ЭПИГЕНЕТИКА - наше всё

[adrenalin]

Раньше нам уже приходилось на форуме касаться эпигенетики. Но в последние годы она становится все более актуальной. Еще лет 10 назад этот термин скромно пытался обратить на себя внимание. А сегодня начинается настоящий бум. Думаю, пора ей отвести отдельную тему. Не ругайтесь за повторение, но не все участвовали в предыдущих обсуждениях.

ЭПИГЕНЕТИКА
Пару слов о том, что это такое. Из школьного курса биологии мы помним, что есть генотип и фенотип какого-либо представителя флоры или фауны. Два генетически идентичных субъекта, развивающиеся в разных условиях, могут сильно отличаться друг от друга (будут обладать разным фенотипом). Однояйцовые (гомозиготные) близнецы могут приобрести предрасположенность к разным заболеваниям.
Так вот эпигенетика (в буквальном переводе «надгенетика») как раз и занимается изучением факторов, влияющих на формирование конкретного фенотипа.

Примеры
1. Знаете, почему фирмы, оказывающие услуги населению по клонированию домашних животных, отказываются клонировать кошечек (именно женского пола)? Да потому что не удается воспроизвести их окрас. В чем тут дело? Дело в том, что за окрас отвечает пара хромосом, которая у женских и мужских особей отличаются. У женщин ХХ (одна от матери, вторая от отца), а у мужчин XY (Х – от матери, а Y – от отца). Так вот природа посчитала, что две одинаковые хромосомы для женщины – излишество. Более того их одновременная работа вредна. В итоге одна из Х-хромосом дезактивируется. При этом выбор которую из них (материнскую или отцовскую) дезактивировать происходит случайно. В результате сохраняет активность часть материнских и часть отцовских Х-хромосом. Окрас получается пёстрым. Это – характерный пример эпигенетического воздействия на внешний вид особи.
2. А про фенотип самих клеток и говорить нечего. Здесь сплошная эпигенетика. Достаточно упомянуть, что все клетки обладают одинаковым геномом. А как при этом они сильно отличаются друг от друга! Сравним, например, клетку печени, клетку крови и нейрон. А чем же вызвано такое сильное отличие друг от друга? Да только тем, что в разных клетках заблокированы разные гены. Получается, что мы можем меняя блокировки превращать клетки друг в друга?
3. В 5-дневном эмбрионе человека все клетки одинаковые: это эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). В процессе развития происходит их специализация. Каким образом? Блокировка одних генов приводит к одной линии, других генов – к другой. В результате у клеток разных видов формируются разные профили блокировки. Если в клетках поджелудочной железы активны гены, отвечающие за выработку поджелудочного сока, то в других клетках эти гены должны быть заблокированы. Причем гены сами вырабатывают механизм блокировки. Но правильность и эффективность блокировки зависит не только от генов, но и от фона, внешних условий, в которых этот процесс происходит, то есть от эпигенетических факторов.
4. Большинство мутаций, приводящих к различным заболеваниям, в том числе раку, связаны не столько с нарушением в генах, сколько с аномальной блокировкой. Очень плотно эпигенетикой начали заниматься онкологи. Именно аномальная блокировка является причиной некоторых видов рака. Эпигенетические исследования позволяют находить способы ранней диагностики и борьбы с раком.

Эпигенетика подбрасывает новые идеи создания эликсира вечной молодости.
Мне кажется очень интересным рассмотреть эпигенетические факторы, определяющие специализацию стволовых клеток эмбриона.
1. Что определяет момент и выбор специализации стволовой клетки на каждом этапе специализации?
2. Чем определяется выбор механизма деления стволовой клетки? Когда она будет делиться симметрично, а когда асимметрично?
Может быть здесь и лежит решение задачи периодического размножения своих собственных стволовых клеток? Напомню, я ставил перед собой задачу: раз в год обеспечивать кратковременное симметричное деление стволовых клеток, позволяющее поддерживать их количество на необходимом уровне для сохранения молодости.

[Flos]

Сообщение от adrenalin

Напомню, я ставил перед собой задачу: раз в год обеспечивать кратковременное симметричное деление стволовых клеток, позволяющее поддерживать их количество на необходимом уровне для сохранения молодости.

Получается? С животными работаете?

[adrenalin]

Сообщение от Flos

Получается? С животными работаете?

Пока только теоретически. Конкретный путь пока не найден.

[pois]

Сообщение от adrenalin

Пока только теоретически.

"В теории теория от практики ничем не отличается" (шуткась)

[Flos]

Сообщение от adrenalin

Пока только теоретически. Конкретный путь пока не найден.

Две задачи, получается? Чтобы стволовые клетки продолжали делиться со скоростью, присущей молодому организму, и при этом не искажалась их информационная составляющая.

[adrenalin]

Сообщение от Flos

Две задачи, получается? Чтобы стволовые клетки продолжали делиться со скоростью, присущей молодому организму, и при этом не искажалась их информационная составляющая.

Не совсем так. Скорость деления стволовых клеток не при чем. Их главная задача - пополнять клеточные ткани организма.
Напомню, что обычные (зрелые) клетки не могут делиться бесконечно. Число их деления ограничено пределом Хейфлика:
в молодости - до 70 делений.
в среднем возрасте - до 50 делений
в пожилом - до 30 делений.
По достижении этого предела все потомство первоначальной клетки кончает жизнь самоубийством (апоптоз). А чем же тогда пополнять клеточную ткань? Стволовая клетка просыпается и подбрасывает одну клетку в ткань.
Так вот, с возрастом подбрасывать клетки в ткань надо чаще. К тому же самих стволовых клеток с возрастом становится меньше. Не успевают они своевременно пополнять ткани.
Вывод: надо как то пополнять пул стволовых клеток.
Нам известно 3 механизма деления стволовых клеток:
1. Симметричное деление: обе дочки похожи на мать. Этот механизм увеличивает количество стволовых клеток.
2. Асимметричное деление: одна дочка похожа на мать, вторая - является клеткой пополняемой ткани. Этот механизм пополняет ткань и сохраняет количество стволовых клеток.
3. Истощающее деление: обе дочки являются клетками пополняемой ткани. При этом механизме активнее пополняется ткань, но зато уменьшается количество стволовых клеток.
Первый механизм, позволяющий увеличить кол-во стволовых клеток, использовался только во время эмбрионального развития. Еще к нему организм прибегает во время очень серьезных ранений, когда нужно сильно активировать процесс регенерации. А как этот механизм запустить в обычных условиях никто не знает.

[Flos]

Спасибо, что понятно написали.
Организм нужно обмануть, что его "ждут великие дела" в смысле именно построения физического тела. В то время, как человек с возрастом обычно уменьшает физическую активность.

[Flos]

Пока не открыт путь восполнения запаса стволовых клеток, правильно питаемся и по возможности двигаемся.

Назван главный фактор долголетия
https://lenta.ru/news/2017/12/06/longevity/


Международная группа генетиков выяснила, что продолжительность жизни человека в большей степени зависит от влияния окружающей среды, чем от генов. К такому выводу ученые пришли, определив, как с возрастом меняется эпигенетическая регуляция генома близнецов. Препринт исследования опубликован в репозитории bioRxiv.
Метилирование ДНК является одним из факторов старения человека. При нем происходит модификация молекулы ДНК без изменения нуклеотидной последовательности, что позволяет отнести этот процесс к эпигенетической регуляции. К цитозину в составе СpG-динуклеотида (цитозин-гуанин) присоединяется метильная группа (СН3), что может приводить к подавлению функций определенных генов. Показано, что с возрастом картина метилирования генома изменяется. Например активируются гены, способствующие нейродегенерации, и подавляется та ДНК, что препятствует атеросклерозу.
Считается, что картина метилирования зависит от наследственных факторов. Однако ученые провели долговременное исследование которое позволило определить, какая доля этого вида эпигенетической регуляции определяется окружающей средой. Для этого они воспользовались близнецовым методом, который заключался в выявлении эпигенетических различий между близнецами, живущими в Швеции.
Средний возраст участников, численностью 385 человек, составил 69 лет. У добровольцев в течение 20 лет брали образцы крови, из которых выделялась ДНК. Генетический материал анализировали, выявляя метилированные СpG-динуклеотиды. Исследователи определили 1316 сайтов метилирования, которые связаны с возрастом, при этом ни один из них не зависел от наследственных факторов. Наоборот, с течением времени картина метилирования у близнецов-родственников становилась все более различной.
По словам ученых, результаты исследования указывают на то, что старение человека сильно зависит от стохастических (случайных) эффектов и факторов окружающей среды, а не генов. Таким образом, продолжительность жизни можно значительно увеличить, употребляя, например, здоровую пищу или занимаясь физическими упражнениями.

[adrenalin]

Сообщение от Flos

Исследователи определили 1316 сайтов метилирования, которые связаны с возрастом, при этом ни один из них не зависел от наследственных факторов.

Получается, что ДНК с возрастом обрастает лишними метильными группами, случайно облепившими её. Как корпус корабля обрастает ракушкам при долгом плавании. Но корпус корабля периодически подвергают чистке. Может быть и ДНК надо чистить от лишних СН₃?

Хочу предложить ролик. Мне очень понравился. Доступно и по делу. Только надо несколько раз слушать.

Youtu.be

[adrenalin]

Передача приобретенных признаков по наследству.
Я раньше не представлял себе, что это возможно. Как же приобретенные модификации попадут в яйцеклетку или сперматозоид? Но известны случаи, когда наследование происходило. Об одном эксперименте упомянул автор ролика.
Подробнее об эксперименте можно прочитать здесь

Переворот в генетическом мировоззрении произошел в самом конце прошлого века. Сразу в нескольких лабораториях был получен ряд экспериментальных данных, заставивших генетиков сильно призадуматься. Так, в 1998 году швейцарские исследователи под руководством Ренато Паро из Университета Базеля проводили эксперименты с мухами дрозофилами, у которых вследствие мутаций был желтый цвет глаз. Обнаружилось, что под воздействием повышения температуры у мутантных дрозофил рождалось потомство не с желтыми, а с красными (как в норме) глазами.

Ничего себе! Давайте разбираться.
Посмотрим подробнее

Вопреки давно сложившемуся представлению оказалось, что внешние воздействия, которые модифицируют эпигенетические переключатели в зародышевой линии, не полностью стираются при формировании сперматозоидов и яйцеклеток. Видимо, в определенных условиях они могут сохраняться и таким образом воздействовать на активность отдельных генов у потомков.

Жирным выделил я. Так вот в чем дело. Эпигенетические изменения должны произойти непосредственно в сперматозоиде или яйцеклетке. Хоть в зрелых, хоть на стадии их формирования в эмбрионе. Такие изменения вполне могут передаваться по наследству.

«поскольку мы целиком наследуем от родителей их хромосомы, а они лишь на пятьдесят процентов состоят из ДНК». Другую половину составляют белки, которые окружают наследственный материал и содержат в своей структуре большую часть второго кода.

Жирным выделил я. Именно в этой фразе кроется секрет эпигенетического наследования некоторых приобретенных свойств.
Действительно, если эпигенетические изменения коснутся хромосом сперматозоида, то они вполне могут перейти по наследству.

Надо сразу оговориться. Эпигенетические изменения, произошедшие в сперматозоиде или яйцеклетке, не обязательно будут унаследованы. Им еще предстоит пройти непреодолимую преграду.
Читаем там же

Правда, именно в момент слияния яйцеклетки и сперматозоида происходит первая генеральная уборка в клеточном ядре нового организма. Многие гены и группы генов, которые до сих пор были блокированы, в результате этих еще не до конца изученных процессов снова могут открываться для считывания. Другие участки ДНК, напротив, эпигеномом отключаются.

«Сразу после оплодотворения клетка полностью перепрограммируется», — утверждает генетик из Саарбрюккена Йорн Вальтер, детально изучающий этот процесс. В результате оплодотворенная яйцеклетка возвращается в некое первоначальное состояние, из которого новая жизнь может развиваться, не отягощаясь эпигенетическим влиянием родителей. «Перепрограммирование важно, чтобы клетка правильно прошла первые шаги своего развития», — говорит Йорн Вальтер. Например, у млекопитающих лишь идеально перепрограммированная яйцеклетка формирует как эмбрион, так и плаценту, которая питает новую жизнь. И только такая яйцеклетка в ходе эмбрионального развития может превращаться в любую клетку будущего организма и таким образом участвовать в формировании разнообразных органов.

До сих пор ученые полагали, что эпигенетическая генеральная уборка дает стопроцентный результат и не оставляет следов клеточной памяти родителей. Но уверенности в этом становится все меньше.

Значит, если мы хотим передать приобретенное свойство по наследству, нам надо разобраться с механизмом перепрограммирования яйцеклетки.

[adrenalin]

Чем занимается эпигенетика поможет понять картинка, которую нарисовал в 1940 г. Конрад Уолдингтон



Она мне очень нравится.
1. Представьте, что на вершине изображенного склона находится эмбриональная стволовая клетка. Она может выбрать в процессе развития или первый путь, или второй, или третий и т.д. Важно знать в какой момент времени в каких условиях она находится.
2. Точно такой же выбор пути можно изобразить и для организма в целом.
Так вот эпигенетика изучает этот "рельеф" и позволяет найти средства заставить клетку или организм идти по нужному нам пути.

[adrenalin]

"Эпигенетические часы старения"
Речь идет еще об одном способе вычислять биологический возраст. Вообще то это не простая и очень интересная проблема. Существует, наверное не один десяток разных подходов. Каждый выбирает свою группу биомаркеров, которые коррелируют с возрастом наилучшим образом. Но ведь надо еще понять, что считать биологическим возрастом?
Авторы данной статьи взяли за основу вероятность смерти. Чем она больше, тем организм старее. Далее они решили проверить, как метилирование коррелирует с биологическим возрастом. Они решили, что степень метилирования каких-то генов станет великолепным маркером. Точнее, они взяли группу генов и проследили динамику метилирования с возрастом. Исследования еще не завершены. Отчитаться о результате они не могу. Но мне показались очень интересными сами исследования. Очень интересна динамика уровня метилирования (уровня блокировки) различных групп генов.


Изображение 6 — по оси Y CpG сайты, по оси Х возраст. Иллюстрация изменения метилирования генов со временем.

На изображении 6 показан пример изменения метилирования генов на мышах. Красным цветом отмечено то, что сто процентов заметилировано. Белый — это ничего не заметилировано. По оси абсцисс представлены мыши только рождённые, потом четырнадцать недель, потом двадцать семь недель, потом сорок одна неделя. Некоторые гены как были заметилированы, так они и остаются заметилированы на протяжении всей жизни. Другие гены наоборот начинают заметилироваными, но с возрастом «желтеют», их метилирование снижается. Есть гены, которые наоборот начинают «жёлтыми» и становятся «красными». А есть другие, которые всегда активны, незаметилированы.

Получается, что мы прикасаемся к программе старения. Эта картинка позволит нам проследить, как активность генов гарантированно (запрограммировано) меняется с возрастом. Как интересно! [/QUOTE]

[adrenalin]

Эпигенетика и рак
У меня (да и не только у меня) было устойчивое представление о том, что рак является следствием мутации. Причем мутации на генном уровне.
Но в последнее время появляется множество свидетельств того, что большую роль играют эпигенетические механизмы регулирования работы генов.
А ведь действвительно, будем рассуждать логически. Возьмем, например, теломеразу. Напомню, что теломераза это фермент, который восстанавливает длину теломер после деления клетки. Клетки, в которых активна теломераза, могут делиться бесконечно.
Теломераза активна только у стволовых клеток и у раковых. Однако ген теломеразы есть во всех клетках. Все клетки содержат один и тот же геном. Отличаются они только тем, что в одних клетках ген теломеразы заблокирован, в других – нет. Получается, что раковая клетка не обязательно должна содержать мутантный ген. Изменения могут произойти в блокировке молекулы ДНК. А это уже предмет эпигенетики.
Еще к области эпигенетики я бы отнес некодирующие РНК (нкРНК). Мне попалась очень любопытная статья

В генетике долгое время существовала концепция «один ген ㅡ один белок». Результаты проекта «Геном человека» (1990–2004) показали её несостоятельность: генов, кодирующих белки, оказалось в 2–3 раза меньше, чем самих видов белков — не так уж редка ситуация «один ген – несколько белков». Однако на этом странности не закончились. Оказалось, что как минимум 2/3 генома белки вообще не кодирует! В данном случае ДНК таких «странных» генов либо совершенно не подвергается транскрипции (считыванию РНК), либо РНК с неё считываются, но белок по таким РНК не синтезируется.
Именно последний вариант мы и рассмотрим в этой статье, посвящённой некодирующим РНК и их роли в заболеваниях человека.
Некодирующие РНК (нкРНК, в англоязычной литературе — non-coding RNA, ncRNA) — это молекулы рибонуклеиновых кислот, которые не подвергаются трансляции, то есть по их последовательности не синтезируются белки. В геноме человека число генов некодирующих РНК превышает число белок-кодирующих генов (~23 000 и ~20 000, соответственно, согласно базе данных GENCODE, январь 2017). Если же учесть тот факт, что транскрипции подвергается не вся ДНК, а примерно 50–80% генома, то преобладание некодирующих последовательностей становится гораздо более впечатляющим: лишь 2% из образующихся РНК транслируется в белки, а оставшиеся 98% приходятся на нкРНК

Раньше эту часть ДНК, гены которой не участвуют в синтезе белка, называли «мусорной». А сейчас понятно, что она совсем не мусорная. Считываемые с нее РНК играют очень важную роль.

Малые регуляторные нкРНК вовлечены во многие физиологические и патологические процессы: пролиферацию, дифференцировку и апоптоз клеток, секрецию инсулина, биосинтез холестерина и др

Про некодирующие РНК рассказал. Теперь представлю статью про связь нкРНК с раком.
РНК-терапия рака легкого

Исследовательская группа во главе с Чандрасекхаром Кандури (Chandrasekhar
Kanduri) из Академии Сальгренска (Гетеборг, Швеция) изучила поведение опухоли в
зависимости от активности некодирующих длинных молекул РНК. Они производятся
из той части генома, которую ранее считали «мусорной ДНК». Но, как оказалось, они
регулируют процесс деления клеток и выполняют ряд других функций.
В ходе исследования изучались 16 видов рака (6419 сОлидных опухолей) и
нормальные ткани из 701 образцов, которые были использованы в качестве контроля.
Целью было найти длинные некодирующие молекулы РНК, активные во время той
фазы деления клеток, при которой генетический материал копируется.
С помощью собственных технологий и современных методов секвенирования
исследователи выявили 570 длинных некодирующих молекул РНК, экспрессия
которых различалась в зависимости от типа рака. Кроме того, было найдено 633
новых независимых биомаркеров, которые могут быть использованы для диагностики
и лечения 14 видов рака.
Между циклом деления клеток и развитием опухоли существует стойкая связь. Её
использовали для определения длинных некодирующих молекул РНК, которые
играют ключевую роль в прогрессировании рака. Некоторые из этих молекул
заставляют клетки бесконтрольно делиться, превращая их в злокачественные.
В экспериментах на мышиных моделях рака легких человека антисмысловые
олигонуклеотиды (lock nucleic acid modified antisense oligonucleotides, LNA-ASO)
вводили два раза в неделю в течение 15 дней, что привело к блокированию функции
соответствующих длинных некодирующих молекул РНК. В результате размер
опухолей сократился почти вдвое.
Таким образом, разработан и оптимизирован новый способ определения длинных
некодирующих молекул РНК, которые участвуют в неконтролируемом делении клеток.
Целенаправленное блокирование этих молекул снижает рост опухоли на 40-50%.
Кроме того, эти молекулы РНК подходят в качестве биомаркера для прогнозирования
течения и исхода онкологического заболевания.

[adrenalin]

Эпигенетики все большее количество процессов и проблем считают своими. Я бы сформулировал объект эпигенетики так: Процессы и явления, регулирующие работу генов. Очень важно для этих процессов находить какие то общие закономерности. Возможно даже философского характера.
Одну из них я бы сформулировал так: "Эти процессы обеспечивают устойчивое равновесие микробиологических систем"
Напомню, что такое устойчивое равновесие. Если система отклоняется от состояния равновесия, то возникают силы, которые стремятся ее вернуть на место. Рассмотрим Рис.1.



1. Шарик в ямке - устойчивое равновесие 2. Шарик на горке - не устойчивое равновесие
3. Если V-образие крыльев самолета - положительное, это устойчивое равновесие: при отклонении возникает сила, возвращающая его на место
4. Если V-образие крыльев самолета - отрицательное, это не устойчивое равновесие: при отклонении возникает сила, усугубляющая кувырок.
Так вот живой организм очень устойчивое образование, не смотря на то, что все течет, все изменяется. Значит все системы организма находятся в устойчивом равновесии. А это для нас очень полезное знание. Во всех процессах мы должны находить механизм, осуществляющий это устойчивое равновесие. Если мы его не нашли, значит чего то упустили.
Помните мы пытались понять, что заставляет клетки размножаться в случае ранения и что останавливает их рост, когда рана заросла? Мы нашли механизм устойчивого равновесия количества клеток в ткани. Клетки ткани посылали стволовым клеткам сигнал "спать".
Так вот, это наиболее распространенный механизм равновесия - обмен сигнальными белками.
Хочу предложить вашему вниманию интересную статью, как митохондрии обмениваются сигналами с ядром клетки.

Как известно, митохондрии представляют собой эндосимбиотические бактерии, которые обосновались в эукариотических клетках и так прижились, что отдали бóльшую часть своих генов в ядерный геном клетки-хозяина. Но при этом митохондрии оставили за собой право регулировать экспрессию этих генов, ведь без подобного контроля она не была бы согласована с жизнедеятельностью самих митохондрий. И конечно, митохондрии научились сообщать ядру, что у них что-то пошло не так. Для этого они используют особые белки ретроградного транспорта, которые при определенных условиях перемещаются из митохондрий в ядро.

Однако перемещение GPS2 из митохондрий в ядро играет важную роль не только в ответе на стресс, но и в некоторых физиологических процессах. Например, в адипогенезе — процессе созревания клеток жировой ткани (адипоцитов). У мышей тканеспецифичное «выключение» гена этого белка приводит к превращению бурой жировой ткани, богатой митохондриями (что частично и придает ей соответствующий цвет), в более бедную митохондриями белую жировую ткань. Замечено, что дефицит GPS2 в жировой ткани связан с развитием в ней воспаления и ожирения у людей. Кроме того, этот белок принимает участие в регуляции инсулиновой сигнализации. Всё это наводит исследователей на мысли о богатом терапевтическом потенциале вмешательств в работу GPS2 [2]. Но мы пока знаем далеко не все аспекты молекулярного «общения» ядра и митохондрий. Не исключено, что и какие-то другие белки способны оповещать ядро об обстановке в митохондриях, меняя митохондриальную локализацию на ядерную.