Определение эпигенетики, данное в начале 1940-х годов Конрадом Уоддингтоном, гласит, что первоначальное значение этого термина охватывает все молекулярные механизмы, влияющие на то, как генотип проявляет себя на пути к определенному фенотипу, а эпигенетика служит связующим звеном между генотипом и фенотипом.
Современное определение эпигенетики, общепринятое среди биологов, - это детальное изучение наследуемых изменений в активности генов во время митоза и/или мейоза, однако без изменения последовательностей ДНК. Например, широкий спектр поступательных эпигенетических изменений обеспечивает развитие здорового человека. Это подтверждают данные о том, что критические события эпигенетического перепрограммирования происходят у млекопитающих во время формирования половых клеток, а также на ранних стадиях эмбриогенеза. Говоря простым языком, эпигенетика - это изучение того, как факторы окружающей среды, такие как диета, специфические питательные вещества, условия жизни, ультрафиолетовое излучение и т.д., влияют на функционирование генов человека.
В отличие от генетических изменений, которые могут оказывать длительное и необратимое влияние на здоровье и возникновение заболеваний, эпигенетические модификации не сопровождаются изменениям последовательности ДНК, но могут влиять на то, как наш организм интерпретирует последовательности ДНК. Несмотря на то, что каждая клетка организма имеет по сути одну и ту же ДНК, существуют явные различия в типах клеток и их функциях. Эти изменения в экспрессии генов, вызванные преимущественно качественными и количественными вариациями, опосредованы цис- и транс-действующими факторами, включая транскрипционные факторы, которые влияют на клеточную дифференциацию и развитие и находятся под эпигенетическим контролем.
Обычно считается, что эпигенетические механизмы, такие как метилирование ДНК и модификации хроматина (включая различные РНК-опосредованные процессы, например, некодирующие РНК), в первую очередь влияют на экспрессию генов, в частности на транскрипцию, а также на посттранскрипционный, трансляционный и/или посттрансляционный уровни; поскольку все эти процессы регулируются эпигенетикой, они вызывают специфические для конкретной клетки паттерны экспрессии генов и оказывают влияние на общее развитие организма.
Как уже говорилось выше, британский биолог развития, эмбриолог и генетик Конрад Уоддингтон, работавший в Кембриджском университете, впервые ввел термин «эпигенетика» в 1942 году. Однако Уоддингтон тогда еще не знал о существовании генов и о том, что они играют наследственную роль. В соответствии с этим вторая теория эпигенетики, выдвинутая Дэвидом Л. Нанни в 1958 году, расширила определение этой области и улучшила ее понимание до сегодняшнего уровня.
Нанни постулировал наличие двух систем, регулирующих клетки. Если одна система в основном зависит от транскрипции, управляемой ДНК-шаблонами, которая является генетической, то другая система предполагает наличие дополнительной системы с совершенно иными принципами работы, которая в первую очередь регулирует, какие данные представлены в конкретной клетке, на основе эпигенетической регуляции. Однако концепция эпигенетики, разработанная этими двумя исследователями-первопроходцами, противоречит выводам Мюллера, сделанным им в 1930 году в ходе фундаментального исследования делеций, инверсий, транслокаций в хромосомах Drosophila melanogaster, подвергшихся воздействию радиации. Эти выводы убедительно свидетельствовали о том, что отсутствие каких-либо дополнительных генетических изменений, таких как мутационные изменения в ДНК или эпигенетические изменения, а также само расположение гена внутри генома может изменить экспрессию гена.
Только в 1951 году Ханна смог подтвердить решающую роль эпигенетики в экспрессии генов, утверждая, что определенные гены в эухроматических областях генома перемещаются в гетерохроматические области генома, изменяя поведение генов в их прежнем расположении. Интересно, что задолго до появления и признания термина «эпигенетика» теории Дарвина и Канта указывали на то, что окружающая среда играет важную роль в строгом регулировании фенотипических изменений организма, что привело к возникновению концепции эволюции.
Принципы Менделя, разработанные в 1865 году, закрепили идеи наследственности и генетики. Изолирование молекулы ДНК в 1869 году Фридрихом Мишером, швейцарским ученым, который пытался изучить химию клеток, также внесло свой вклад. Наконец, структура двойной спирали ДНК была определена Уотсоном и Криком в 1959 году, примерно век спустя. Эти открытия в совокупности поддержали и подтвердили первоначальную теорию эпигенетики, согласно которой генетика может стать основой для эпигенетики, чтобы объяснить, как факторы окружающей среды влияют на геном.
Важно отметить, что в 1957 году Уоддингтон разработал свое знаковое описание эпигенетического ландшафта, продемонстрировав, как клетка, по аналогии с мячом, может двигаться по разным маршрутам на основе неровностей поверхности, которые эффективно отражают факторы окружающей среды внутри и снаружи клетки. Эта идея по сути демонстрирует, как клетка меняется в процессе развития от недифференцированного состояния до одной из нескольких отдельных дифференцированных клеточных судеб, которые контролируются эпигенетическими механизмами.
Кроме того, несколько исследовательских групп обнаружили, что для эффективного эмбриогенеза требуется объединение геномов мужской и женской гамет. Это привело к определению импринтированных генов, которые контролируются в зависимости от пола в результате геномного импринтинга, усиленного эпигенетическими процессами, и привело к изменению уровня экспрессии генов в зависимости от того, от кого из родителей они произошли. Инактивация Х-хромосомы была впервые окрыта у млекопитающих в 1961 году и является парадигмой трансгенерационной эпигенетической передачи, которая глушит гены только на наследуемой по отцовской линии Х-хромосоме; как таковая, она представляет собой яркий пример эпигенетически индуцированного импринтинга генома.
Определение структуры нуклеосомы, выполненное Корнбергом и Томасом в 1974 году, также ознаменовало значительный прогресс в изучении эпигенетики. Выявление структуры двойной спирали в ДНК позволило определить и другие важные изменения хроматина, такие как метилирование ДНК и посттрансляционные модификации гистонов. Действительно, метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, убиквитилирование и сумоилирование гистонов, а также аденозиндифосфатное рибозилирование гистонов были обнаружены в период с 1962 по 1977 год. Метилирование ДНК было впервые идентифицировано в 1965 году. Важно отметить, что основополагающая работа Дженувейна и Аллиса в Университете Вирджинии, где его группа открыла гистоновый код в 2001 году, облегчила расшифровку биологического значения этих посттрансляционных модификаций.
Важно также помнить, что не все эпигенетические изменения, описанные в литературе, передаются по наследству и что некоторые из них могут быть лишь преходящими. Тот факт, что у монозиготных близнецов в первые годы жизни эпигеном схож, но с возрастом в нем происходят значительные изменения, доказывает, что эпигеном метастабилен и подвержен временной изменчивости.
В последнее время роль эпигенетики в заболеваниях человека возросла, и ученые со всего мира проявляют все больший интерес к этой области исследований. Аномальные эпигенетические изменения связаны с целым рядом заболеваний, таких как рак, проблемы с нервной системой, диабет второго типа, сердечно-сосудистые заболевания, инфекционные болезни и т.д.
Связь между эпигенетикой и раком
Эпигенетические изменения существенно влияют на онкологические исходы. Одним из способов инактивации ряда функций опухолевых супрессоров является гиперметилирование промоторных областей генов-супрессоров опухолей. Кроме того, у дополнительных генов, участвующих в огромном количестве важнейших физиологических свойств, также наблюдается гиперметилирование, что приводит к онкогенезу. Интересно отметить, что некодирующие РНК широко исследовались на предмет их функции в эпигенетической регуляции рака молочной железы. Из-за гиперметилирования CpG в миРНК или дерегуляции процессов биосинтеза миРНК, миРНК аберрантно контролируют гены в раковых опухолях. Кроме того, активация генов, связанных с глиобластомой, и онкогенез ассоциированы со степенью аргининового метилирования гистонов, которое зависит от белковой аргининовой метилтрансферазы в определенных местах генома.
Кроме того, обширное гипометилирование ДНК по всему геному было выявлено с помощью полногеномного анализа как наиболее заметное и раннее известное изменение в структуре метилирования ДНК в неопластических клетках. Вероятно, деметилирование ДНК может играть роль в анеуплоидии и нестабильности генома, двух характерных признаках рака. Потеря метилирования ДНК может приводить к активации транскрипции, обеспечивая экспрессию генов повторяющихся последовательностей, транспозируемых элементов и генов, вызывающих рак. Кроме того, в клетках глиобластомы изменяется картина ацетилирования гистонов, что связано с агрессивностью опухоли.
В целом, возникновение и прогноз рака, который раньше считался генетическим заболеванием, теперь понимают как следствие как генетических изменений, так и аномалий в эпигеноме. Современные исследования в области эпигенетики рака показали обширную дисрегуляцию каждой части эпигенетического механизма рака. Однако объем данной статьи не позволяет подробно описать роль эпигенетики в онкогенезе.
Связь между инфекцией и эпигенетикой
На взаимодействие между хозяевами и патогенами большое влияние оказывают эпигенетические факторы. Они служат для повышения доступности генома хозяина, чтобы вирус мог изменять гистоны, уникальные для хозяина. Вместо этого хозяин может метилировать ДНК, чтобы инактивировать экспрессию вирусного генома, интегрированного в геном хозяина, и тем самым подавить вирусную репликацию. Метилирование ДНК контролирует иммунную реакцию хозяина на бактериальные инфекции в дополнение к своей функции в патогенезе вирусной инфекции. Практически все вирусы используют эпигенетическое перепрограммирование хозяина, которое является важнейшим компонентом их путей иммунного уклонения. Кроме того, патоген-ассоциированные молекулярные паттерны, обнаруженные у микроорганизмов (бактерий, грибов, вирусов и простейших), которые участвуют в распознавании патогенов, могут изменять эпигенетическую среду иммунной клетки хозяина.
Современное состояние эпигенетической терапии для лечения заболеваний человека
Как правило, эпигенетические препараты или «эпипрепараты» - это фармакологические вещества, которые воздействуют на ДНК и гистоновые посттрансляционные модификации, нарушенные при заболевании. Ингибиторы ДНК-метилтрансферазы, гистон-метилтрансферазы, гистон-деметилазы, гистон-ацетилтрансферазы и гистон-деацетилазы - вот пять классов, на которые обычно делят эпигенетические препараты. Несмотря на то, что большинство из этих ингибиторов показали эффективность при использовании по отдельности, существуют мощные взаимодополняющие действия ингибиторов модификации гистонов и метилирования ДНК, что, по прогнозам, значительно повысит потенциальную эффективность. Поскольку за прошедшие годы исследования в области эпигенетики продвинулись далеко вперед, появилась возможность использовать редактирование эпигенома для лечения различных заболеваний. Технологии изменения генома, такие как CRISPR-Cas, быстро развиваются и могут быть адаптированы для редактирования эпигенома.
Несмотря на важность понимания того, как работают эпигенетические механизмы в здоровье и болезни, для разработки новых терапевтических подходов к лечению заболеваний человека, существует множество трудностей, связанных с инициированием направленных эпигенетических модификаций, которые направлены на восстановление эпигенетического ландшафта до нормального физиологического состояния после заболевания. Таким образом, синтез препаратов, направленных на эпигенетические модификации, может быть серьезно затруднен из-за этих проблем, которые необходимо решить.
Например, поскольку эпигенетические изменения происходят во многих местах генома, трудно воздействовать на определенные гены, не затрагивая другие. Для того чтобы эпигенетические препараты были эффективными, необходимо нацеливание на конкретные гены и уменьшение внецелевых эффектов. Кроме того, для эпигенетических препаратов характерна токсичность, что ограничивает дозу и время их применения. Для разработки более безопасных и эффективных методов лечения крайне важны меры по повышению селективности препаратов и снижению побочных эффектов. Эпигенетические препараты, направленные на определенные эпигеномно-модифицирующие ферменты, оказывают значительное побочное действие на пациента, поскольку препятствуют всем действиям фермента, что влияет на весь геном. Однако по сравнению с необратимыми изменениями последовательности ДНК, которые вызывает геномное редактирование, обратимые эффекты эпигеномного редактирования дают преимущество.
Необходимо учитывать ряд важных факторов, в том числе нежелательные геномные мутации, возникающие в результате эпигеномного редактирования, глубокое понимание ядерной структуры и ее изменений в недифференцированных и дифференцированных состояниях клеток, типы клеток и метод введения. Например, редактирование эпигенома в дифференцированных клетках не только сложно, но и менее эффективно с терапевтической точки зрения, чем в недифференцированных стволовых и прогениторных клетках, что делает его неэффективным. Более того, понимание и преодоление путей резистентности необходимо для долгосрочной эффективности любой эпигенетической терапии.
Также для повышения терапевтической селективности и снижения токсичности исследователи в настоящее время изучают передовые технологии доставки лекарственных средств, такие как наночастицы. Несмотря на трудности использования систем анализа для изучения эпигенетики в клинических условиях, в настоящее время предпринимаются усилия по переводу этих методологий фундаментальных исследований с упором на возможности микрофлюидных методов, включая системы обнаружения на основе CRISPR, и эпигенетические биомаркеры, используемые в качестве биосенсоров, с особым упором на использование в диагностических платформах будущего поколения.
Наконец, благодаря развитию технологий крупномасштабного картирования эпигенома и тестирования чувствительности к лекарственным препаратам, а также скрининга лекарственных средств на определенной популяции клеток пациентов, выявленных с помощью этих технологий, появилась возможность обеспечить индивидуальное лечение для каждого пациента при минимизации побочных эффектов.
Передовые разработки в области эпигенетики привели к созданию ряда технологий, которые улучшили наше понимание биологических функций эпигенетической регуляции. Это включает в себя более точную интерпретацию огромного количества данных, полученных в результате эпигеномного картирования. Поэтому препараты, направленные на аномальное метилирование ДНК, ацетилирование гистонов или другие эпигенетические процессы, могут быть эффективны при лечении целого ряда заболеваний. Снижая токсичность эпигенетических препаратов, эпигеномное редактирование также может помочь в разработке более эффективных терапевтических подходов. Эффективность лечения рака можно повысить, сочетая эпипрепараты с другими методами лечения, такими как иммунотерапия или традиционная химиотерапия.
