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

Автор книги: Манель Эстейер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

CpG-островки

Динуклеотиды CpG в человеческом геноме были сокращены до наименьшего возможного количества по статистической причине: считается, что в процессе эволюции зародышевой линии, которая превращает метилцитозин в тимин, приняло участие спонтанное дезаминирование – химическая модификация. Однако половина промоторных зон генов содержит участки, насыщенные CpG – уже так часто упоминавшимися CpG-островками. Хотя большинство островков связано с генами, которые экспрессируются повсеместно (гены «домашнего хозяйства»), какие-то из них находятся на генах с тканеспецифичной экспрессией. Вопрос о том, как и каким именно изменениям подвергается метилирование тканеспецифичных генов, до сих пор не решен.

Нормальные CpG-островки не метилированы ни на какой стадии развития, что способствует отдельной экспрессии генов, если соответствующие транскрипционные факторы на месте и структура хроматина не препятствует процессу. В трансформированной или злокачественной клетке некоторые CpG-островки генов-супрессоров опухолей становятся гиперметилированными, и говорим мы, возможно, о феномене, который прогрессирует, в отличие от мутации, которая появляется внезапно. Возможно, окончательному формированию гиперметилирования, необходимого для транскрипционного сайленсинга, предшествуют волны необратимого гиперметилирования.

Гиперметилирование

Две очевидные теории были выдвинуты для объяснения отклоняющегося от нормы метилирования de novo. Первая гипотеза утверждает, что нарушенное метилирование в качестве точки отсчета имеет нормальные центры метилирования, окружающие CpG-островок, который в обычной клетке, как правило, не метилирован. Вторая предполагает, что первый очаг нарушенного метилирования появляется и действует как центр, из которого происходит разрастание метилирования.

Другой интересный вопрос, который нас волнует: почему некоторые островки оказываются метилированными.

Одно из возможных объяснений кроется в том, что DNMT не могут распознать правильные последовательности и метилируют островки, которые обычно ими не воспринимаются. Эти спекуляции порождают важный вопрос: почему в раковых клетках некоторые CpG-островки оказываются гиперметилированными, в то время как другие не метилируются вообще?

Механизмы клеточной селекции, то есть эволюции клеток не на уровне организмов и не на уровне видов, а внутри наших тканей, приходят на помощь, чтобы объяснить этот момент.

Эволюция и естественный отбор в опухолях

Каждая раковая опухоль обладает собственной вселенной, со своими собственными законами внутри организма, в котором она растет. Опухоль – изменчивое создание и обладает куда большей способностью к пролиферации, чем организм, который она поражает, потому что клетки опухоли решили нарушить законы, которые регулируют рост и запрещают бесконтрольное деление, нормы, которым подчиняются клетки этого организма. Скорость событий, которые происходят в опухоли, дает возможность наблюдать феномен эволюции в небольшом масштабе и в реальном времени и способствует пониманию механизмов опухолевой эволюции, что в будущем поможет нам победить этот недуг.

Эволюция, как мы уже убедились, управляет судьбой всех живых существ в любых условиях. Поэтому естественный отбор действует даже в небольшом масштабе, внутри опухоли. Опухолевая клетка во многих случаях становится жертвой неконтролируемой деятельности DNMT, что приводит к гиперметилированию CpG-островков многих генов. Это гиперметилирование предполагает транскрипционный сайленсинг гиперметилированного гена или, другими словами, гиперметилированный ген перестает экспрессироваться. На данный момент причины, по которым DNMT начинают метилировать определенные CpG-островки, неизвестны.

Однако совершенно очевидным представляется то, что гиперметилирование одних генов имеет большее воздействие, чем гиперметилирование других: влияние нарушенного метилирования ДНК различно в зависимости от генов, которые ему подвержены, так как очевидно, что когда метилированы гены, не имеющие никакого отношения к пролиферации, влияние заметить невозможно.

В этих ситуациях ткань не обогащается клетками с нарушенным метилированием, потому что метилирование в этих генах не дает никакого преимущества, так как речь идет о генах, незначительных с точки зрения пролиферации. Но некоторые гены необходимы, чтобы обязать клетки уважать законы организма. Необходимы, например, гены, которые в условиях нормального функционирования не позволяют клеткам бесконтрольно делиться. Другие гены, также очень нужные организму, отвечают за сведение до минимума риска мутации, которая может угрожать функционированию системы. Гиперметилирование всех этих генов выключает их экспрессию, и, как следствие, клетка превращается в раковую.

Например, ген BRCA1 гиперметилирован в опухолях молочной железы и яичника исключительно потому, что в этих опухолях отсутствие РНК гена BRCA1 имеет важные последствия, которые не выявляются в других тканях.

Похожее объяснение можно найти в случае с геном MLH1: эпигенетический сайленсинг этого гена бывает исключительно в опухолях толстой кишки, желудка и эндометрия, но его инактивация дает преимущество в этих тканях, мы объясним это далее. Эту дарвиновскую концепцию подтверждают классические генетические исследования. Мутации гена BRCA1 преобладают в опухолях яичников и молочной железы. В свою очередь, мутации в MLH1 происходят при колоректальном раке, раке желудка и карциноме эндометрия: существует идеальное соотношение между миром генетики и эпигенетики.

При изучении профиля метилирования опухолевой ткани оказывается, что все эти гены, важные для поддержания клетки в строю, гиперметилированы. Метилирование дало опухолевым клеткам преимущество перед неметилированными. В данном случае метилирование можно сравнить с воздействием мутаций, потому что они передаются из поколения в поколение.

Наконец, стоит напомнить, что рак – такая же болезнь, как и другие, с множеством путей развития и генных повреждений, которые необходимы, чтобы управлять развитием опухоли. Так что фенотип одной раковой клетки является следствием как минимум двух типов обстоятельств: генетических изменений (выраженных мутациями, делециями, расширениями или перемещениями участков ДНК) и эпигенетических отклонений, которые изменяют наследование состояний генной экспрессии. Последние обусловлены в основном формированием хроматина вокруг начальных точек генной транскрипции, связанных с метилированием CpG-островков, что происходит и в случае эпигенетических повреждений.

Метилотипы рака

Наличие гиперметилирования CpG-островков влияет на гены, задействованные в клеточном цикле (pl6INK4a, pl5INK4b, Rb, pl4ARF), в репарации ДНК (BRCA1, hMLHl, MGMT), в канцерогенном метаболизме (GSTP1), в межклеточном соединении (CDH1, CDH13), в апоптозе (DAPK,TMS1) и т. д.

Делеция – особый тип структурной хромосомной аномалии, который заключается в удалении участка ДНК из хромосомы.

На протяжении последних трех лет количество идентифицированных генов, гиперметилированных при раке, значительно увеличилось. Действительно, изучение эпигенетически инактивированных генов при онкозаболеваниях стало так же важно, как и изучение генов, инактивированных из-за мутаций. В результате стали появляться лаборатории, которые занимаются охотой на новые метилированные гены, так как характеристика того, что называется «метилотип» при разных типах рака, стало приоритетным объектом изучения.

В последние годы начали использовать анализ мутаций, например маркеров рака, в целях диагностики. Метилирование CpG-островков, возможно, вскоре станет очень ценным маркером. Одним из его преимуществ (по сравнению с использованием генетических маркеров, которые появляются в разных местах) является то, что гиперметилирование всегда происходит в одной конкретной зоне. Кроме того, обнаружение гиперметилирования – хороший знак как маркер аккумуляции нормальных клеток, в то время как генетическое отклонение сопровождается фоновым шумом, который усложняет его обнаружение. Три клинические процедуры выигрывают от маркеров, основанных на гиперметилировании: обнаружение, определение доброкачественности опухоли и лечение.

Анализ аберрантного метилирования CpG-островков многих генов позволил получить карты с профилями метилирования генов в различных тканях. Эти карты содержат только неметилированные гены в здоровых клетках. Появление быстрых и простых методов обнаружения гиперметилирования генов может использоваться как орудие для выявления раковых клеток в лимфатических узлах, слюне, моче и семени. Таким образом, мы получаем ДНК из этих легкодоступных образцов, а статус метилирования CpG-островков может быть использован для определения наличия раковых клеток. Возможность выявить гиперметилирование из жидкостей или плазмы онкопациентов побуждает академические организации объединиться в консорциумы для изучения и разработки новых маркеров для использования в клинических целях.

А сейчас повторим

Метилирование происходит только в контексте CpG?

Последние исследования, проведенные на уровне полных геномов, позволяют утверждать, что в определенных типах клеток, например в клетках нервной ткани, происходит метилирование не только цитозина, за которым следует гуанин (CpG), но и в других контекстах, например цитозина, за которым следует аденин. Это будет важно в момент определения, с какими именно белками объединится эта метилированная ДНК.

Почему метилирование ДНК способно подавлять гены?

Метилирование ДНК способно блокировать факторы транскрипции (объединения определенных белков), не-

обходимые для активации гена. Кроме того, метилированная ДНК может служить плацдармом для рекрутирования других белков, которые действуют как репрессоры транскрипции.

Всегда ли метилирование связано с репрессией генов?

В целом метилирование ДНК связывалось с тем, что гены выключены и подавлены. Хотя на некоторых участках оно связано с большей активностью гена.

Глава 12
Лекарства, перепрограммируюгцие опухоли

Что такое эпигенетическая терапия? В онкогенезе, то есть в формировании опухоли, эпигенетическая инактивация генов с помощью метилирования ДНК – такой же важный механизм, как и их инактивация из-за мутации.

Недавно ученые из британского Института исследований рака с базой в Саттоне (Лондон) заявили, что эпигенетическая инактивация генов – это большая движущая сила, чем инактивация генетическая. По их словам: «This is Just a mayor, mayor way in which tumors turn off genes they don’t want expressed» («Это как раз главный способ, которым опухоли выключают гены, экспрессия которых нежелательна»). То есть как будто бы опухолевая клетка сама выбирает гены, которые не должны быть экспрессированы, чтобы быть более онкогенной. Это утверждение показалось бы еретическим всего несколько лет назад, но в настоящее время большая часть исследователей признает, что метилирование ДНК (которому отведено много места в «Базовом пособии по эпигенетике») и, следовательно, хроматина играет центральную роль при раковых заболеваниях.

Ингибиторы DNMT

Таким образом, метилирование CpG-островков также является кандидатом на точку приложения терапевтического лечения опухолей, и поэтому использование препаратов, которые вызывают прогрессирующее деметилирование, стало точкой отсчета для новых методов лечения.

До этого момента внимание исследователей было сконцентрировано преимущественно на методах лечения, основанных на обратимости метилирования как способе запустить гены, которые были инактивированы метилированием. Эта обратимость контролируется с помощью ингибиторов DNMT. Однако необходимо понимать, является ли ингибирование метилирования ДНК токсичным для клеток, так как оно влияет на все метилированные гены.

Конечно, метилирование ДНК важно для развития организма, и лишение одной из трех известных нам DNMT смертельно для мышей, возможно, потому, что деятельность DNMT жизненно необходима в процессе эмбрионального развития. Однако, кажется, они менее значимы для взрослого организма, так как в основном их функция заключается в поддержании инактивированного состояния той части генома, которая должна оставаться неактивной. Поэтому в случае взрослой особи препараты, способствующие деметилированию, имеют менее ощутимое воздействие на дифференцированные клетки, чем на находящиеся в состоянии пролиферации, коими являются опухолевые клетки.

Децитабин

Одним из таких деметилирующих лекарств, применяемых уже много лет, является децитабин – молекула, структурно схожая с цитозином, но отличающаяся от нее тем, что она не может превратиться в 5-метилцитозин после внедрения в ДНК в процессе репликации. Результат использования децитабина – тотальное деметилирование, следствием которого является реактивация многих генов. Еще один ингибитор метилирования – прокаинамид, использовавшийся раньше для обезболивания.

Проблема тотального гипометилирования, появившаяся из-за использования этих препаратов, заключается в том, что они могут привести к отклонениям в хромосомной стабильности.

5-метилцитозин – азотистое основание цитозин, к которому присоединилась метильная группа в позиции С5.

Это стало точкой отсчета для разработки новых методов лечения, основанных на ингибировании метилирования и на деятельности гистондеацетилаз. Домен с увеличенным при раке метилированием CpG-островков редко выявляется в здоровых клетках. Совершенно естественно предположить, что гены, инактивированные метилированием, предоставляют еще один источник методов лечения опухолей.

Другие лекарства для лечения рака

Другая группа лекарств, применяемых в качестве агента химиотерапии, состоит из ингибиторов деятельности гистондеацетилазы. Они напрямую воздействуют на ацетилирование гистонов. Существует как минимум пять групп белков с функцией гистонацетилтрансферазы и более трех с функцией гистондеацетилазы.

Ингибирование деятельности гистондеацетилазы приводит к гиперметилированию гистонов, так как ингибиторы не воздействуют на гистонацетилтрансферазы (ферменты, отвечающие за ацетилирование гистонов). Мы должны помнить, что ацетилирование гистонов связано с транскрипционной активностью (больше ацетилирования – больше транскрипции, и наоборот).

Гистонацетилтрансфераза – фермент, ответственный за ацетилирование остатков гистонов.

Следовательно, ингибирование гистондеацетилаз приводит к реактивации транскрипционной активности. Проблема в том, что деацетилированное состояние связано не только с метилированными, но и с другими генами, и поэтому лечение препаратами – ингибиторами деятельности гистондеацетилаз имеет множество побочных эффектов. Фактически использование таких ингибиторов воздействует на пролиферацию опухолей и в некоторых случаях влияет на запрограммированную гибель клеток.

Некоторые из этих препаратов, например бутират и фенилбутират, используются уже много лет, и было доказано, что самые большие проблемы, которые сопровождают использование этих лекарств в качестве ингибиторов метилирования и гистондеацетилазы, – воздействие на все гены без разбору и токсичность этих препаратов. Поэтому будущее эпигенетической терапии должно ориентироваться на реактивацию только пораженных генов.

Гистондеацетилазы – белки, которые удаляют ацетильные группы с гистонов.

Транскрипционная активность, или активность генов, обозначает «включенное» или «выключенное» состояние гена. Когда ген активируется, начинается транскрипция, то есть копирование последовательности на РНК.

Лекарства будущего

Как мы убедились, эпигенетическое лечение продвигается в направлении к активации генов, которые были выключены метилированием, посредством лекарств, способных направленно деметилировать пораженные гены. На данный момент некоторые фармацевтические компании уже исследуют возможность направленно включить или реактивировать гены, выключенные метилированием.

Поэтому, возможно, будущее эпигенетической терапии зависит от успеха этих разработок, которые позволят направленно реактивировать гены, выключенные по ошибке, без изменения – и это чрезвычайно важно – профиля экспрессии других генов. С другой стороны, с каждым разом мы все лучше узнаем мутации, присутствующие в человеческих опухолях, и значение этих открытий невозможно переоценить, так как уже доказано, что некоторые из этих мутаций влияют на гены, регулируемые эпигенетикой. Хорошая новость заключается в том, что многие из злокачественных опухолей, являющихся носителями повреждений специфичных эпигенетических генов, могут быть более чувствительными к описанным медикаментам или к другим разрабатывающимся новым лекарствам, подавляющим деятельность гистонметилтрансфераз и блокирующим бромодомены, которые являются ключевыми участниками упаковки ДНК в ядре. Надежды на успех лечения этими лекарствами больше при опухолях мягких тканей, например саркомы, и детских опухолей, подобных нейробластоме.

А сейчас повторим

Какие сейчас существуют способы лечения рака?

В зависимости от опухоли существуют различные типы лечения, многие из которых известны широкой публике:

• Хирургия: удаление опухоли.

• Радиотерапия: использование излучения с целью уничтожить канцерогенные клетки.

• Химиотерапия: использование химических веществ.

• Иммунотерапия: например, использование антител.

• Гормональное лечение: рост некоторых опухолей зависит от определенных гормонов, и их блокировка поможет избежать роста опухоли.

Это только некоторые технологии, применяемые довольно часто. Конечно, наука день ото дня двигается вперед, к победе над раком, и новые открытия случаются постоянно.

Была доказана способность эпигенетических лекарств лечить раковые заболевания крови. Почему они не так эффективны при раке тканей человеческого тела?

На данный момент существует множество эпигенетических лекарств, одобренных для лечения некоторых типов лейкемии и лимфомы. Более того, на стадии доклинических исследований находятся другие молекулы, которые действуют на уровне других компонентов эпигенетического аппарата и могут служить для лечения не только лейкемии и лимфомы, но и саркомы или нейробластомы – самых частых педиатрических опухолей.

Следующим шагом будет использование этих эпигенетических лекарств для лечения тканевых опухолей. В отличие от лейкемии, тканевые опухоли более разнообразны, более сложны, так что в этой области будет крайне полезна комбинация эпигенетических лекарств с другими лекарствами, которые уже являются частью терапевтического арсенала.

Какими будут эпигенетические лекарства в будущем?

Как мы уже говорили, проблема эпигенетических лекарств заключается в отсутствии избирательности (они действуют на все клетки, опухолевые они или нет, и влияют на весь эпигеном, а не только на поврежденные участки). Ученые работают в направлении создания лекарств и способов лечения, которые смогут управляемо выполнять свои функции и только на тех участках, где появилось эпигенетическое отклонение, которое привело к появлению болезни.

Эпилог
Эпигенетика – молодая наука: вся правда пока еще не раскрыта полностью

В то время как генетика, кажется, уже состоялась как наука, эпигенетика находится в стадии созревания. Однако, несмотря на ее молодой возраст, хочется верить, что все же большая часть открытий уже сделана, хотя многое еще предстоит. Невозможно отрицать, что мы продвинулись довольно далеко – от первых идей Уоддингтона о существовании наследования, связанного не только с ДНК, до современных технологий массового секвенирования эпигенома.

На сегодняшний день эпигенетика как дисциплина признана по всему миру, и достижения тех, кто посвятил себя этой науке, публикуются в самых престижных научных и медицинских журналах. Но многие из нас все еще помнят моменты, когда наши коллеги на конгрессах использовали время представления эпигенетических данных для походов в туалет… Сейчас же конференции по эпигенетике – «звезды» биомедицинских конгрессов, с залами, всегда заполненными публикой.

Секвенирование – метод молекулярной биологии, позволяющий распознавать последовательность нуклеотидов, которые составляют участок ДНК.

И мы, испытав на собственной шкуре и то и другое отношение, говорим себе: «Не надо впадать в крайности, господа». Безусловно удивляет тот факт, что ученые, которые недавно презирали эпигенетику, сейчас являются ее самыми убежденным последователями. Последователями, от которых на всякий случай лучше держаться подальше.

Так что, как же все-таки относиться к эпигенетике?

Здесь все просто. Давайте не будем приписывать ей те функции, которых она очевидно не выполняет, но и забывать о реальных достижениях тоже не стоит.

И конечно, будем скромными, но амбициозными в свете того, что нам еще остается сделать и что мы должны будем доказать экспериментально, поскольку действительно каждый день бросает нам новые вызовы и с каждым шагом полученные результаты порождают новые вопросы.

Какие же новые вызовы нас ждут впереди?

Сегодня, например, мы знаем, что кроме уже описанного метилирования ДНК существует еще одно, так называемое гидроксиметилирование, функции которого изучены мало. Возможно, оно играет важную роль в мозговой деятельности, в стволовых клетках и в лимфоцитах, а его теоретическая роль, скорее всего, заключается в посредничестве при физиологических изменениях в процессе перехода последовательности ДНК из метилированного состояния в деметилированное.

Мы знаем также, что гены, задействованные в гидроксиметилировании, называются ТЕТ1 и ТЕТ2 и мутируют при лейкемии, так что эта новая эпигенетическая метка, возможно, также играет не последнюю роль в развитии патологий у человека. И весьма вероятно, существуют еще более редкие эпигенетические модификации ДНК.

Так что один из вызовов, которому однозначно стоит посвятить себя эпигенетикам в ближайшие годы, – узнать как можно больше о гидроксиметилировании, его возможной роли в прогрессе эпигенетики и в решении нашей самой главной задачи: добиться, чтобы эпигенетика становилась все в большей степени дисциплиной, направленной на предотвращение и лечение патологий, которым подвержены люди.