Другим механизмом эпигенетической регуляции является ковалентная модификация ядерных белков-гистонов. В настоящее время известны различные виды модификаций:

• метилирование;

• фосфорилирование;

• рибозилирование;

• убиквитинирование;

• ацетилирование.

Все они происходят в посттранскрипционной фазе и главным образом в аминокислотных остатках лизина, аргинина и треонина. Данные биохимические процессы катализируются и регулируются соответствующими ферментами и гормонами.

К каждому остатку лизина может присоединяться до трех метильных групп, в результате чего лизин может быть монометилированным, диметилированным или триметилированным. Аргинины, в отличие от лизинов, могут быть только моно– и диметилированными.

Ацетилирование гистонов связано с добавлением ацильной группы (-COCH3) к лизину ацетилтрансферазами, в то время как деацетилирование заключается в удалении ацильной группы деацетилазами. Ацетилирование лизина связано с активацией транскрипции.

Механизм изменения генной активности связан с модификацией упаковки ДНК в нуклеосомах, то есть степени ее прилегания к белковым субъединицам. Соответственно, от насыщенности гистоновых мономеров остатками фосфорной или уксусной кислоты, рибозы или небольшого консервативного белка убиквитина зависит степень «компактности» упаковки ДНК, от которой, в свою очередь, зависит степень вероятности транскрипции определенных участков генома. Этот процесс осуществляется широким набором соответствующих ферментов, также регулируемых гормонами. В данном случае механизм изменения активности генов связан с модификацией упаковки ДНК в нуклеосомах, то есть степенью ее прилегания к белковым субъединицам.

В детстве у нас были резиночки, которыми мы стреляли друг в друга, растягивая их и отпуская рядом с рукой товарища (друг был недоволен, так как резинка била по руке весьма ощутимо).

Рис. 14. Два основных механизма эпигенетической регуляции – метилирование ДНК и модификация гистонов

Если представить, что у нас в руках такая длинная резинка (наша молекула ДНК), а рядом лежат несколько катушек из-под разноцветных ниток (каждая катушка символизирует октамер – 8 белков-гистонов, мономеров, соединенных вместе). Мы наматываем немного резинки на одну катушку, придерживаем ее, берем следующую, на которую тоже наматывается часть резинки (той же самой), потом еще и еще на оставшиеся катушки… У нас получится связанная вместе конструкция, в которой катушки будут плотно прижаты друг к другу благодаря резинке. Но в случае необходимости мы сможем немного увеличить расстояние между катушками, так как резинка эластичная и может растягиваться. Напомним, что наши катушки были с разноцветными нитками, концы которых свисают их этой общей конструкции. Разный цвет этих ниток – метафора о различных химических соединениях, которыми насыщены гистоновые мономеры.

Чем более гистоновые мономеры насыщены остатками фосфорной или уксусной кислоты, рибозы или небольшого консервативного белка убиквитина (разного цвета нитки в нашем примере), тем менее компактизирована (менее сжата) ДНК и более вероятна транскрипция определенных участков генома.

То есть, чтобы рассмотреть катушку, надо растянуть резинку. Существуют различные ферменты, которые могут регулировать процесс модификации гистонов.

Третий известный механизм управления работой наших генов осуществляется с помощью микроРНК (по англ. miR). Они некодирующие, но участвуют в процессе так называемой интерференции РНК (в 2007 г. за открытие интерференции РНК была получена Нобелевская премия). Представьте себе две волны, которые идут навстречу друг другу. Когда они встречаются, обе волны исчезают, происходит интерференция (снижение амплитуды волн, их гашение). А теперь представьте, что к вам бежит маленькая волна из моря на пляж, а ее догоняет волна побольше, и в момент их слияния она становится огромной. Это тоже интерференция (увеличение амплитуды волны). Но в случае интерференции РНК нам важен именно первый пример. Итак, микроРНК может гасить активность других РНК, которые участвуют в производстве белка, таким образом влияя на экспрессию генов.

РНК-интерференция – это механизм подавления экспрессии/активности гена на стадии трансляции (синтез белка из аминокислот) либо нарушение транскрипции (перенос информации с ДНК на РНК) определенных генов. В системе РНК-интерференции принимают участие два типа малых молекул РНК – микроРНК и малые интерферирующие РНК (siRNA (англ.)). Малые РНК связываются со специфическими последовательностями других молекул РНК и повышают или снижают их биологическую активность.

МикроРНК также помогают контролировать активность и функцию гена. Они являются некодирующими РНК, которые регулируют экспрессию гена после транскрипции или после того, как протеин (белок) был обработан рибосомой. Как правило, они подавляют выработку белка путем изменения возможностей мессенджерной РНК и с помощью процесса, называемого трансляционным глушением (интерференция). Таким образом, они способны подавлять функции и экспрессию генов.

Сейчас идет бум исследований в области применения микроРНК как для диагностики, так и для лечения рака. Выявлено несколько микроРНК, которые могут подавлять активность генов, связанных с образованием различных видов опухолей, а также известны микроРНК, которые, наоборот, могут стимулировать их образование. Учитывая то, что видов рака очень много, и даже в пределах одного вида существует много вариаций, диагностика и лечение которых сильно отличаются, точное понимание механизмов управления различными микроРНК имеет колоссальное значение для онкологии в целом. МикроРНК ответственны за таргетирование примерно 30 % генов и могут влиять на подавление опухоли, апоптоз (запрограммированная клеточная гибель), клеточную пролиферацию (деление клеток) и движение клеток.

Но это не значит, что микроРНК участвуют только в регуляции опухолевого процесса, они могут играть важную роль во многих хронических заболеваниях, влиянии интоксикации различными токсичными веществами на организм, а также регулировать действие полезных веществ в питании.

По аналогии с мутациями метильные метки на ДНК и модификации гистонов, или структурные изменения хроматина без изменения нуклеотидной последовательности, получили название эпимутаций. В отличие от мутаций, эпимутации контекст-зависимы, обусловлены сигналами из внешней среды, особенно представляющими опасность и угрозу (но могут вызываться и позитивными тренирующими сигналами), и служат целям адаптации к этим сигналам. Это достигается за счет их участия в регуляции экспрессии генов.

По некоторым предположениям, частота эпимутаций может на один-два порядка превышать частоту генных мутаций, а следовательно, их вклад в наследственную изменчивость, в том числе и у человека, пока остается недооцененным.

Эпигенетические механизмы, воспринимая сигналы среды, создают внутренние каскады регуляции активности генома, способные к самовоспроизведению, усилению и передаче в поколениях. В то же время многообразие перечисленных механизмов регуляции активности генов, их взаимодействие и порой взаимное противодействие, а также наличие обратимых процессов может быть причиной снятия эпигенетических меток, в результате чего генная активность может меняться на противоположную.

Эпигенетические явления отличаются от долгосрочных физиологических адаптаций[7], обусловленных различными регуляторными процессами.

Об эпигенетических явлениях, в отличие от физиологических адаптаций, можно говорить лишь тогда, когда выявлены три основных типа молекулярных явлений (есть и другие механизмы, но пока что хорошо изучены