Несса Кэри - Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома
К сожалению, именно это, по-видимому, происходит при некоторых формах рака. При определенных разновидностях онкологических заболеваний главный репрессор претерпевает сверхэкспрессию (скажем, при различных видах рака простаты4 и рака груди5). Такая сверхэкспрессия считается негативным прогностическим фактором для больных. При некоторых видах рака крови главный репрессор мутирует, что делает его аномально активным6. Похоже, в каждом из таких случаев подавляется «не тот» ген. Отсюда дисбаланс: белки, побуждающие клетку размножаться, «обгоняют» те белки, которые обычно действуют как тормоз. Так клетку подталкивают к раковому состоянию. А препараты, ингибирующие активность главного репрессора, пока еще находятся на ранних стадиях клинических испытаний7.
Главный репрессор действует как часть большого комплекса белков[25]. Исследователи показали, что самые разные длинные некодирующие РНК так или иначе связаны с функционированием этого комплекса. Возможно, существует целый ряд способов достижения репрессивных модификаций — в зависимости от типа клетки и от ее поведения. В главе 8 мы познакомились с длинной некодирующей РНК, чья сверхэкспрессия способствует развитию рака простаты. Удалось показать, что она связывается с главным репрессором и направляет его на определенные гены, в том числе и на те, которые в нормальных условиях сдерживают размножение клеток8. Эта находка подтверждает гипотезу, согласно которой существует тонкий баланс между длинными некодирующими РНК и эпигенетическими модификаторами, а нарушение такого равновесия может оказаться опасным для клетки или для организма в целом. Подкрепляют эту гипотезу и схожие данные о связывании длинной некодирующей РНК, участвующей в процессах возникновения деформаций скелета и развитии целого ряда форм рака (мы обсуждали эту РНК в той же главе). Данная РНК связывается с комплексом, содержащим главный репрессор, а одновременно — с другим эпигенетическим ферментом, способным вызывать дополнительную репрессивную модификацию9.
В этом объяснении как бы подразумевается, что длинная некодирующая РНК транскрибируется на гене, чьи гистоны атакуются главным репрессором или другими эпигенетическими ферментами (или же она транскрибируется рядом с этим геном). Трудно выяснить, как обстоит дело в реальности. Существующие данные вроде бы подтверждают: так и есть. Главный репрессор может связываться со всевозможными молекулами длинных некодирующих РНК. Комплекс, содержащий главный репрессор, способен распознавать те или иные типы гистонных модификаций — в зависимости от компонентов самого комплекса. Эти компоненты могут оказаться различными в разных клетках. «Сканируя» близлежащие гистоны, такие комплексы могут распознавать многообразные картины модификаций и усиливать их, добавляя к ним главные репрессивные модификации. А если данная область сильно насыщена модификациями, которые приводят к генетической экспрессии, этот комплекс может ингибироваться, и главный репрессор оставит гистоны в покое. Вот вам еще один пример того, что линейное мышление не всегда годится для рассуждений о том, что первично. Картина модификаций часто поддерживается или создается лишь как следствие комбинаций гистонных модификаций, уже имеющихся в геноме10,11.
Похоже, то же самое верно и для противоположного эффекта — когда активные участки остаются активными. Сообщалось о длинных некодирующих РНК, экспрессируемых на участках, где гены, кодирующие белки, находятся во включенном состоянии. Эти длинные некодирующие РНК остаются прикрепленными к тому геномному региону, где они вырабатываются. Тем самым они, вероятно, образуют своего рода третью нить в дополнение к двойной спирали ДНК. Эти длинные некодирующие РНК связываются с ферментами, которые нацепляют на ДНК метильные модификации. При этом такие РНК останавливают работу этих ферментов. А значит, гены данной области по-прежнему остаются в активном состоянии12.
Если вы неактивны, вы остаетесь неактивны
Xist-РНК, играющая, как мы уже знаем, главную роль в подавлении экспрессии одной из X-хромосом женской клетки, оказалась одной из первых длинных некодирующих РНК, о которых стало известно, что они обладают какой-то функцией. Неудивительно, что именно ее взаимодействие с эпигенетической системой удалось показать наиболее отчетливо. По мере того, как Xist-РНК распространяется вдоль X-хромосомы, она привлекает другие белки. Многие из них — эпигенетические ферменты, которые добавляют химические модификации либо к ДНК, либо к гистону. В число этих ферментов входит главный репрессор гистонов, а также ферменты, которые пристраивают метильные группы к ДНК13. Они порождают эпигенетические модификации, усиливающие подавление генов и в конечном счете приводящие к гиперкомпактизации X-хромосомы и образованию тельца Барра (мы встречались с ним в главе 7).
Может показаться странным, что эпигенетические модификации после клеточного деления всегда вновь появляются на нужной X-хромосоме. Приведем один довольно наглядный пример не из мира клеток. Допустим, у вас есть две бейсбольные биты. Одну из них вы покрыли магнитной краской (будем считать, что такая краска — аналог Xist-РНК). После того, как краска высохла, вы бросили обе биты в трубку с маленькими железными дисками. Одна сторона каждого диска покрыта мельчайшими крючочками, как часть застежки-липучки. Эти диски будут изображать эпигенетические белки, которые связываются с участком хромосомы, покрытым Xist-РНК. Такие диски будут прилипать к бите с магнитным слоем, а не к другой. Затем вы извлечете эти биты (вместе с дисками, прилипшими к одной из них) и бросите их в трубку с красивыми цветочками из ткани, к каждому из которых прикреплена часть застежки-липучки, но уже с петельками, а не с крючочками. Это аналог модификаций. Разумеется, цветки будут прилипать лишь к бите, которую вы покрыли магнитным слоем, несмотря на то, что сами цветки не способны ни к чему примагничиваться.
Можно продолжить этот несколько чудноватый мысленный эксперимент. Даже если вы снимете цветки с биты и затем бросите ее в еще одну трубку, содержащую цветки с липучками-петельками, она снова покроется этими цветками. Можете даже ободрать с нее все диски, но если вы затем снова окунете магнитную биту сначала в первую, а затем во вторую трубку, такая бита все равно покроется цветками.
Собственно, сделать так, чтобы эта бита не покрылась цветками после погружения в две трубки, можно единственным способом — счистить с нее магнитную краску. По сути, именно это и происходит, когда женский организм вырабатывает яйцеклетки. Все инактивирующие метки удаляются с X-хромосом и из всех дочерних клеток. Иными словами, все яйцеклетки становятся «чистыми» — в том смысле, что они не передают инактивацию своему потомству. «Магнитную краску» придется заново нанести на одну из X-хромосом в ходе ранней стадии развития эмбриона.
Как заставить древних чужаков хранить молчание
Длинные некодирующие РНК явно взаимодействуют с эпигенетическими белками и помогают организму регулировать их функционирование. Впрочем, не стоит думать, будто это единственный путь, каким генетический мусор общается с эпигенетической системой. Вовсе нет. Мы уже видели в главе 4, что человеческий геном давно захвачен огромным количеством повторяющихся ДНК-последовательностей. Мы уже знаем, как важно поддерживать их в отключенном состоянии. Некоторые исследователи предполагают даже, что эпигенетический контроль экспрессии генов мог изначально возникнуть именно для того, чтобы держать в узде определенные мусорные области14. По их мнению, эпигенетическая система лишь позже вошла на новую для себя территорию регуляции нормальных эндогенных генов.
Впечатляющий пример взаимодействия между мусорной ДНК, эпигенетической системой, внешностью и поведением млекопитающего демонстрирует одна из генетических линий мышей — вполне жизнеспособная линия, полученная при скрещивании с желтыми агути. Все мыши этой линии генетически идентичны, но по виду весьма сильно отличаются друг от друга. Одни — толстые и желтые, другие — худые и бурые, а некоторые — нечто среднее. Такие различия во внешности вызваны различным протеканием процессов эпигенетической регуляции мусорной области ДНК. У этих мышей повторяющийся элемент ДНК-последовательности встроен в геном, где предшествует определенному гену. Этот элемент может случайным образом подвергаться метилированию, причем в различной степени. Чем сильнее метилирование, тем больше подавляется активность повторяющегося элемента ДНК-последовательности. А это, в свою очередь, влияет на близлежащий ген16. Именно уровни экспрессии этого гена в конечном счете и определяют, насколько толстой и насколько желтой будет мышь. Это упрощенно показано на рис. 9.1.
