Эпигенетическая память: как клетки «помнят», какие гены нужно «выключать»
Учёные из Индианского университета выяснили, как приобретённые признаки могут передаваться между поколениями в процессе эпигенетического наследования. Клетки понимают, какие гены нужно «заглушить», не благодаря информации, зашифрованной в последовательности ДНК, а благодаря наследуемым химическим меткам на генах. Эти метки служат формой молекулярной памяти, позволяя клеткам распознавать гены и «помнить», что их нужно снова «выключать» в каждом новом поколении.
Исследование под руководством биолога и биохимика Крейга Пикарда показывает, как клетки растений «узнают», что определённый генетический локус (конкретное место на хромосоме) нужно «заглушать» в каждом последующем поколении.
Вместо того чтобы полагаться на внутреннюю, закодированную в ДНК информацию, клетки «вспоминают» о необходимости «заглушить» определённые локусы, ориентируясь на химические метки на хроматине (комплексе ДНК и белков). Добавление или удаление одноуглеродных (метил-) или двухуглеродных (ацетил-) химических меток — это способы модификации хроматина, которые могут передавать дополнительную, эпигенетическую (буквально «надгенетическую») информацию локусу, помимо генетической информации, закодированной в ДНК.
Способность сохранять метки хроматина служит формой эпигенетической памяти, которая создаёт то, что Пикард называет идентичностью «молчащего» локуса. Это предустановленное состояние необходимо клетке, чтобы доставить к локусам механизм, который фактически осуществляет «заглушение» в многоступенчатом процессе, известном как РНК-направленное метилирование ДНК (RdDM). В RdDM участвуют короткие интерферирующие РНК (siRNA) длиной 24 нуклеотида, которые направляют добавление метильных групп к соответствующим цепям ДНК, что в конечном итоге делает гены неактивными.
«Важно, что эта работа показывает: идентичность «молчащего» локуса необходима для фактического «заглушения» гена, но это отдельные процессы», — сказал Пикард. — «Мы обнаружили, что эпигенетическое наследование — это двухэтапный процесс, при котором наследуемое определение идентичности «молчащего» локуса происходит до того, как может произойти фактическое «заглушение» локуса».
Учёные заинтересованы в эпигенетическом наследовании, потому что это процесс, при котором наследуемые изменения функции генов происходят без изменения базовой последовательности ДНК организма. Состояния, такие как рак, возникающие спорадически в течение жизни человека, всё чаще признаются имеющими эпигенетическую основу.
Новое исследование не только проливает свет на механизмы эпигенетического наследования, но и помогает объяснить, как происходит рекрутирование двух специфичных для растений ферментов «заглушения» генов — РНК-полимераз Pol IV и Pol V, впервые идентифицированных Пикардом в 1999 году.
В частности, исследователи изучили взаимосвязь между гистондеацетилазой 6 (HDA6) (ферментом, удаляющим ацетильные группы с гистонов) и CG-ДНК-последовательность-поддерживающей метилтрансферазой MET1. Они обнаружили, что их партнёрство в поддерживающем метилировании может объяснять сохранение эпигенетической памяти, которая обеспечивает идентичность «молчащего» локуса.
«В совокупности наши результаты показывают, что идентичность «молчащего» локуса передаётся из поколения в поколение благодаря действиям HDA6 и MET1», — сказал Пикард. — «Этих действий недостаточно для «заглушения» локусов, но они поддерживают состояние хроматина, необходимое для рекрутирования Pol IV, биогенеза siRNA и RdDM, что в конечном итоге и «заглушает» локусы».
Когда команда удалила путь RdDM у мутантных штаммов модельного растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) с мутациями в Pol IV и Pol V, всё «заглушение» генов было потеряно, но идентичность «молчащего» локуса сохранилась. Затем они удалили зависимый от HDA6 и MET1 процесс, определяющий эту идентичность. В результате эпигенетическая память, необходимая для идентичности «молчащего» локуса, была утрачена и не могла быть восстановлена.