Эпигеномика является разделом молекулярной биологии, включает изучение стабильных наследуемых изменений экспрессии генов, которые не нарушают последовательность ДНК [1]. Термин «эпигенетика» был впервые введен в 1940-х годах британским эмбриологом и генетиком Конрадом Уоддингтоном, который описал его как «взаимодействия генов с окружающей средой, которые приводят к возникновению фенотипа» [2]. Определение это вполне актуально и сейчас, однако за прошедшие после его формулировки годы мы смогли узнать, какие механизмы лежат в основе эпигенетических влияний, как они регулируются и по каким законам отражаются в фенотипе.
К механизмам эпигенетического влияния на геном сегодня относят метилирование ДНК и РНК, ковалентную модификацию гистонов, ремоделирование хроматина, а также влияние некодирующих РНК. Эпигенетические модификации часто бывают обратимыми и обеспечивают необходимую пластичность для ответа клеток-предшественников на средовые сигналы [2].
Механизмы эпигенетического влияния
Метилирование ДНК
ДНК-метилтрансфераза катализирует добавление метильной группы (-CH3) S-аденозил-L-метионина к нуклеотидам цитозину или аденину ДНК, обычно в положении C5 островка CpG. Этот процесс регулирует транскрипцию и экспрессию генов. Процесс деметилирования осуществляется 10—11 транслокационными белками или ДНК-деметилазами, катализирующими преобразование 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин, который является промежуточной стадией пути обратно до неметилированного цитозина [3].
Гистоновые модификации
В клетках млекопитающих основной единицей упаковки ДНК является нуклеосома. Гистоновые основные белки образуют ядро, вокруг которого оборачивается ДНК. Это образование представляет собой хроматин [4]. Модификации основных гистоновых белков влияют на структуру ДНК высокого порядка, регулируя таким образом доступность ДНК для процессов транскрипции и соответственно экспрессию генов. В числе нековалентных модификаций можно выделить в первую очередь изомеризацию пролина.
Ремоделирование хроматина
Ремоделирование хроматина представляет динамическую модификацию архитектуры хроматина, которая регулирует транскрипцию через смещение и перестройку нуклеосомы. В процессе ремоделирования хроматина используется АТФ [5]. Хроматин-ремоделирующие комплексы разделяются на 4 класса: SWI/SNF, ISWI, INO80 и Mi2/CHD [6].
Влияние некодирующих РНК
Эпигенетические модификации генома отражаются в транскриптоме, той части генома, которая транскрибируется в РНК и определяет дальнейший синтез белка в процессе формирования фенотипа [7]. При этом следует отметить, что некодирующая РНК представляет >90% транскриптов в большинстве клеток. Области ДНК, которые не кодируют белки (т.е. межгенные области), могут активно транскрибироваться и участвовать в регуляции генов и известны как некодирующая РНК. Тем самым некодирующая РНК является одним из важнейших факторов эпигенетического воздействия [7].
К некодирующим относят следующие классы РНК:
— малые РНК, включающие несколько групп (miRNA, siRNA, snoRNA, snRNA);
— кольцевые РНК (cirRNA);
— длинные некодирующие РНК (LncRNAs) [8].
Отдельно следует упомянуть о влиянии CNV (вариаций количества копий гена), которые классифицируются как патогенные, вероятно патогенные, неопределенные, вероятно доброкачественные или доброкачественные. CNV может стать патогенной, если ребенок в конкретном периоде его существования (обычно раннем) вступает в контакт с патогенным фактором окружающей среды (или с определенным количеством таких факторов). Таким образом, в функционале CNV присутствует признак адаптивности, и по этому признаку CNV также можно отнести к эпигенетическим факторам [9].
Влияние эпигенетических факторов на развитие мозга
Метилирование ДНК
Метилирование ДНК является эпигенетическим регуляторным механизмом, в процессе которого происходит присоединение метильной группы к молекулам цитозина, особенно тем, которые предшествуют гуанину в CpG-островках [3]. CpG-островки находятся преимущественно в 5′ промоторной области генов, и их метилирование может ингибировать или стимулировать экспрессию соответствующего гена [3].
Статус метилирования этих сайтов регулируется скоординированной активностью ДНК-метилтрансфераз, которые добавляют метильные группы для превращения цитозина в 5-метилцитозин и в 10—11 транслокационных белков или ДНК-деметилаз, катализирующие превращение 5-метилцитозина до 5-гидроксиметилцитозина, являющегося промежуточной стадией пути обратно до неметилированного цитозина [3].
Ввиду наибольшей функциональной нагрузки и высокой интенсивности обменных процессов ДНК мозга имеет один из самых высоких уровней метилирования в организме [10]. Одной из важнейших задач эпигенетической регуляции считается управление клеточной дифференцировкой в нейроонтогенезе [10]. Деление и дифференцировка специфических стволовых клеток и последующая миграция нейронов составляют один из основных процессов нейроонтогенеза. Все эти процессы обеспечиваются динамичным эпигенетическим регулированием транскрипционной пластичности, синаптогенеза, аксонального спраутинга [11], а также навигации аксонов в процессе спраутинга [12].
Все это отражается в данных по исследованию метилома мозга, согласно которым он претерпевает значительные изменения в процессе развития [13, 14]. Влияние метилома установлено в группах генов, определяющих дифференцировку нейронов [15], нейронную пластичность [16, 17], формирование и поддержание памяти [18] и даже циркадную ритмику мозга [19]. Кроме того, имеются указания на регулировку процессами метилирования и деметилирования синаптической активности в гиппокампе [20].
Столь высокий объем регуляторных влияний предполагает существенные отклонения в развитии при их расстройствах [20]. Более того, на настоящий момент принята точка зрения, согласно которой так называемые идиопатические случаи патологии ЦНС зачастую определяются воздействиями экологических факторов, передаваемых на геном посредством эпигенетических механизмов [21].
Процесс метилирования затрагивает не только ДНК. Модификация матричной РНК (мРНК) также задействована в эпигенетических процессах [22]. Эпигенетические изменения РНК именуются эпитранскриптомом, и их наследуемость требует дальнейшего изучения. Эпитранскриптом включает более 100 типов модификаций РНК [23]. При этом мнения исследователей о возможностях модификации мРНК различаются. С одной стороны, имеются указания на возможность эпигенетического регулирования созревания мРНК на уровне как претранскрипции, путем регуляции процессинга РНК-предшественника и сплайсинга в мРНК, так и посттранскрипции путем регуляции функций рибонуклеопротеинов и белков, связывающих РНК, в трансляции мРНК. С другой, именно в мРНК отмечается минимальное количество эпигенетических модификаций [23]. Эти данные указывают на большую «защищенность» мРНК как максимально подготовленного к процессу синтеза белка носителя информации за счет уменьшения количества «точек ошибки» в процессе белкового синтеза [23].
Процесс метилирования находится под контролем уровня антиоксиданта глутатиона, это указывает на то, что окислительно-восстановительный статус нейронов может выступать в качестве центрального регуляторного переключателя при изменениях процессинга мРНК на основе метилирования [24].
Эти процессы подробно изучены при аутизме, что позволило предположить участие окислительного стресса, опосредованного влиянием факторов внешней среды, в патогенезе заболевания [25]. Также имеются указания на участие эпитранскриптома в синаптогенезе [26].
Модификация гистонов
Основной структурной единицей хроматина является нуклеосома, которая состоит из одного тетрамера H3/H4, двух димеров H2A и H2B и одной молекулы H1 [27, 28]. Модификация затрагивает гистоновые белки и происходит за счет их метилирования, ацетилирования, фосфорилирования, убиквитинирования, сумоилирования и АДФ-рибозилирования [27, 28]. На настоящий момент доказана важность модификации гистоновых белков для дифференцировки стволовых клеток в процессе нейроонтогенеза [29]. При изучении патогенеза расстройств аутистического спектра выявлено участие в нем уже упомянутых (ацетилирование лизина и др.) гистоновых модификаций [30].
Ремоделирование хроматина
Ремоделирование хроматина относится к динамическим модификациям его архитектуры, которая регулирует транскрипцию через смещение и перестройку нуклеосом. Один из белков комплекса ремоделирования хроматина — BRDG1 — подавляет сигнальный путь WNT, играющий важную роль в регулировании эмбрионального развития [5, 31]. Кроме того, ремоделирование хроматина влияет на развитие синапсов и функциональное созревание нейронов [32]. Процесс ремоделирования хроматина может регулироваться некодирующими РНК. Например, микроРНК-9 и микроРНК-124a могут ингибировать экспрессию гена BAF53a (также известен как ACTL6a), который является компонентом комплекса ремоделирования хроматина SWI/SNF [33].
АТФ-зависимые процессы ремоделирования хроматина имеют решающее значение для роста и дифференцировки нервных клеток и активации пролиферации олигодендроцитов посредством открытия областей нуклеосомы для усиления транскрипции [34]. В клеточных культурах показаны значительные перестройки хроматина в процессе созревания клеток-предшественников в зрелые олигодендроциты [35]. Семейство SWI/SNF АТФаза-зависимых ремоделеров хроматина играет решающую роль в развитии линии олигодендроцитов в перивентрикулярной зоне развивающегося мозга. Специфичный транскрипционный фактор OLIG2 может активировать комплекс BRG1/SWI/SNF для промоторов и энхансеров генов линии олигодендроцитов, таких как Sox10, для активации их транскрипции. Нарушение процессов естественной индукции созревания олигодендроцитов ведет к нарушению их дифференцировки и дисмиелинизации [36].
Приведенные данные иллюстрируют сложность процессов ремоделирования хроматина в процессе постнатального нейроонтогенеза [37].
Некодирующие РНК
МикроРНК, одна из форм малых РНК, участвующих в процессах эпигенетической регуляции, являются короткими последовательностями РНК, которые связываются с гомологичными последовательностями на транскриптах мРНК для ингибирования их трансляции. Этот процесс называется РНК-интерференция [38]. Регуляция трансляции посредством микроРНК важна для самых разных клеточных процессов, таких как развитие, пролиферация, дифференцировка, рост, контроль, гомеостаз и апоптоз. МикроРНК являются посттранскрипционными регуляторами; они связываются с нетранслируемым регионом мРНК, чтобы ингибировать трансляцию или вызвать деградацию мРНК, в результате чего трансляция белка угнетается [38, 39].
Частичная потеря функции микроРНК-137 вызывает изменения синаптической пластичности. Сверхэкспрессия микроРНК-137 определяет подавление SHANK2, важного белка, участвующего в развитии постсинаптической структуры [40]. МикроРНК-181c и микроРНК-30d регулируют активность мРНК, кодирующих белки, участвующие в развитии нейронов [41]. МикроРНК-708 подавляет ген UBE3A, играющий важную роль в развитии нервной системы и синаптической пластичности. Кроме того, эта микроРНК взаимодействует с геном NNAT, который кодирует одноименный белок, участвующий в регуляции ионных каналов во время развития мозга, и геном CAMKII, кодируемый которым одноименный белок участвует в обеспечении синаптической пластичности [41]. МикроРНК-30d нацелена на многочисленные гены, функция которых в основном связана с развитием нервной системы [42]. МикроРНК-181c активирована в амигдалярном комплексе пациентов с расстройствами аутистического спектра, и ее функция связывается с развитием нервной системы [42].
В процессе созревания олигодендроцитов в экспериментальных моделях аутизма выявлено повышение уровней miR-219, miR-138 и miR-33864. Установлено негативное влияние на дифференцировку олигодендроцитов miR-212 [43]. Еще одна такая микроРНК, miR-125a-3p, присутствует в цереброспинальной жидкости пациентов, страдающих демиелинизирующими заболеваниями. Сверэкспрессия этой микроРНК вызывала нарушение дифференцировки олигодендроцитов, тогда как ее блокирование эту дифференцировку стимулировало [44].
Таким образом, микроРНК принимает важное участие в развитии мозга. Это участие предполагает неспецифический и общий для всех микроРНК механизм блокировки генома, но в зависимости от направленности активности кодируемых белков в процессах метаболизма результатом является угнетение или активация формирования конкретных черт фенотипа.
Длинные некодирующие РНК (LncRNAs) представляют длинные последовательности РНК (более 200 нуклеотидов). Они вовлечены как в регуляцию нормального развития (дифференцировку клеток) [45], так и в патогенез [46]. Длинные некодирующие РНК могут быть очень специфично экспрессированы в олигодендроцитах; например lncOL1 и Pcdh17it были недавно определены как специфические маркеры для олигодендроцитов и незрелых премиелинизирующих олигодендроцитов соответственно [47].
Кольцевые РНК (cirRNA) являются еще одним типом некодирующей РНК. Они в изобилии обнаруживаются в мозге и могут регулировать функцию синапса [48]. В эксперименте экспрессия cirRNA возрастает в процессе развития мозга и предполагается участие ее в регулировании нейронной пластичности. cirRNA в состоянии занимать микроРНК сайты, что может предотвратить связывание микроРНК-мРНК. Их отличают стабильность [49] и большая распространенность [50]. Выполняя роль «губок» микроРНК, cirRNA участвуют в регуляции процессинга РНК — альтернативном сплайсинге, пресплайсинге и редактировании РНК [51]. Имеются данные об их участии в модуляции экспрессии родительских генов и указания на то, что белки, транслируемые cirRNA, могут быть ассоциированы с экологическим стрессом. Эта информация свидетельствует, что данный вид некодирующих РНК можно рассматривать как эффектор адаптогенеза [51].
В 2015 г. некоторые исследователи подтвердили, что cirRNA ассоциированы с синаптической функцией и в большом количестве представлены в синапсах, активных пресинаптических зонах и пресинаптических мембранах [52, цит. по [48]]. Более того, принципиально важной с общебиологической точки зрения особенностью cirRNA является их способность к транссинаптической передаче информации посредством формирования синаптосом, мигрирующих в синаптической щели от пресинаптической терминали к постсинаптической [48].
Тем самым в cirRNA можно видеть полноценный адаптивный эпигенетический фактор, оказывающий многогранное влияние на процессы онтогенеза, в том числе нейроонтогенеза, обладающий уникальной способностью транссинаптической передачи информации. Выяснение физиологической роли транснейронального дрейфа генетической информации — дело будущего, но, возможно, открытие именно этого феномена предвосхищает открытие других локальных форм регулирования активности нервной ткани.
Периодика эпигенетических модификаций в процессе постнатального онтогенеза
Эпигенетические влияния, как показывает весь опыт их изучения, обеспечивают прежде всего «оперативный» уровень адаптации организма к условиям существования. Это определяет активнейшее их участие в процессах пре- и постнатального онтогенеза [53]. Сразу после оплодотворения происходит первая волна деметилирования, «стирание» метилирующих меток родительских гамет [53]. После имплантации осуществляется первая волна метилирования de novo в развивающиейся бластоцисте, которая стимулирует клеточную дифференциацию [53]. Вторая волна деметилирования проходит в начале гаметогенеза. Первичные половые клетки проходят через деметилирование, которое начинается во время их миграции [54]. Вторая волна метилирования более продолжительная. Примечательно, что мужские гаметы достигают метилирования уровня 90% от существовавшего до рождения, тогда как ооциты увеличивают свои уровни постепенно, долго после рождения и до полового созревания, когда они снижаются примерно до 40% [54].
Типы эпигенетического воздействия в процессе онтогенеза
Прямые влияния жизненного опыта относятся к изменениям, которые происходят в жизни человека и обусловлены «прямым жизненным опытом» его адаптации к условиям существования. Это подразумевает в том числе динамическую и кратковременную регуляцию экспрессии генов, опосредованную воздействием, — почти в реальном времени, — регуляторных белков, называемых факторами транскрипции, такими как C-FOS, C-JUN, ZENK и CREB [55].
Гены, которые кодируют такие важные функциональные элементы, называются генами немедленного начала, потому что изменение их экспрессии является инициацией всего процесса и запускает каскады адаптивных событий, включая транскрипцию других генов, что в конечном итоге приводит к долгосрочным последствиям. Эти факторы регулируют гены, которые кодируют другие функциональные белки, а также различные классы регуляторных элементов, таких как некодирующие РНК, которые могут опосредовать эпигенетические процессы. Прямые и косвенные эпигенетические влияния сильно взаимосвязаны и могут перекрываться на нескольких уровнях в сложной реальной системе. Здесь мы рассматриваем их как дискретные и последовательные только из методических соображений [55].
Внутренние косвенные влияния (WIE) — внутриутробные. Начинаются с момента формирования зиготы и завершаются в момент родов. WIE охватывают все эпигенетические изменения, которые синхронно действуют на развивающийся организм. Эти влияния начинаются с того момента, когда зигота уже сформирована и начинает ощущать воздействия внешних (для нее) факторов — всех, которые более или менее косвенно могут повлиять на развитие плода от начала до конца гестации [55]. Согласно мнению исследователей, эти эпигенетические изменения передаются из поколения в поколение как эпимутации, в отличие от классических, существенно реже возникающих, генетических мутаций [56]. Примечательно, что в этом случае определенное событие имеет последствия, которые сохраняются со временем, влияя на судьбу потомства во время беременности и, самое главное, в дальнейшей жизни. Тем не менее некоторые события могут действовать как предикторы, даже когда отсрочены во времени. При этом можно говорить об эпигенетике лишь тогда, когда зафиксирована модификация гена [8].
Есть много факторов, которые индуцируют эпигенетическое влияние на плод в процессе беременности. В литературе эти влияния описываются как программирование плода [57]. Под программированием плода понимаются и принимаются все приспособления к внутриутробной среде и особенностям материнского организма, влияющие на развитие плода (или индуцирующие в нем процессы биологической адаптации) [58]. Эти процессы могут повлиять, в частности, на развитие мозга, возможно, приводя к нервно-психическим расстройствам, таким как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, синдром дефицита внимания и гиперактивности, шизофрения, биполярное расстройство, большие депрессивные и тревожные расстройства [57].
Внешние косвенные влияния (AIE, трансгенерации) — воздействие эпигенетических изменений, сложившиеся в предыдущих поколениях (как внутриутробно, так и постнатально). Очевидно, что AIE — более быстрый путь передачи наследственной информации в сравнении с генными механизмами наследования. Это изменяет наше представление об эволюции, ориентируя его от привычного и непоколебимого дарвинизма в сторону представлений Жана Батиста Ламарка. Тем не менее на настоящий момент наши знания о механизмах такого рода передачи наследственной информации явно недостаточны [58]. К косвенным подтверждениям можно отнести последствия голода в Нидерландах в 1944 г. В частности, развитие у потомков мальчиков, переживших этот период, ожирения, снижения толерантности к глюкозе и ишемической болезни сердца [59]. У некоторых из них 60 лет спустя были выявлены изменения в метилировании ДНК [60]. Имеются указания на то, что риск заболеваний выше, когда перенесенный в раннем возрасте голод сочетается с богатой калориями диетой в более позднем возрасте [61].
Трансгенерационная передача последствий психической травмы была изучена на потомках выживших в Холокосте, ветеранов боевых действий и семьях беженцев [62]. Так, у потомков беженцев из охваченного войной Вьетнама в третьем поколении был выявлен более высокий риск развития психических заболеваний [63].
Согласно устоявшимся на сегодняшний момент представлениям, внешние факторы, влияющие на организм беременной женщины, воздействуют не только на первое поколение, но и на его половые клетки, что оказывает влияние на второе поколение. Поэтому при анализе наследственности мы можем сделать выводы об эпигенетической природе тех или иных фенотипических проявлений только при анализе их в третьем поколении [63].
Воздействие на мужскую зародышевую линию проявляется уже в первом поколении, т.е. передача наследственной информации через мужские половые клетки вдвое динамичнее, чем через женские, что определяет половой диморфизм эпигенетических влияний [64].
Заключение
Главное в определении эпигенетики — это отсутствие влияния на последовательность нуклеотидов в ДНК. Представление о нерушимости генома остается одним из наиболее важных биологических постулатов. Однако всякий, для кого биология или медицина являются профессией, не может не понимать, что управление процессами адаптации без воздействия на геном, определяющий все и вся в функционировании организма, невозможно. Именно поэтому имеющиеся на сегодняшний день знания закрыли огромную брешь в понимании функционирования всего живого [1].
Особое влияние эти данные оказали на понимание общих и частных вопросов патологии человека. Сегодня понятия конституции и диатезов, детально проработанные медиками на протяжении многих веков и описанные во второй половине XIX—XX веке, приобретают новое звучание и напрямую указывают на правомочность использования такого понятия, как «наследственная предрасположенность». Данные, полученные в процессе эпигенетических исследований, кардинально меняют представление о патогенезе многих заболеваний, о влиянии опыта поколений не только на вероятность их возникновения, но и на особенность протекания [51].
Развитие под влиянием эпигенетических факторов не только предпосылок, предрасположенностей, но и конкретной патологии привело к тому, что мы вновь стали понимать патогенез как поломку онтогенеза, только не на организменном уровне, а на уровне процессов адаптации. И сегодня в свете наших познаний в эпигенетике совсем иначе представляется теория стресса именно с точки зрения основного выражения поломки адаптационных механизмов, являющейся триггером патогенеза [51].
Влияние, которое оказывают эпигенетические факторы на процессы развития всех органов и систем, обоснованно можно назвать определяющим. Конечно, мы понимаем, что развитие организма только по раз и навсегда созданной и жестко запечатленной в геноме программе обречено на неуспех хотя бы потому, что та самая жесткость генома, возможность его изменений только в процессе мутагенеза, не учитывает влияний средовых факторов на развитие уже созданного организма. И эпигенетические механизмы обеспечивают в процессе онтогенеза ту пластичность, которая в итоге оказывается решающей и ведет к успеху [2, 11].
Поскольку выживание любого организма требует его способности адаптироваться к различным факторам окружающей среды, неудивительно наблюдать эпигенетические влияния чаще, чем изменение последовательности ДНК.
Масштабы и интенсивность процесса метилирования как одного из наиболее изученных эпигенетических механизмов отражают напряженность и интенсивность физиологической активности тканей. Именно поэтому они максимально выражены в головном мозге. Поскольку головной мозг является консолидирующим центром органов и систем, центром управления процессами адаптации в самом широком их понимании, он нуждается в обеспечении максимальной пластичности. Такие же требования предъявляются к нему с точки зрения его физиологической ценности и сохранности [12]. Правильность протекания онтогенеза столь сложной системы под постоянным влиянием средовых факторов также имеет крайнюю важность и предъявляет максималистские требования к обеспечению реактивности и пластичности в реакциях на предъявляемые вызовы [41]. Хорошо известно, к сколь плачевным результатам приводит сбой нейроонтогенеза на генном уровне. Примером тому может быть большое количество пороков развития головного мозга, приводящих к бесперспективности существования человеческого организма в общебиологическом и социальном планах [10].
Эпигенетические процессы обеспечивают необходимую реактивность организма на факторы внешней среды в процессе нейроонтогенеза. Имеющиеся сегодня данные о периодичности процессов метилирования и деметилирования на этапах от образования гамет до функционирования взрослого организма говорят о том, что в «критические периоды» внутриутробного и внеутробного развития происходит «перепрограммирование» генома. Это обеспечивает поступательность и последовательность использования огромного информационного материала, погруженного в ДНК и упакованного гистонами. Этим определяется та защитно-адаптационная функция, которую эти процессы преследуют [11, 12].
Несовершенство адаптации свидетельствует либо о слишком сильном средовом воздействии, либо о несовершенстве механизмов приспособления. Поэтому многие патологические процессы и патологические состояния нами могут рассматриваться сегодня именно как «поломки адаптации», и это касается большого количества патологических состояний, начиная от расстройств аутистического спектра и заканчивая церебральным параличом [53, 57, 58].
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.