За последние пять лет, и особенно за последние год или два, несколько новаторских исследований привлекли новое внимание к эпигенетике. Интерес возрос, поскольку стало ясно, что понимание эпигенетики и эпигеномики — распределения эпигенетических изменений по всему геному — будет иметь важное значение в работе, связанной со многими другими темами, требующими глубокого понимания всех аспектов генетики, таких как стволовые клетки, клонирование, старение, синтетическая биология, сохранение видов, эволюция и другие. сельское хозяйство.
Множество механизмов
Слово “эпигенетический” буквально означает “в дополнение к изменениям в генетической последовательности”. Этот термин эволюционировал, чтобы включать любой процесс, который изменяет активность генов без изменения последовательности ДНК и приводит к модификациям, которые могут передаваться дочерним клеткам (хотя эксперименты показывают, что некоторые эпигенетические изменения могут быть обращены вспять). Вероятно, продолжатся споры о том, что именно означает этот термин и что он охватывает.Было идентифицировано много типов эпигенетических процессов — они включают метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, убиквитилирование и сумолирование. Другие эпигенетические механизмы и соображения, вероятно, всплывут по мере продолжения работы. Эпигенетические процессы естественны и необходимы для многих функций организма, но если они протекают неправильно, это может привести к серьезным неблагоприятным последствиям для здоровья и поведения.
Возможно, наиболее известным эпигенетическим процессом, отчасти потому, что его легче всего изучить с помощью существующих технологий, является метилирование ДНК. Это добавление или удаление метильной группы (СН3), преимущественно в том месте, где последовательно расположены основания цитозина. Впервые было подтверждено, что метилирование ДНК происходит при раке у человека в 1983 году, и с тех пор оно наблюдалось при многих других заболеваниях и состояниях здоровья.
Другим важным эпигенетическим процессом является модификация хроматина. Хроматин - это комплекс белков (гистонов) и ДНК, который плотно упакован, чтобы поместиться в ядре. Комплекс может быть модифицирован такими веществами, как ацетильные группы (процесс, называемый ацетилированием), ферментами и некоторыми формами РНК, такими как микроРНК и малые интерферирующие РНК. Эта модификация изменяет структуру хроматина, влияя на экспрессию генов. Как правило, плотно свернутый хроматин имеет тенденцию быть закрытым или не экспрессироваться, в то время как более открытый хроматин является функциональным или экспрессируется.
Одним из последствий таких процессов является импринтинг. В генетике импринтинг описывает состояние, при котором один из двух аллелей типичной пары генов подавляется эпигенетическим процессом, таким как метилирование или ацетилирование. Это становится проблемой, если экспрессируемый аллель поврежден или содержит вариант, повышающий уязвимость организма к микробам, токсичным агентам или другим вредным веществам. Импринтинг был впервые выявлен в 1910 году у кукурузы и впервые подтвержден у млекопитающих в 1991 году.
Исследователи выявили около 80 человеческих генов, которые могут быть импринтированы, хотя это число является предметом споров, поскольку достоверность доказательств разнится. Это приблизительное число, вероятно, не сильно возрастет в ближайшие годы, пишет группа ученых, в состав которой входит Иэн Морисон, старший научный сотрудник лаборатории генетики рака Новозеландского университета Отаго, в журнале "Тенденции в генетике" за август 2005 года. Другие специалисты в этой области с этим не согласны. Рэнди Джиртл, профессор радиационной онкологии в Медицинском центре Университета Дьюка, и его коллеги подсчитали в июньском выпуске журнала Genome Research за 2005 год, что у мышей может быть около 600 импринтированных генов; в интервью в октябре 2005 года Джиртл сказал, что ожидает аналогичного результата и у людей, хотя известные импринтируемые гены у мышей не были обнаружены. у мышей и людей совпадение составляет всего около 35%.
Связи с болезнями
Среди всех проведенных на сегодняшний день исследований в области эпигенетики наиболее широко изученным заболеванием является рак, и доказательства, связывающие эпигенетические процессы с раком, становятся “чрезвычайно убедительными”, - говорит Питер Джонс, директор Комплексного онкологического центра Норриса при Университете Южной Калифорнии. Тосикадзу Ушиджима, живущий на другом конце света, придерживается того же мнения. Руководитель отдела канцерогенеза Национального исследовательского института онкологического центра Японии говорит, что эпигенетические механизмы являются одним из пяти наиболее важных факторов в области борьбы с раком, и на их долю приходится от трети до половины известных генетических изменений.Внимание привлекли многие другие проблемы со здоровьем. Согласно исследованию, опубликованному в ноябре–декабре 2005 года в журнале Proteome Research, Ниламадхаб Мишра, доцент кафедры ревматологии медицинской школы Университета Уэйк Форест, и его коллеги, имеют место эпигенетические эффекты на иммунную систему, которые могут быть обращены вспять. Команда утверждает, что впервые установила конкретную связь между аберрантной модификацией гистонов и механизмами, лежащими в основе волчаночноподобных симптомов у мышей, и они подтвердили, что находящийся на стадии исследования препарат трихостатин А может обратить эти изменения вспять. Препарат, по-видимому, устраняет аберрантную модификацию гистонов путем коррекции гипоацетилирования в двух участках гистона.
Волчанка также была в центре внимания Брюса Ричардсона, руководителя отделения ревматологии Медицинского центра по делам ветеранов в Анн-Арборе и профессора медицинской школы Мичиганского университета. В исследованиях, опубликованных в мае–августе 2004 года в журнале International Reviews of Immunology и в октябре 2003 года в журнале Clinical Immunology, он отметил, что такие лекарственные препараты, как сердечный препарат прокаинамид и антигипертензивное средство гидралазин, вызывают волчанку у некоторых людей, и продемонстрировал, что волчаночноподобное заболевание у мышей, получавших эти препараты это связано с изменениями в метилировании ДНК и прерыванием сигнальных путей, аналогичных тем, которые наблюдаются у людей.
Существенные изменения
Считается, что большинство эпигенетических модификаций, независимо от механизма, стираются с каждым новым поколением, во время гаметогенеза и после оплодотворения. Однако один из наиболее поразительных отчетов, опубликованный в 2005 году, ставит под сомнение это мнение и предполагает, что эпигенетические изменения могут произойти по крайней мере в четырех последующих поколениях организмов.Майкл Скиннер, профессор молекулярных биологических наук и директор Центра репродуктивной биологии при Университете штата Вашингтон, и его команда описали в выпуске журнала Science от 3 июня 2005 года, как они на короткое время подвергли беременных крыс индивидуальному воздействию относительно высоких уровней инсектицида метоксихлора и фунгицида винклозолина и задокументировали такие эффекты, как снижение количества сперматозоидов. продуктивность и повышенное мужское бесплодие у щенков мужского пола. В поисках дополнительной информации они обнаружили измененное метилирование ДНК двух генов. Продолжая эксперимент, они обнаружили, что побочные эффекты сохранялись примерно у 90% самцов во всех четырех последующих поколениях, за которыми они следовали, без дополнительного воздействия пестицидов.
Известно, что полученные результаты не были воспроизведены. Однако, если их удастся воспроизвести, это может “обеспечить новую парадигму для этиологии заболеваний и основных механизмов в токсикологии и эволюции, которые ранее не оценивались”, - говорит Скиннер. Он и его коллеги проводят дополнительные исследования, оценивая многие другие гены и изучая другие эффекты, такие как опухоли молочной железы и кожи, дегенерация почек и дефекты крови.
Другие исследования показали, что эпигенетические эффекты проявляются не только в утробе матери, но и на протяжении всей жизни человека. Манел Эстеллер, директор лаборатории эпигенетики рака Испанского национального онкологического центра в Мадриде, и его коллеги обследовали 40 пар однояйцевых близнецов в возрасте от 3 до 74 лет и обнаружили поразительную тенденцию, описанную в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 26 июля 2005 года. У младших пар близнецов и у тех, кто вел схожий образ жизни и провел вместе больше лет, были очень похожие паттерны метилирования ДНК и ацетилирования гистонов. Но у близнецов старшего возраста, особенно у тех, кто вел разный образ жизни и провел меньше лет вместе, были совершенно разные структуры во многих тканях, таких как лимфоциты, эпителиальные клетки полости рта, внутрибрюшной жир и отдельные мышцы.
В качестве одного из примеров исследователи обнаружили, что у пары 50-летних близнецов в четыре раза больше дифференциально экспрессируемых генов по сравнению с 3-летними близнецами, а у 50-летнего близнеца с большей степенью гипометилирования ДНК и гиперацетилирования гистонов (эпигенетические изменения, обычно связанные с транскрипционной активностью) было в четыре раза больше генов, экспрессируемых по-разному. большее число сверхэкспрессируемых генов. Таким образом, степень эпигенетических изменений была напрямую связана со степенью изменения генетической функции.
Иногда эффекты эпигенетических механизмов проявляются в живом цвете. Согласно исследованиям Джиртла и Роберта Уотерленда, опубликованным в августе 2003 года (выпуск 15) в журнале Molecular and Cellular Biology, изменения пигментации шерсти мышат, варьирующейся от желтой до коричневой, были напрямую связаны с добавлением в рацион беременной матери витамина В12, фолиевой кислоты, холина и бетаина. Изменение цвета было напрямую связано с изменениями в метилировании ДНК. В исследовании, опубликованном в апрельском номере журнала EHP за 2006 год, Джиртл и его коллеги также показали, что эти изменения были вызваны употреблением матерью генистеина, основного фитоэстрогена, содержащегося в сое, в дозах, сравнимых с теми, которые человек мог бы получать при диете с высоким содержанием сои. Кроме того, изменения в метилировании, по-видимому, защищают потомство мышей от ожирения во взрослом возрасте, хотя есть предположения, что генистеин также может вызывать проблемы со здоровьем, оказывая аддитивное или синергическое воздействие на метилирование ДНК, когда он взаимодействует с другими веществами, такими как фолиевая кислота.
Другие факторы изменений
Вещества - не единственные источники эпигенетических изменений. Методы вылизывания, ухода за шерстью и кормления, которые самки крыс используют для своих детенышей, могут повлиять на долгосрочное поведение их потомства, и эти результаты могут быть связаны с изменениями в метилировании ДНК и ацетилировании гистонов в промоторе гена глюкокортикоидного рецептора в гиппокампе детеныша. Это открытие было опубликовано в августовском номере журнала Nature Neuroscience за 2004 год Моше Шифом, профессором кафедры фармакологии и терапии Университета Макгилла, и его коллегами. В ходе того же исследования ученые обнаружили, что эффект не был очевиден: введение препарата трихостатин А щенкам старшего возраста могло помочь обратить вспять последствия плохого материнского ухода, который они получали, когда были моложе. В журналах "Journal of Biological Chemistry" от 6 июня 2003 года и "Journal of Neuroscience" от 23 ноября 2005 года Сзиф и многие его коллеги также продемонстрировали, что введение аминокислоты l-метионина старшим щенкам может свести на нет преимущества высококачественной материнской помощи, которую они получали, когда были моложе.По словам Артураса Петрониса, руководителя лаборатории эпигенетики семьи Крембил в Центре наркологии и психического здоровья в Торонто, эпигенетические изменения могут влиять не только на поведение, но и на психическое здоровье. Его лаборатория - одна из первых в мире и до сих пор одна из немногих, изучающих связи между эпигенетикой и психиатрией. Он и его коллеги проводят крупномасштабные исследования, исследующие связь между шизофренией и аберрантным метилированием, и он говорит, что понимание эпигенетических механизмов является одним из важнейших приоритетов в исследованиях биологии заболеваний человека. “Нам действительно необходим радикальный пересмотр ключевых принципов традиционной программы генетических исследований”, - говорит он. “Эпигенетика дает новый взгляд на старую проблему и новые аналитические инструменты, которые помогут проверить эпигенетическую теорию”. Он предполагает, что необходимо уделять больше внимания изучению неменделевских процессов при таких заболеваниях, как шизофрения, астма, рассеянный склероз и диабет.
По словам Жан-Пьера Исса, профессора медицины онкологического центра доктора медицины Андерсона при Техасском университете, прошедшее десятилетие также было продуктивным в выявлении тесной связи между аберрантным метилированием ДНК и старением. Он представил информацию о старении и эпигенетических эффектах на конференции под названием “Экологическая эпигеномика, импринтинг и восприимчивость к болезням”, которая проходила в ноябре 2005 года в Дареме, Северная Каролина, и частично спонсировалась NIEHS. Некоторые из самых убедительных данных десятилетней давности свидетельствуют о прогрессирующем увеличении метилирования ДНК в стареющих тканях толстой кишки, а более свежие данные связывают гиперметилирование с атеросклерозом. Измененное, связанное с возрастом метилирование также было обнаружено в тканях желудка, пищевода, печени, почек и мочевого пузыря, а также в типах тканей, изученных Эстеллером. Большая часть текущей работы Issa сосредоточена на связях между эпигенетическими процессами, старением, окружающей средой и раком, а также на возможных способах терапевтического обращения вспять метилирования, связанного с раком.
Текущие и будущие проблемы
Накопленные данные указывают на то, что многие гены, болезни и вещества окружающей среды являются частью эпигенетической картины. Однако доказательств все еще слишком мало, чтобы сформировать основу для каких-либо всеобъемлющих теорий о том, какие вещества и какие гены-мишени с наибольшей вероятностью влияют на неблагоприятное воздействие окружающей среды на болезни, говорит Мелани Эрлих, профессор биохимии медицинской школы Университета Тулейна и онкологического центра Тулейна, которая проводила исследования. эта тема обсуждается уже более двух десятилетий.Из-за этого чувства неопределенности эпигенетика, как правило, остается за рамками регулирования. “На данный момент [слишком рано] ее использовать”, - говорит Джулиан Престон, исполняющий обязанности заместителя директора по здравоохранению Национальной лаборатории исследований воздействия на здоровье и окружающую среду Агентства по охране окружающей среды. Но Престон говорит, что агентство уже сейчас больше полагается на улучшение понимания механистических процессов, включая эпигенетику, и в рамках EPA предпринимаются явные усилия по расширению усилий в области геномики как внутри агентства, так и с другими участниками, с которыми агентство работает.
Ученые FDA исследуют многие лекарственные препараты, которые функционируют с помощью эпигенетических механизмов (хотя, как отмечает представитель FDA Кристин Паркер, агентство основывает свои утверждения на результатах клинических испытаний, а не на механизме, с помощью которого работает лекарство). Один из таких препаратов, азацитидин, был одобрен для использования в Соединенных Штатах для лечения миелодиспластического синдрома, заболевания крови, которое может прогрессировать до лейкемии. Препарат активирует гены, которые были отключены в результате метилирования. Однако эпигенетическая функция препарата не делает его “чудодейственным лекарством”. Исследования показывают, что он приносит пользу только 15% тех, кто его принимает, и большой процент людей страдает от серьезных побочных эффектов, включая тошноту (71%), анемию (70%), рвоту (54%) и лихорадку (52%).
Эрлих отмечает, что азацитидин также обладает эффектами на молекулярном уровне, такими как ингибирование репликации ДНК и апоптоза, что может быть частью его терапевтических преимуществ. Неоднозначные результаты применения препарата также могут быть частично объяснены исследованием, опубликованным в октябрьском номере журнала Cancer Cell за 2004 год Эндрю Файнбергом, директором Центра эпигенетики распространенных заболеваний человека при Университете Джона Хопкинса, и его коллегами. Они обнаружили, что каждый из двух протестированных препаратов, трихостатин А и 5-аза-2'-дезоксицитидин (родственник азацитидина), может активировать сотни генов, одновременно отключая сотни других. Если этот вывод подтвердится в других исследованиях, это указывает на одну из ключевых причин, почему так сложно создать лекарство, которое не вызывало бы непреднамеренных побочных эффектов.
Государственные и частные
Несмотря на потенциально огромную роль, которую эпигенетика может играть в развитии заболеваний человека, инвестиции в эту область исследований остаются незначительными по сравнению с традиционными работами в области генетики. В настоящее время предпринимается несколько попыток изменить это.В Европе проект "Эпигеном человека" был официально запущен в 2003 году Институтом Сэнгера Wellcome Trust, Epigenomics AG и Национальным центром генотипирования. Основное внимание группы сосредоточено на исследованиях метилирования ДНК, связанных с хромосомами 6, 13, 20 и 22. Вскоре к ним могут присоединиться организации в Германии и Индии, где ученые планируют работать с хромосомами 21 и X соответственно, говорит старший исследователь Sanger Стефан Бек.
Но для всестороннего изучения всех эпигенетических и геномных факторов, связанных с множеством заболеваний и состояний здоровья, потребуется гораздо больше работы. “Комплексный проект по изучению эпигенома человека намного сложнее, чем проект по изучению генома человека”, - говорит Джонс. “Существует только один геном, но эпигеном в каждой ткани разный”. Проект "Геном человека" был международным проектом, на реализацию которого ушло более десяти лет и миллиарды долларов.
Джонс и Роберт Мартиенссен рассмотрели некоторые сложности всеобъемлющего всемирного проекта по изучению эпигенома человека в выпуске журнала Cancer Research от 15 декабря 2005 года. Сообщая о семинаре, организованном Американской ассоциацией по изучению рака в июне 2005 года, они пришли к выводу, что, несмотря на все надвигающиеся трудности, такой проект необходим, а технология достаточно развита, чтобы его можно было начать.
“Я думаю, что это произойдет намного раньше, чем я думал всего год назад или около того”, - говорит Джиртл. Группа исследователей уже приступила к работе по запуску американского дополнения к европейскому проекту "Эпигеном человека" [см. вставку, стр. A165].
Набирают обороты и другие усилия. В июне 2004 года была создана еще одна европейская группа - Сеть передового опыта Epigenome. В эту сеть по обмену информацией входят представители государственного и частного секторов десяти западноевропейских стран. Их цели заключаются в координации исследований, предоставлении наставников и поощрении диалога через свой веб-сайт. Что касается Азии, то конференция “Эпигенетика всего генома 2005”, проходившая 7-10 ноября 2005 года в Токио, была в значительной степени посвящена содействию скоординированным исследованиям в области эпигеномики в Японии и, возможно, во всей Азии, говорит Ушиджима, один из организаторов конференции.
В Соединенных Штатах Национальный институт рака и Национальный научно-исследовательский институт генома человека официально приступили к масштабной работе 13 декабря 2005 года, которая будет включать эпигеномную работу. Пилотный проект "Атлас генома рака", финансируемый двумя институтами по 50 миллионов долларов каждый, призван заложить основу для всестороннего изучения геномных факторов, связанных с раком человека. Ожидается, что первоначальные трехлетние усилия будут сосредоточены всего на двух или трех из более чем 200 известных видов рака, но в случае успешной разработки методов и технологий число оцениваемых видов рака может увеличиться. Если в конечном итоге будет тщательно изучено большое количество раковых генов, то эти усилия будут эквивалентны тысячам проектов по изучению генома человека.
Чтобы помочь расширить границы, NIEHS и Национальный институт рака в настоящее время выделяют гранты на общую сумму 3,75 миллиона долларов на изучение широкого спектра эпигенетических тем, таких как выявление групп высокого риска, влияние питания на развитие рака и детальное изучение многочисленных специфических механизмов, связывающих факторы окружающей среды с эпигенетическими факторами. механизмы и возникающее в результате заболевание. Ожидается, что около дюжины получателей запустят свои проекты к осени 2006 года.
За последние пять-шесть лет NIEHS также начал интегрировать проекты в области эпигеномики в свой исследовательский портфель. “Это развивающаяся область, которая очень важна”, - говорит Фредерик Тайсон, программный администратор отдела заочных исследований и обучения NIEHS. По словам директора института Дэвида Шварца, эпигенетика, вероятно, будет одним из примерно полудюжины наиболее важных аспектов, связанных с реализацией проекта NIEHS по экологическому геному.
По словам основателя и нынешнего вице-президента Общества метилирования ДНК Эрлиха, профессиональная группа медленно, но неуклонно росла в течение последнего десятилетия. В рамках своих усилий общество в январе 2006 года выпустило журнал "Эпигенетика", целью которого является освещение всего спектра эпигенетических аспектов — медицинских, диетологических, психологических, поведенческих — в любом организме. По словам Джиртла, такие группы являются важным объединяющим фактором в этой области. Сам он медленно продвигался к эпигенетике, начав с изучения рака, и его дальнейший путь типичен для многих. “Если вы изучаете эпигенетику, у вас нет дома; мы работаем в самых разных областях”, - говорит он.
Растет также интерес к частному сектору. Например, компания Epigenomics AG с офисами в Берлине и Сиэтле работает над ранним выявлением и диагностикой рака и эндометриоза (в отношении которых имеются ограниченные данные об эпигенетическом компоненте), а также разработкой продуктов для прогнозирования эффективности лекарств для лечения этих заболеваний. Компания Johnson & Johnson, основанная в 1998 году и насчитывающая в настоящее время около 150 сотрудников, специализируется на механизмах метилирования ДНК и сотрудничает с такими компаниями, как Abbott Laboratories, Johnson & Johnson, Philip Morris, Roche Diagnostics, Pfizer и AstraZeneca. Генеральный директор Оливер Шахт говорит, что о растущем интересе к этой области свидетельствует разница между конференцией Американской ассоциации по изучению рака 2004 года, на которой было представлено около полудюжины докладов или плакатов по эпигенетике, и мероприятием 2005 года, на котором было представлено около 200 материалов.
Время инструментов
Если мы хотим, чтобы эпигенетическая работа и впредь открывала новые горизонты, многие наблюдатели говорят, что технологии должны продолжать развиваться. Джонс и Мартиенсен отмечают в своей статье, что необходимы дополнительные усовершенствования в высокопроизводительных технологиях, аналитических методах, вычислительных возможностях, механистических исследованиях и биоинформатических стратегиях. Они также говорят, что необходимы такие базовые компоненты, как стандартизированные реагенты и постоянный запас антител для тестирования.Престон согласен со многими из этих идей и говорит, что существует также необходимость в разработке всеобъемлющего списка всех белков в клетке и получении более точной информации о модификации белков. Он говорит, что университеты осознают спрос на таланты, необходимые для решения проблем эпигеномики, и наращивают свои усилия по освещению этих тем различными способами, особенно на уровне аспирантуры.
Другие группы вносят свой вклад, создавая инструменты для дальнейшего развития этой области. Все идентифицированные на данный момент импринтированные гены отслеживаются в рамках совместных усилий групп Морисона и Джиртла и отдела генетики млекопитающих Совета по медицинским исследованиям Великобритании. Европейские менеджеры базы данных по метилированию ДНК собрали список известных метилирований ДНК, который, хотя и не является исчерпывающим, все же является полезным инструментом для исследователей, изучающих примерно 22 000 генов человека.
Кунио Шиота, профессор клеточной биохимии Токийского университета и один из соорганизаторов Токийской конференции в ноябре 2005 года, говорит, что достижения в области эпигенетики будут частично зависеть от ряда процессов, которые постепенно становятся знакомы все большему числу исследователей - массового параллельного секвенирования сигнатур (MPSS), анализа микрочипов иммунопреципитации хроматина (ChIP-чип), идентификация ДНК-аденинметилтрансферазы (Dam-ID), микрочипы, связывающие белки (PBM), анализ микрочипов для иммунопреципитации ДНК (DIP-чип) и многое другое. Когда-нибудь, по его словам, эти термины могут стать такими же привычными, как МРТ и ЭКГ.
Быстро растущее признание эпигенетики, спустя столетие после ее появления, по мнению Джиртла, является огромным шагом вперед. “Пока мы практически ничего не сделали", - говорит он. “Я предвзят, но верхушка айсберга - это геномика и однонуклеотидные полиморфизмы. Нижняя часть айсберга - это эпигенетика”.