Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Био/​мол/​текст
  • Vitacoin

ПДД для генов

Управлять активностью генов помогают «светофоры» в ДНК

Кирилл Стасевич, Наука и жизнь (nkj.ru), по материалам пресс-службы МФТИ.

Любая живая клетка должна постоянно реагировать на меняющиеся условия вокруг себя и в самой себе. А это значит, что ей нужно постоянно то включать одни гены, то выключать другие, то слегка понизить активность у третьих и т. д. С другой стороны, в теле отдельно взятого человека существует великое множество самых разных клеток – мышечных, нервных и пр. – у которых один и тот же набор генов: ведь принадлежат они одному и тому же индивидууму. Совершенно понятно, что у разных клеток при этом работают разные гены, причём одни почти всю жизнь молчат, а другие почти всю жизнь работают. Иными словами, у живых организмов должны быть очень эффективные и разнообразные инструменты для управления своей ДНК.

Информация, хранящаяся в генах, активируется в несколько разных этапов: сначала на гене – то есть на фрагменте ДНК – синтезируется его копия в виде молекулы РНК; затем с этой РНК происходят разные молекулярные модификации; затем её подхватывают белок-синтезирующие машины и собирают на ней полипептидную цепь – в соответствии с инструкциями, записанными в РНК. 

На каждом этапе есть регуляторные механизмы. Например, синтез РНК-копии на гене (это называется транскрипцией) начинается тогда, когда с ДНК связываются специальные белки – транскрипционные факторы. Сами они могут быть активными и неактивными. Если клетка получит какой-то сигнал извне, то белок-рецептор, принявший сигнал, передаст его через ряд молекул-посредников на определённый транскрипционный фактор, который активируется и запустит транскрипцию (то есть синтез РНК) на определённом гене.

Другой механизм, тоже связанный со стадией транскрипции, называется эпигенетической регуляцией. Точнее, механизмов под этим названием скрывается несколько, и мы про них неоднократно вспоминали: к эпигенетической регуляции относят и манипуляции с гистонами – белками-упаковщиками ДНК, и работу особых молекул РНК, и модификации самой ДНК метильными группами.

CpG1.jpg

Метилирование ДНК по азотистому основанию цитозину – генетической букве С. (Иллюстрации: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ).

Эпигенетические механизмы разрешают или запрещают транскрипцию – то есть они разрешают или запрещают белкам, которые занимаются синтезом РНК-копий, работать с ДНК. Сама ДНК при этом не меняется, почему такие механизмы и называют эпигенетическими – то есть действующими поверх генетического текста. Эпигенетические методы контроля могут действовать очень долго, едва ли не всю жизнь; эпигенетическая программа может даже передаваться в другие поколения. Просто регуляторный «рубильник», который оказался в положении «вкл.» или «выкл.», остаётся в таком положении очень надолго.

Притом в работе эпигенетических способов регуляции генов есть много тонкостей. Например, если мы говорим о метилировании и демитилировании ДНК, не стоит думать, что метилирование, к примеру, это всегда «усыпление» гена, а деметилирование – активация; всё зависит от того, где метилирование/деметилирование случилось. ДНК представляет собой двойную цепь нуклеотидов – азотистых оснований, соединённых с сахаром и фосфорной кислотой; четыре вида азотистых оснований, А, Т, G, C – те самые четыре генетические буквы, кодирующие всё, что нужно для жизни. Метильные группы (CH3) чаще всего присоединяются к букве С – цитозину, причём к цитозину, рядом с которым стоит G – гуанин (динкулеотид СрG, где р – остаток фосфорной кислоты).

CpG2.jpg

Выделенная часть – CpG-динуклеотид, справа – двойная цепь ДНК.

Метильная группа может присоединяться к цитозинам, стоящим в разных местах ДНК, и действовать она в них будет по-разному. Например, если метильные группы садятся на ДНК вокруг участка, с которого начинается транскрипция (то есть синтез РНК-копии), то в таком случае ген чаще всего будет молчать. Если же метильные группы оказываются внутри гена, далеко от точки старта транскрипции, то ген тогда обычно активен.

Но и в точке начала транскрипции, и внутри гена есть много пар цитозин-гуанин, которые можно прометилировать. Одинаковы ли эти пары? Исследователи из ФИЦ биотехнологий РАН ранее показали, что если сопоставлять активность гена с метильными модификациями тех или иных цитозинов, то некоторые из пар CpG особенно тесно связаны с состоянием гена. Такие пары назвали «CpG-светофорами». 

В статье, опубликованной в журнале BMC Genomics (Lioznova et al., CpG traffic lights are markers of regulatory regions in human genome), сотрудники ФИЦ биотехнологий РАН и их коллеги из Университета науки и техники имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия), Московского физико-технического института (МФТИ), Института математических проблем биологии РАН и ряда других научных центров пишут, что метильные группы на «светофорах» лучше показывают активность генов, чем если мы будем смотреть на метилирование всего участка ДНК, будь то в зоне начала транскрипции или по всему гену.

Кроме того, авторы работы заметили, что эпигенетических «светофоров» особенно много в участках ДНК, называемых энхансерами. Последовательности-энхансеры активируют гены, но от своих генов они могут отстоять довольно далеко (мы уже как-то писали о том, как у них при своей отдалённости получается управлять подопечными генами). Энхансеры – необходимый инструмент регуляции генетической активности, и метильные группы помогают тоньше настроить регуляцию: метилы на «светофорах» в энхансерах влияют на то, как с ними будут взаимодействовать белки, отвечающие за транскрипцию гена. По словам авторов работы, «CpG-светофоры» редко мутируют – очевидно, порча светофора ввиду его особой значимости быстро вымывается естественным отбором: особь с такой мутацией не успевает оставить потомство.

Эпигенетическия регуляция вообще и метилирование ДНК в частности связано со множеством биологических процессов, и нарушения в «эпигенетике» часто приводит к тяжёлым патологиям. Аномальное метилирование ДНК можно встретить при раке, нарушении обмена веществ, сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и других заболеваниях; и многие исследовательские группы сейчас активно ищут лекарства, которые действовали бы именно на эпигенетическом уровне. Так что всё, что нам удастся узнать про это, крайне важно как с фундаментальной, так и с практической точки зрения.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Читать статьи по темам:

экспрессия генов Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Осторожно – бисфенол

Кроме негативного влияния на репродуктивную функцию, бисфенол подавляет метилирование ДНК, нарушая правильную экспрессию генов.

читать

Серотонин управляет генами

Гены, которые находятся рядом с серотонилированным гистоном, активны в большей степени, чем без серотониновой метки.

читать

Омолодить старые митохондрии

Отключение одного из белков в мышцах стареющих мышей обратило вспять возрастные нарушения работы митохондрий.

читать

Молодящиеся мыши

Ученые омолодили кожу (пока - только у мышей) и восстановили ее функции, подавив активность синтеза трансформирующего ростового фактора бета.

читать

Прорыв года

Прорывом 2018 года журнал Science назвал сочетание новых методов для детального отслеживания развития отдельных клеток под контролем ДНК.

читать