Когда ретровирус захватывает половую клетку, он действует как паразит, и геном носителя начинает борьбу против его нападения. Эта борьба продолжается даже в том случае, если защитникам приходится то и дело менять оружие, когда вирусный геном уже колонизировал зародышевую линию и создал вирусные локусы в хромосомах. Антитела уже не будут эффективны против такого генома, поэтому в дело вступят другие приемы деактивации вирусных локусов, например эпигенетическое глушение, о котором я расскажу подробнее в следующей главе. Но такие эпигенетические меры, как метилирование вирусных локусов, не являются окончательным решением для подавления патогенного вируса. Для постоянного глушения потребуются мутации - либо наносящие вред вирусным генам и регуляторным регионам, либо вводящие нежелательные генетические последовательности в вирусный геном. В то же время постоянное присутствие вирусного генома в зародышевой линии носителя, зачастую в виде множества копий, распределенных по хромосомам, вводит новые возможности для симбиотического генетического взаимодействия между двумя разными геномами. С течением времени количество таких возможностей возрастает.
Обратите внимание: несмотря на то, что вирус и его носитель являются независимыми субъектами эволюции, они знакомы друг с другом. Более того, они имеют общую паразитическую историю, в течение которой вирус сумел создать множество стратегий для манипулирования иммунной системой носителя и физиологией его клеток. Во всех этих стратегиях важную роль играет вирусная оболочка, кодируемая вирусным геном env. В то же время человеческий геном, и в частности его защитные системы (некоторые из них являются неизменными, а некоторые - крайне изменчивыми и адаптивными), также разработал много способов отслеживания и обезвреживания вирусов, их инородных белков и генов.
В рамках локусов ЭРВЧ, которые представляют собой целые геномы вирусов, встроенные в человеческие хромосомы, мутации "глушат" различные вирусные гены уже многие миллионы лет. Из-за этого ранние поколения генетиков игнорировали все вирусные компоненты как "мусорную ДНК". Однако сегодня мы знаем, что многие вирусные локусы остаются активными различными способами. Ретровирусы имеют собственные регуляционные последовательности, называемые длинными концевыми последовательностями (LTR) . В вирусных локусах, встроенных в человеческую хромосому, LTR - последовательности представляют собой пограничные участки локуса - регулирующие механизмы, способные захватывать контроль над расположенными поблизости генами. Кроме того, они способны взаимодействовать с другими генетическими последовательностями, включая эпигенетические и регуляторные. Нам также известно, что большие участки генома под названием LINE и SINE структурно связаны с ЭРВЧ и, как показал профессор Вильярреал, координируют с ним свою работу. ЭРВЧ, LINE и SINE составляют примерно 45 % человеческого ДНК. Это ведет к возникновению ряда важных вопросов. Какую роль ретровирусное наследие играет в голобионтической эволюции человеческого генома, в нашей эмбриологии и повседневной физиологии, включая нашу подверженность заболеваниям?
12. Эволюция на геномном уровне
Тот факт, что естественный отбор одновременно действует и на генетическом, и на эпигенетическом уровне, еще больше усложняет задачу… Модели, которые учитывают влияние эпигенетической изменчивости… демонстрируют совершенно иную эволюционную динамику.
Эва Яблонка и Мэрион Дж. Лэмб
Когда мы задумываемся о том, как из оплодотворенной яйцеклетки появляется человеческое существо, логика подсказывает, что процесс эмбриогенеза должен подчиняться интегрированным и скоординированным механизмам контроля. Оплодотворенная яйцеклетка, или зигота, - это плюрипотентная клетка, то есть клетка, которая может развиться в любой орган или любую ткань человеческого организма. Когда зигота начинает делиться, дочерние клетки вначале сохраняют эту плюрипотентность. Если на этом этапе клетки отделяются от эмбриона, из каждой из них может развиться полностью здоровый человек. Так появляются близнецы, тройняшки и т. д. Но вскоре масса клеток разделяется надвое. Одна половина формирует полый клеточный шар, который станет плацентой, а вторая, внутри него, - плод. На этом этапе начинают действовать симбиотические эндогенные вирусы. Происходит экспрессия белков их оболочки, из-за которых плацента приобретает инвазивные, почти паразитические свойства, прикрепляется к стенке матки матери и создает своего рода клеточный интерфейс между матерью и плодом. Одновременно с этим внутренняя клеточная масса получает множество сложных сигналов, под влиянием которых происходит не только деление клеток, но и первичная дифференцировка клеток. Отдельные клетки эмбриона превращаются в предвестников различных органов и тканей.
Здесь мы сталкиваемся с загадкой: все клетки в организме имеют одну и ту же ДНК, то есть одинаковый набор генов. Следовательно, различия между органами и тканями должно определяться не совокупностью содержащихся в них генов, а чем-то иным. Исследования шведских ученых, приведенные в предыдущей главе, показывают, что разница между клетками мозга и, например, клетками печени или крови состоит в профиле экспрессии генов в такой клетке. Можно также вспомнить, что клетки каждого типа тканей экспрессируют ограниченное количество генов, которые являются типичными именно для них. Для каждого типа клеток таких генов существует около шести. Судьба клеток и их организация в сложную по форме и функциям структуру, состоящую из различных органов и тканей тела человека, контролируется так называемой эпигенетической системой.
Возможно, некоторых читателей взволновал этот пассаж. Им могло показаться, что эпигенетика - это нечто чересчур сложное. Честно говоря, мир эпигенетики до последнего времени смущал даже ученых, но проблема состояла лишь в том, что определение и область применения эпигенетики постоянно подвергались изменениям. Теперь, когда наше понимание стало более ясным, базовые принципы этой науки можно объяснить куда проще. В частности, наше понимание так называемых некодирующих РНК прояснило ситуацию настолько, что мы можем не только описать эпигенетические процессы очень простыми словами, но и ответить на оставшиеся у нас вопросы относительно неизвестных секций человеческой ДНК.
По сути, эпигенетическая система представляет собой систему контроля, регулирующую функционирование генома. Она включает в себя ряд механизмов, которые действуют интегрированным и скоординированным образом для "включения" и "выключения" генов. Однако их роль распространяется не только на гены. Эпигенетическую систему можно сравнить с дворецким, который управляет всем домом-геномом. Для того чтобы лучше понять это, рассмотрим работу отдельных механизмов.
Мы уже знаем, что ген - это последовательность, кодирующая белок, или, если говорить точнее, группу из нескольких белков. В нашем геноме содержится около 20 500 генов. Мы также знаем, что типы клеток и, соответственно, состав различных тканей и органов определяется профилем экспрессии большого количества генов. Эпигенетическая система устанавливает эти профили, контролирует, какие гены следует включить, что они делают, какое количество белка экспрессируют и т. д. Прежде чем разобраться, как это происходит, я бы хотел рассказать кое-что интересное об эпигенетической системе контроля.
ДНК, кодирующая гены и иные функциональные последовательности генома, формируется при объединении половых клеток родителей в оплодотворенной клетке, или зиготе. Эта часть вашего генома остается неизменной на протяжении всей жизни, если на нее не повлияет мутация или вирус. Но эпигенетическая система и ее регулирующее влияние могут меняться. Она может изменять свои команды в зависимости от вашей внутренней физиологии и даже от сигналов, поступающих от окружающей среды. Например, именно эпигенетическая система говорит растениям, что пришла весна. У животных, в том числе у человека, она точно так же реагирует на важные изменения в жизненных обстоятельствах, например заболевания, стресс, боль или голод. Иными словами, хотя наши гены остаются неизменными в течение всей жизни, их экспрессия в различных органах и тканях меняется в зависимости от сигналов, поступающих системам эпигенетического контроля. Более того, наш эпигеном способен учиться на собственном опыте и подстраиваться под обстоятельства. Еще более удивительно, что иногда эти изменения могут переходить к потомкам через так называемую эпигенетическую систему наследования.
Наследование эпигенетических изменений означает, что у эпигенетики имеется эволюционный потенциал. Вот почему я считаю ее одним из механизмов "геномной креативности". Более того, способность эпигенетической системы вносить регуляционные изменения под внешним влиянием создает огромные возможности для медицины. Например, в будущем могут быть разработаны терапевтические методики, направленные на изменение экспрессии генов, вызывающих заболевания.
Сегодня нам известно четыре основные системы эпигенетического контроля.
Давайте отправимся в еще одно путешествие на нашем воображаемом поезде. Мы разворачиваемся на двойном пути (ДНК), проезжаем первый экзон и останавливаемся у ближайшего участка - промотора ("переключателя" генов). Как и ранее, мы спрыгиваем с подножки, чтобы посмотреть, что будет происходить, когда за дело возьмется один из эпигенетических механизмов.
Мы слышим шум неподалеку и видим, как на горизонте появляется небольшое облачко, жужжащее, словно пчела. Это белок, называемый ДНК-метилтрансферазой. Мы видим, что облачко несет с собой крошечные группы атомов, похожие на бусины. Это метиловые группы, состоящие из атома углерода, соединенного ковалентными связями с тремя атомами водорода. На наших глазах облако присоединяет метиловую "бусину" к нуклеотиду в одной из шпал.
- Ну-ка, проверьте, что это был за нуклеотид.
- Это Ц, цитозин.
- Теперь вместе с метиловой группой он называется метилированным цитозином. Хотите верьте, хотите нет, но это простое химическое изменение - один из самых мощных эпигенетических механизмов.
Мы продолжаем следить за облаком-белком, которое движется вдоль промотора, прикрепляя к цитозину все новые и новые бусины, до тех пор пока почти все участки Ц в промоторе не оказываются метилированными.
- Вот и все, промотор закрыт. Теперь ген нельзя будет включить.
- Он закрыт навсегда?
- В эпигенетической системе нет ничего неизменного. Для того чтобы отключить его навсегда, нужно будет использовать еще и второй эпигенетический механизм. Но теперь я хочу, чтобы вы посмотрели, как метилирование может стать частью системы эпигенетического наследования. Для этого вам нужно присмотреться к нуклеотидам по соседству с цитозином.
- Ко вторым половинкам шпал?
- Нет. Мы ведь знаем, что цитозин всегда соединяется с гуанином. Смотрите на то, что рядом.
Вам нужна пара минут, чтобы распознать паттерн. За это время вы успеете рассмотреть пять или шесть шпал.
- Судя по всему, рядом с метилированным цитозином всегда находится гуанин.
- Верно. Цитозиново-гуаниновые пары являются ключом к тому, как метилированность наследуется новыми поколениями. Забирайтесь в вагон и давайте посмотрим, как это происходит.
В мгновение ока мы перемещаемся в геном половой клетки, которая как раз занимается его копированием в новый сперматозоид или яйцеклетку. Мы снова выходим из поезда, чтобы посмотреть, что произойдет с промотором во время копирования, и тут же замечаем нечто интересное.
Для начала я обращаю ваше внимание на одну из пар Ц - Г. Видно, что Ц метилирован - к нему прикреплена бусина. На наших глазах двойная спираль распадается, и начинается процесс копирования. Нуклеотиды сопоставляются друг с другом, и формируется новый путь.
Мы движемся вслед копированию от смысловой нити к новой антисмысловой и отмечаем, что каждая пара Ц - Г на смысловой нити отражается на антисмысловой как Г - Ц. Уверен, что вы ждете сюрприза.
На огромной скорости к нам подлетает очередное облако, которое, судя по всему, замечает неметилированные пары на дочерней нити, отличающиеся от метилированных на материнской. Так же быстро, как и раньше, оно движется вдоль дочерней нити, метилируя каждую пару.
- Статус метилирования передается?
- Мы только что наблюдали, как действует эпигенетическая система наследования, то есть способ передачи метилирования будущему поколению. Кроме того, благодаря нашему воображаемому поезду мы смогли подобраться поближе и увидеть кое-что интересное - как метилирование отключает экспрессию гена. Если метилирование будет наследовано следующим поколением, то и у него будет изменен профиль экспрессии генов, то есть проявится эволюционный потенциал. Иными словами, статус метилирования ведет к изменениям в наследственности. Это сила, которую я включил в свое понятие геномной креативности. Как мы видим, она выражается в том, что к уже существующему нуклеотиду, цитозину, добавляется простое химическое вещество. При этом последовательность ДНК не изменяется. Все остальные методы геномной креативности, о которых мы говорили раньше, - мутация, генетический симбиоз и гибридизация - действуют за счет изменения последовательности ДНК. Эпигенетический механизм меняет наследственность, не меняя гены. Эпигенетическая система наследования - это геномная, а не генетическая сила. Вот почему креативность в моем термине тоже геномная.
Метилирование играет огромную роль во время формирования эмбриона в матке матери. На ранних стадиях эмбиогенеза для процесса метилирования очень важна фолиевая кислота. Ее нехватка в рационе матери в первые месяцы беременности может нанести вред плоду и повышает вероятность развития врожденной спинно-мозговой грыжи. Дефекты в паттернах метилирования в разных частях генома также приводят к возникновению различных форм рака. Этот факт сегодня активно исследуется, чтобы мы могли узнать о нем больше и использовать в будущем в терапевтических целях.
Кроме того, статус метилирования может быть важен для развития патологического ожирения, которое приводит к диабету во взрослом возрасте. Некоторые исследования показывают, что эпигенетические факторы, в частности изменения в статусе метилирования в ключевых областях генома, могут играть в этом определенную роль.
- Неужели мы ничего не можем сделать, чтобы помочь самим себе?
- Можем. В отличие от генов, обладающих неизменными характеристиками, эпигенетические регуляторные системы могут меняться. Даже такая простая вещь, как регулярные занятия спортом, может сделать ваш эпигенетический код здоровее.
- Но что происходит? Кажется, мы снова куда-то едем?
- Настало время для еще одного путешествия. Я хочу, чтобы вы понаблюдали за еще одним эпигенетическим механизмом. Но на этот раз мы увидим, как двойная спираль восстанавливается во всей красе.
Наш поезд отъезжает от генома в ультрамикроскопическую область, и мы видим великолепную естественную спираль ДНК.
- На этот раз нас будет интересовать сама структура хромосомы - в данном случае человеческой хромосомы 6, содержащей крайне важный главный комплекс гистосовместимости. Первый удивительный факт, который мы откроем для себя во время поездки, состоит в том, что ранние генетики, которые усложняли жизнь Освальду Эвери, были не так уж и не правы, говоря, что белки тоже играют роль в загадке гена.
* * *
К своему восторгу, мы понимаем, что поезд может двигаться по ультрамикроскопическому ландшафту на достаточные расстояния, чтобы двойная спираль превратилась лишь в тонкую нить на горизонте. С этой дистанции мы можем заметить вещи, которых не видели раньше.
Невероятно длинная молекула ДНК не только завивается в спираль, но и обвивается второй раз более широкой спиралью вокруг каких-то странных круглых предметов, которые на расстоянии кажутся похожими на теннисные мячики, - это белки, называемые гистонами. Они располагаются группами по восемь: четыре сверху и четыре снизу. Такие группы структурированы вокруг оси - линейного белка, не похожего на фосфатный структурный элемент молекулы ДНК. Это вторичная спираль, в которой ДНК обвивается вокруг групп гистонов, пролегает по всей длине хромосомы и уходит вдаль.
Кажется, вы поражены.
- Просто невероятно, что мы можем наблюдать эту великолепную гигантскую вторичную хромосомную структуру. Если я правильно считаю, то в шестой хромосоме порядка 150 миллионов нуклеотидов.
- Куда мы едем?
- К участку, который кодирует главный комплекс гистосовместимости.
Вы поворачиваетесь ко мне с новым вопросом:
- Зачем вообще нужна эта поездка?
- Мы посмотрим на вторую эпигенетическую систему, которую называют гистоновым кодом. Как и статус метилирования, она довольно проста.
Вы выглядите сконфуженным.
- Все дело в концевых частях ко́ровых гистонов, которые эпигенетики называют гистоновыми хвостами.
Поезд подъезжает поближе к одному из участков хромосомы, где мы можем рассмотреть его структуру и строение восьми мячиков-белков, обращенных к нам. Они плотно прилегают друг к другу и к центральной оси.
Но внезапно в их плотной структуре появляется брешь. Мы видим, как нить ДНК ослабляется и мячики в группах соединяются друг с другом более свободно.
Мы подъезжаем еще ближе.
- Внимательно смотрите на группы белков.
- Из них что-то торчит… Как будто хвостики.
- Именно! Это химические хвосты.
Гистоны в группах мячиков являются белками, поэтому они состоят из длинных цепочек аминокислот. Хвосты, тянущиеся за мячиками, - это боковые цепи. Важно понимать, что они выходят за пределы вторичной спирали ДНК, обернутой вокруг гистонов. Пока мы наблюдаем за этим, жужжащее облако-белок с бусинками-химикатами снова появляется перед нами. Мы смотрим, как оно присоединяет одну из бусинок к хвосту, и вся структура тут же начинает меняться. То, что раньше было свободно расположенной группой, снова уплотняется.
- Они снова сходятся.
- Гистоны очень чувствительны к отдельным молекулам, которые прикасаются к их хвостам.
- Как насекомые к феромонам?
Теперь удивляюсь уже я.