?

На данный момент в исследовательских лабораториях используются специальные технологии с целью модифицировать экспрессию специализированных генов и даже исправить или «отредактировать» их последовательность. Эти технологии (они называются CRISPR) в будущем, возможно, смогут связывать эпигенетический ферменте конкретным геном, эпигенетический дефект которого мы хотели бы исправить (например, отправить фермент ЕУЕ2, который деметилирует ДНК, в промотор гена – супрессора опухолей, который был неправильно метилирован.

Могут ли медикаменты для лечения хронических заболеваний (например гипертонии, астмы или аритмии) повлиять на наш эпигеном?

Существует предположение, что многие используемые медикаменты могут воздействовать на эпигенетику. Например, гидралазин, лекарство, использующееся для лечения гипертонии, способен блокировать метилирование ДНК.

Из всего вышесказанного следует, что проведение исследования побочных эпигенетических эффектов некоторых лекарств было бы своевременным.

Глава 11
Эволюционная микровселенная рака

Если и существует связь между метилированием и человеческими недугами, которая заслуживает отдельной главы в истории медицины, то это однозначно про онкологию. Дело в том, что рак также может считаться эпигенетической болезнью.

Под этим общим названием – онкозаболевания (вторая по частоте причина смерти после сердечно-сосудистых заболеваний) – объединены разнородные группы болезней, которые представляют собой проявление генетических и эпигенетических изменений, накопленных в клетках организма. Эти отклонения влекут за собой потерю механизмов контроля клеточного роста, что способствует неуправляемой пролиферации раковых клеток, их распространению в организме и проникновению в ткани.

Чтобы осознать тот беспорядок, к которому приводит неконтролируемое метилирование при раке, на короткое время мы воспользуемся метафорой, представленной более детально в первом разделе «Базового пособия»[1]1
  См. разделы «Метилирование ДНК» и «CpG-островки» в «Базовом пособии».


[Закрыть] (куда вы можете заглянуть в любой момент, если захотите углубиться в какой-нибудь из научных аспектов). Эта метафора представляет собой доступный д ля понимания пример: если наша последовательность ДНК была бы написанным текстом, стихотворением, песней, статьей или романом, эпигенетические модификации были бы знаками препинания и оформлением текста, например, шрифтом, строчными или прописными буквами и т. д. (параметрами, содержащими текстовую информацию, которая не передается исключительно буквами), в то время как генетика была бы этим самым алфавитом, буквами которого «записана» наша ДНК.

Хотя вся эта эпигенетическая информация и не кажется такой важной, как генетическая, поскольку все убеждены, что в книге главное – буквы, на самом деле, чтобы полностью понять смысл, одних лишь букв недостаточно: нужны знаки препинания – чтобы отметить ритм стихотворения, полужирный шрифт – чтобы отметить важное содержание, прописные буквы и отступы – чтобы подчеркнуть, что перед нами название, и отделить его от остального текста.

Разворачивая метафору: если мы представим ДНК как текст или книгу с инструкциями, а эпигенетику как знаки препинания, оформление, рамки, большие буквы, разные цвета, то можем также представить, что два аппарата, которые напечатали эту книгу, – это две группы меток (текст и другие знаки) и что действуют они независимо друг от друга. Сейчас представим на секунду, что 1 См. раздел «Что такое эпигенетика» в «Базовом пособии». печатная машинка, набирающая текст (то есть генетика), работает хорошо, а печатная машинка, ответственная за цвета, точки, отступы и рамки, наоборот, сошла с ума. Тогда произойдет неминуемое: несмотря на то что текст остался нетронутым (то есть буквы, из которых формируются слова), читать книгу будет очень сложно; даже если мы вообще найдем кого-нибудь, кто захочет попытаться, ему будет практически ничего не понятно.

Надеемся, что после такого объяснения вам стала предельно ясна разница между ролями генетики и эпигенетики в человеческом организме, которые так схожи при раковых заболеваниях.

Сейчас будем разбираться.

Сумасшествие раковой клетки

Описанная выше ситуация похожа на то, что происходит с раковыми клетками по части важности эпигенетики. На данный момент мы все еще не знаем причин, по которым аппарат метилирования дает сбой у онкопациентов. В обычных ситуациях динуклеотиды CpG 1 метилированы по всей длине генома, кроме CpG-островков, где концентрируется большая часть этих последовательностей. В раковой клетке, наоборот, начинается процесс прогрессирующего деметилирования динуклеотидов CpG, которые располагаются в участках генов, соответствующих кодирующей части. С другой стороны – и это кажется нам гораздо более существенным, – CpG-островки становятся метилированными, и это гиперметилирование CpG-островков приводит к транскрипционному сайленсингу контролируемых ими генов.

В течение последних лет был выявлен механизм, с помощью которого происходит этот феномен, но причины развития аномального гиперметилирования CpG-островков неизвестны, и на данный момент разгадать мотивы или обнаружить триггеры этого развития – одна из первоочередных задач многих лабораторий, которые сосредоточили свое внимание на изучении эпигенетики рака. Зато абсолютно точно известно, что гиперметилированию подвержены гены, которые являются основополагающими для сдерживания неконтролируемой пролиферации в клетках. Это метилирование дает возможность некоторым белкам, например МеСР2 и другим членам его семейства, проявлять активность на этих метилированных островках и путем модификации хроматина подавлять экспрессию этих генов.

Эпигенетика при раке

Метилирование CpG-островка гена – супрессора опухолей было впервые описано в 1989 году, всего несколько лет спустя после открытия первой мутации онкогена. Однако если генетические повреждения стали центром научных изысканий на тему рака и монополизировали интерес онкологов, то эпигенетические повреждения начали изучаться всего несколько лет назад.

CpG, CpG-островки – участки ДНК, в которых находится большое количество динуклеотидов CpG, то есть высокий процент цитозина (С), за которым следует гуанин (G).

К идее о том, что гиперметилирование CpG-островков генов может иметь в качестве последствия их инактивацию, вернулись в 1994 году, когда было открыто, что ген Гиппеля – Линдау претерпевает инактивацию и зависит это от метилирования.

Хотя на самом деле настоящее начало научных исследований эпигенетической инактивации при раке было положено первопроходцами из лаборатории Стивена Б. Бейлина в Университете Джона Хопкинса (в американском городе Балтиморе) и Питера Джонса в Университете Южной Калифорнии (в Лос-Анджелесе). Ученые из обеих лабораторий открыли, что метилирование CpG-островка в гене pl6INK4a – общий механизм инактивации при раке. После этого открытия использование мощных и эффективных технологий дало этим научным работам новый импульс.

Вначале существовала гипотеза, что единственным отклонением в эпигенетическом профиле было тотальное гипометилирование, открытое Эндрю Фейнбергом, также работающим в Университете Джона Хопкинса. Он писал о тотальной потере метилирования генома, которое может повлечь за собой массивную экспрессию многочисленных онкогенов.

Механизмы модификации хроматина – группа белков, которые присоединяют химические группы к хроматину или удаляют их, влияя на его функционирование.

Идея о том, что геном раковой клетки утрачивает свое содержимое в метилцитозине, в основном верна, что было подтверждено на практике. А популярность концепции деметилирования онкогенов, ведущее к их активации, наоборот, сошла на нет. Это объясняется тем, что тотальное деметилирование, которое происходит при раке, воздействует на сами гены больше, чем на CpG-островки, большая часть которых остается деметилированной в обычной клетке. Фактически большинство CpG-островков деметилировано, за исключением импринтированных генов. Открытие гиперметилирования большей части генов – супрессоров опухолей открывает дверь в новую область эпигенетических исследований.