Рис. 10.2. Циклы метилирования и деметилирования обеспечивают процесс передачи потомству хромосом, которые содержат нужные модификации, указывающие на то, от какого родителя передан материал.
Разумеется, эта схема порождает свои вопросы. Каким образом развивающиеся яйцеклетки и сперматозоиды идентифицируют области, контролирующие импринтинг? И откуда они знают, какие области надо метилировать, а какие — нет? Сейчас этими проблемами активно занимаются ученые. Возможно, для каждой ОКИ процесс проходит по-своему. Возможно, в мужских и женских половых клетках он также протекает по-разному. Честно говоря, многое здесь пока остается тайной. Однако мы все-таки сумели кое-что прояснить. Мы знаем, что в материнской зародышевой (генеративной) линии, то есть в клетках, порождающих яйцеклетки, важнейшую роль в этом процессе играют ферменты, способные пристраивать метильные группы к неметилированным ЦГ-мотивам ДНК
[26],12. После этого сложившийся характер метилирования активно поддерживается ферментом, чья функция как раз и состоит в сохранении существующей картины метилирования
[27],13. Вероятно, другие белки также вовлечены в формирование и поддержание нужных картин метилирования. Некоторые из них, возможно, селективно экспрессируются в развивающихся половых клетках.
Как же ферменты половых клеток ухитряются распознавать области, контролирующие импринтинг, среди прочей геномной ДНК? Опять-таки, здесь наши знания неполны. Впрочем, предполагается, что тут могут играть роль некоторые повторяющиеся последовательности в этих особых зонах мусорной ДНК14. У разных видов эти конкретные последовательности могут существенно отличаться по составу. Но они могут выглядеть куда более схоже, если рассмотреть их трехмерную структуру. Возможно, клетка умеет как-то распознавать их не по составу последовательности, а по форме15. Это чем-то напоминает результаты исследований длинных некодирующнх РНК из главы 8.
Хотя ученые пока не ответили на массу вопросов, касающихся импринтинга, они убеждены: именно из-за этого процесса в создание потомства вносят вклад оба пола. В 2007 году сложный комплекс экспериментов по спариванию генетически модифицированных мышей показал, что все-таки можно получать жизнеспособных мышей, встраивая два ядра яйцеклеток в одну оплодотворенную яйцеклетку. Это удалось сделать, искусственно изменив характер импринтинга в двух зонах мышиного генома. В одном из яйцеклеточных ядер создали картину метилирования, похожую на нормальную отцовскую, а не на материнскую. Так экспериментаторы обманули механизмы развития, заставив их поверить, будто генетический материал происходит от самца, а не от самки. Опыты продемонстрировали особенно значимую роль, которую играют эти две зоны, подвергшиеся импринтингу, в процессах контролирования развития организма. Кроме того, опыты показали и то, что единственное реальное препятствие на пути «двуматеринского» размножения — картина метилирования ДНК в ключевых генах. Эксперименты стали опровержением предыдущей гипотезы, согласно которой для размножения требуется сперматозоид, поскольку он сам по себе несет необходимые «сопутствующие факторы», такие, как определенные белки или молекулы РНК, необходимые для того, чтобы должным образом запустить развитие эмбриона16.
Вернемся к рис. 10.2. Легко видеть, что характер импринтинга может меняться в ходе развития организма. Похоже, такой контроль экспрессии генов, задаваемый при помощи импринтинга, особенно важен именно в процессе развития. Так, у мышей большинство из примерно 140 импринтируемых генов демонстрируют импринтинг лишь в плаценте. Во взрослых тканях либо экспрессируются обе копии каждого из таких генов, либо не экспрессируется ни одна из копий. Вот еще одно подтверждение того, что именно контроль роста на ранних стадиях развития, вероятно, стал главной причиной возникновения импринтинга у некоторых представителей царства животных. По-видимому, тут сыграл роль «географический» фактор. В кластерах импринтинга ближайшие к ОКИ гены могут сохранять импринтинг во всех тканях. Однако гены, находящиеся дальше от этого «контрольного центра», проявляют импринтинг лишь в плаценте. Похоже, некоторые типы клеток мозга особенно склонны к сохранению импринтинга, хотя в большинстве случаев среди ученых нет единого мнения о том, почему это приносит эволюционные преимущества. Выдвигались предположения, что длинные некодирующие РНК, вырабатываемые в ОКИ, способствуют ДНК-метилированию ближайших генов, однако при этом привлекают гистонные модификации к более отдаленным генам кластера17. Поскольку гистонные модификации легче изменять, чем картину метилирования ДНК, такие изменения могут служить механизмом освобождения более отдаленных генов от импринтинга (по мере взросления тканей).
Итак, импринтинг действительно происходит, и мы уже начали проникать по крайней мере в некоторые его механизмы. Вспомним гипотезу, согласно которой импринтинг появился для того, чтобы уравновесить конкурирующие эволюционные стремления матери и плода (плода — а значит, косвенным образом, и отца). В свете этой гипотезы неудивительно, что большинство генов, кодирующих белки и контролируемых при помощи импринтинга, вовлечены в рост эмбриона, в процессы грудного вскармливания, а также в метаболические процессы18. Не приходится удивляться и тому, что при нарушениях импринтинга самые распространенные симптомы — дефекты роста и развития.
Когда импринтинг идет не так
Исследования расстройств, связанных с импринтингом, по-настоящему начались в 1980-е годы, когда впервые стала возможной идентификация генов, связываемых с наследственными заболеваниями. Для этого, в частности, отыскивали семьи, где хотя бы один человек страдал от данной болезни, и затем проводили в этих семьях анализ, пытаясь приблизительно выявить область хромосомы, ставшую причиной заболевания. Сегодня мы можем проделывать это довольно легко, ведь у нас есть полная расшифровка нуклеотидной последовательности нормального человеческого генома и доступ к весьма дешевым технологиям секвенирования. Однако тогда, в 1980-е, найти мутацию, вызывающую болезнь, было не так-то просто — все равно, что отыскать определенную перегоревшую лампочку, когда известно лишь, что она перегорела в каком-то американском доме. Для выявления мутаций, причин той или иной болезни, требовались годы упорного труда больших коллективов ученых.
Целый ряд таких научных групп занимался синдромом Прадера-Вилли. Младенцы, родившиеся с этим синдромом, слишком мало весят при появлении на свет, а кроме того, у них нарушен сосательный рефлекс. Лишь после отлучения от груди у них начинает нормально развиваться тонус мышц, а до этого младенческое тельце довольно вялое. По мере взросления у таких детей просыпается ненасытный аппетит. В результате у них рано возникают экстремальные формы ожирения. Кроме того, они страдают от умственной отсталости, пусть и проявляемой в мягкой форме19.
