Как эпигенетика может починить нашу память и многое другое
How new epigenetic tools could rewrite our understanding of memory and more
Matt Windsor, перевод Евгении Рябцевой
Если геном человека – это книга жизни, то эпигеном – это ее редактор. Эпигенетические метки – химические группы, активирующие и инактивирующие гены, – позволяют организму производить более 200 типов клеток с использованием одного и того же генетического кода. Развитие нейрона, например, требует инактивации трети генома.
В течение последнего десятилетия стало понятно, что эпигенетические механизмы играют особенно активную роль в мозге человека. Например, исследование руководителя кафедры нейробиологии университета Алабамы доктора Дэвида Суетта (David Sweatt), продемонстрировало, что запоминание и сохранение в памяти новой информации невозможно без эпигенетических меток. Другие исследовательские группы показали, что эпигенетические нарушения вовлечены в формирование многих неврологических заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, шизофрении, депрессии и зависимости.
По словам сотрудника факультета нейробиологии университета Алабамы доктора Джереми Дэя (Jeremy Day), лаборатория которого занимается изучением роли эпигенетических эффектов в обучении, запоминании и зависимости, практически любой нейрональный феномен может быть связан с центральным эпигенетическим программированием дифференцировки или функций клеток, либо хранения информации.
На сегодняшнем этапе стремительно совершенствующийся комплекс молекулярных инструментов предоставляет ученым возможность совершать над эпигеномом беспрецедентные манипуляции. Исследователи уже используют эти инструменты для детального изучения эпигенетических механизмов, ассоциированных с заболеваниями и хорошим состоянием здоровья. Они также проводят эксперименты, описание которых звучит как научная фантастика, например, заключающиеся в создании и удалении воспоминаний. Открытия, сделанные с помощью этих инструментов могут дать начало «новой эре эпигенетических лекарственных средств» (см. статью Джереми Дэя в Dialogues in Clinical Neurosciences). Возможно, что препараты будущего, воздействуя на эпигенетические механизмы, позволят восстанавливать возрастные нарушения памяти и излечивать наследственные заболевания, стирать неприятные воспоминания при посттравматическом стрессе и усиливать познавательную функцию.
Control-Alter-Delete
Обычно стратегии редактирования эпигенома подразумевают использование систем, основанных на CRISPR (от англ. clustered, regularly interspaced, short, palindromic repeats – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) или TALE (от англ. transcription activator-like effector – эффектор, подобный активатору транскрипции). Системы обоих типов состоят из компонентов бактериальных клеток и могут быть запрограммированы на доставку модифицирующего эпигеном фермента к определенным генам. Для инактивации гена-мишени исследователи используют такие ферменты, как ДНК-метилтрансферраза. С другой стороны, активировать ген-мишень можно путем доставки к нему такого фермента, как гистоновая ацетилтрансфераза (см. ниже).
Немного более ранняя система TALE требует синтеза специализированного белка, выполняющего роль наводящего устройства. Поэтому системы CRISPR, направляемые более легкими в производстве последовательностями РНК (см. рис. из журнала The Scientist), быстро становятся инструментом выбора. Более подробно работа CRISPR показана в анимированной врезке в конце статьи.
До недавнего времени возможности исследователей были ограничены использованием таких препаратов, как ингибиторы гистоновых деацетилаз, блокирующих эпигенетические изменения по всему геному вместо того, чтобы воздействовать на определенный ген-мишень. Такие действующие глобально препараты позволили ученым выявить корреляции между эпигенетическими изменениями и особенностями поведения и заболеваниями, но не доказать существование непосредственной взаимосвязи между этими факторами. Новые точные инструменты для редактирования эпигенома позволяют добавлять и удалять даже единичные эпигенетические метки. Это обеспечивает возможность выявления причинно-следственных связей и идентификации наиболее важных эпигенетических модификаций при определенном состоянии. Ученые также могут воспроизвести эти модификации для подтверждения своих находок. По словам Дэя, мы движемся от простой возможности наблюдения за изменениями к возможности контролируемого манипулирования и воспроизведения этих изменений.
Он поясняет это на примере выявления модификации, ассоциированной с памятью. В этом случае исследователь может задать себе следующие вопросы: «Если мы внесем такую модификацию, можем ли мы создать воспоминание? Можем ли мы имплантировать воспоминание в мозг путем изменения эпигенетического статуса?» До сих пор никто даже не мог представить себе возможность возникновения таких вопросов.
С помощью методик секвенирования генов нового поколения исследователи могут создать полный каталог эпигенетических изменений, вовлеченных в формирование, например, новых воспоминаний или развитие определенного заболевания. Эти новые инструменты позволят нам разобраться в том, какие из этих изменений наиболее важны.
Создание воспоминаний с помощью света
С помощью еще одной развивающейся технологии, получившей название оптоэпигенетика, исследователи могут регулировать процесс внесения эпигенетических изменений во времени, что исключительно важно в некоторых ситуациях. Например, ассоциированные с запоминанием информации эпигенетические изменения формируются в течение считанных минут.
Для внесения необходимого эпигенетического изменения с помощью более ранних методик требовалось несколько недель. Сегодня же исследователи имеют в своем распоряжении разработанную сотрудниками Массачусетского технологического института оригинальную систему, использующую активируемый светом белок криптохром-2 (Cry2). Этот белок помогает излюбленному модельному растению генетиков резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) изгибаться в сторону солнечного света. Под действием света молекула Cry2 изменяет свою форму и связывается с вспомогательным белком CIB1. Используя TALE в качестве системы доставки исследователи размещают белок Cry2 в непосредственной близости от гена-мишени. После этого они вводят в тот же регион белок CIB1 в составе комплекса с вносящим эпигенетические изменения ферментом. На конечном этапе в тот же регион вводится оптоволоконный кабель, соединенный с источником света. При включении света CIB1 связывается с Cry2, доставляя фермент к гену-мишени, над которым производится эпигенетическая манипуляция. Вся процедура занимает не более 30 минут. (Более подробно см. в анимированной врезке в конце статьи.)
Использование оптоэпигенетических инструментов позволяет Дэю вносить эпигенетические модификации в гены-мишени с помощью включения и выключения света. Каждый из изображенных выше световых сигналов отражает функционирование одного нейрона в головном мозге в реальном времени. Исследователи могут сопоставлять активность отдельных нейронов с определенными поведенческими событиями при обучении животного выполнению нового задания.
Доктор Дэй демонстрирует часть имеющегося в его лаборатории
оборудования для оптоэпигенетических манипуляций.
Еще одним преимуществом оптоэпигенетики является возможность ее применения к определенным регионам мозга и типам клеток, даже к отросткам нейронов, соединяющим между собой различные регионы мозга.
Стирание воспоминаний, излечение наследственных заболеваний
По словам Дэя, конечной задачей работы в этом направлении исследований является разработка новых основанных на эпигенетике терапевтических подходов. В своей последней работе, результаты которой опубликованы on-line в журнале Annual Review of Pharmacology and Toxicology, Дэй и его коллеги идентифицировали четыре направления, которые могли в первую очередь воспользоваться преимуществами эпигенетических терапевтических подходов. К ним относятся: лечение посттравматического синдрома, депрессии, шизофрении, а также нарушений познавательных функций. В каждом из этих случаев все большее количество результатов экспериментов на животных и клинических исследований указывает на эпигенетические нарушения как на фактор, стимулирующий прогрессию заболевания.
Например, согласно одной из современных гипотез, эпигенетические механизмы способствуют формированию и сохранению страшных воспоминаний при посттравматическом синдроме. Внесение изменений в эпигенетические маркеры теоретически способно ускорять угасание условного и ситуативного страха и может быть использовано в комбинации с когнитивно-поведенческой терапией.
Эпигенетические терапевтические подходы могут иметь множество других потенциальных сфер применения. Их можно использовать для инактивации мутантных генов, продуцирующих аномальные белки, такие как белок хантингтин, вызывающий развитие хореи Хантингтона. Этот же подход можно применять и в обратном направлении для активации «молчащих» генов с целью излечения других заболеваний. Несмотря на то, что мы получаем копии генов от обоих родителей, одна из этих копий (аллель) может быть инактивирована эпигенетическими метками в процессе развития. При таких заболеваниях, как ассоциированный с тяжелой умственной и физической отсталостью синдром Ангельмана, активная материнская аллель гена нефункциональна из-за мутации, тогда как отцовская аллель инактивирована. Удаление эпигенетических меток с отцовской аллели должно запустить синтез недостающего белка.
Сотрудники лаборатории Дэя особенно заинтересованы в поисках методов лечения зависимости. Они считают, что возникающие в результате воздействия наркотиков эпигенетические изменения могут сохраняться в геноме человека в течение продолжительного времени. Это может объяснить тот факт, что излечившийся от зависимости и не употреблявший наркотиков в течение нескольких лет человек может внезапно вернуться к пагубной зависимости под действием единственного стимула, например, зрительного образа. Возможность манипулировать такими изменениями стала бы действительно мощным терапевтическим подходом к лечению зависимости.
До того, как высокоэффективные эпигенетические методы терапии будут внедрены в клиническую практику, исследователям предстоит решить еще множество проблем. Идентификация точных терапевтических мишеней потребует проведения большого объема фундаментальных исследований. Исследователям также предстоит усовершенствовать методы доставки терапевтических систем, так как используемые в настоящее время при проведении экспериментов на животных инъекции и вирусные векторы неприменимы в клинической практике. Однако Дэй утверждает, что, несмотря ни на что, сегодня мы находимся на очень многообещающем этапе. Учитывая то, что эпигенетические изменения характерны для огромного количества состояний, в ближайшее время мы начнем получать ответы на вопросы, которыми специалисты задаются с незапамятных времен.
Редактирование эпигенома
Новые высокоточные методики позволяют исследователям добавлять и удалять эпигенетические метки на определенных генах-мишенях. Так как эти метки ассоциированы с постоянно увеличивающимся количеством заболеваний, в том числе депрессией и болезнью Альцгеймера, новые технологии вселяют надежду на углубление наших знаний и появление новых терапевтических подходов.
Эпигенетические «писатели»
Обычно метилирование инактивирует гены. Для метилирования определенного гена исследователи прикрепляют фермент ДНК-метилтрансферазу к молекуле-носителю, например, эффектору, подобному активатору транскрипции (TALE), запрограммированому на перемещение к гену-мишени.
Путем добавления эпигенетических меток к белкам гистонам исследователи могут повышать экспрессию генов. ДНК намотана на гистоны ка нить на катушку. Используя TALE для доставки фермента гистоновой ацетилтрансферазы, например, связывающего белка Creb, исследователи добавляют ацетильные группы к выступающим фрагментам гистонов. Это «расслабляет» гистоны, открывая центр связывания гена-мишени для усиленной транскрипции с помощью механизмов синтеза РНК.
Эпигенетические «ластики»
Удаление метильных групп с ДНК, как правило, повышает экспрессию гена. Этот процесс состоит из 2 этапов. На первом этапе ученые используют метилцитозиновую гидроксилазу. После этого для деметилирования гена они доставляют к тому же региону хомосомы тимин-ДНК-гликозилазу.
Удаление меток с гистонов снижает экспрессию генов. Исследователи доставляют гистоновую деацетилазу, такую как гистондеацетилаза-2 (HDAC2) к гену-мишени, где она удаляет ацетильные группы с выступающий фрагментов гистонов. Это закрывает доступ к гену и блокирует механизм синтеза РНК.
Оптоэпигенетика: использование света для активации и инактивации генов
Комбинирование светочувствительного белка криптохома-2 (Cry2) со специфичными к гену-мишени носителями позволяет исследователям добавлять или удалять эпигенетические метки в течение нескольких минут.
Под действием голубого света молекула белка Cry2 изменяет свою форму и связывается с белком CIB1. Исследователи используют это конформационное изменение для запуска эпигенетического механизма.
Сначала Cry2 прикрепляют к молекуле-носителю, такой как TALE, запрограммированной на перемещение к определенному гену. В то же самое время белок CIB1 связывается с эпигенетическим белком-эффектором, который в зависимости от цели эксперимента прикрепляет или удаляет эпигенетические маркеры.
Cry2 находится в состоянии ожидания около гена-мишени, в непосредственной близости от него находится и CIB1. Когда исследователи готовы к внесению эпигенетического изменения, они включают голубой свет, поступающий в зону модификации по предварительно имплантированному оптическому волокну. Под действием света молекула Cry2 изменяет свою форму и связывается с CIB1. Это обеспечивает доставку эпигенетического эффектора к гену-мишени.
С помощью вирусных векторов исследователи могут проводить изменения в строго ограниченных регионах мозга, таких как префронтальная кора, и даже в определенных типах клеток, например, допаминергических нейронах, соединяющих вентральную область покрышки в прилежащее ядро головного мозга.
Дивный новый мир эпигенетических препаратов
Несмотря на то, что они еще находятся на теоретическом этапе, препараты, способные с высокой точностью добавлять или удалять эпигенетические метки, могут иметь несколько уникальных преимуществ перед традиционными лекарственными средствами. Эти качественно новые преимущества описаны в статье нейробиолога Джереми Дэя (Jeremy Day) из университета Алабамы в Бирмингеме и его коллегами, недавно опубликованной в журнале Annual Review of Pharmacology and Toxicology.
Таблетка для применения один раз в жизни: Многие современные препараты оказывают терапевтический эффект только при продолжительном применении. Однако за счет естественных механизмов самоподдержания, обеспечивающих стабильность эпигенетических маркеров, одной дозы эпигенетического препарата может хватить на всю жизнь.
Терапия для нескольких поколений: Несмотря на то, что этот вопрос является предметом горячих споров, существуют достаточно убедительные доказательства того, что эпигенетические маркеры могут передаваться по наследству от родителей детям. Это означает, что изменение наследственного признака может помочь не только самому пациенту, но и его потомкам. Это означает появление совершенно нового типа фармакодинамики – сохранение эффекта препарата даже в отсутствие организма, испытавшего его непосредственное действие.
Терапия высокой точности: эпигенетические препараты потенциально будут обладать беспрецедентной специфичностью. Традиционные лекарственные средства как правило оказывают свое действие посредством блокирования рецепторов на клеточной мембране. Однако на поверхности одной клетки могут быть многие тысячи этих рецепторов. Эпигенетический препарат, напротив, сможет инактивировать ген, кодирующий рецептор-мишень, что позволит полностью устранить его влияние.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
29.01.2015