Сравнительно просто выявить промоторы, анализируя ДНК-последовательности. Промоторы всегда встречаются непосредственно перед областями, кодирующими белки. Кроме того, обычно они содержат характерные ДНК-мотивы. Дело в том, что транскрипционные факторы — особый тип белков, способных распознавать определенные ДНК-последовательности и связываться с ними. При анализе эпигенетических модификаций промоторов мы можем выявить некую устойчивую картину. У промоторов имеются определенные наборы эпигенетических модификаций, в зависимости от того, активен ли ген в клетке. Эти эпигенетические модификации — немаловажные регуляторы процессов связывания транскрипционных факторов. Некоторые модификации привлекают транскрипционные факторы и соответствующие ферменты, что приводит к экспрессии гена. Другие же препятствуют связыванию транскрипционных факторов, что очень затрудняет включение гена.
Ученые могут скопировать промотор и встроить его в какой-то другой участок генома или даже в геном другого организма. Такие эксперименты подтвердили, что промоторы обычно действуют, располагаясь непосредственно перед геном. Удалось показать также, что промотор должен «указывать» в нужном направлении. Если вы вставите промотирующую последовательность перед геном, но «задом наперед», она не будет работать. Это как если бы вы вверх ногами вставили ключ в замок зажигания. Действие промоторов зависит от их ориентации.
Промоторы толком не различают гены, которые они контролируют. Они просто включают ближайший ген, если находятся от него на достаточно небольшом расстоянии и «указывают» в нужном направлении. Это позволяет ученым использовать промоторы для управления экспрессией каждого интересующего их гена. Очень удобно для экспериментаторов. Но есть у этих процессов и обратная сторона. При некоторых формах рака основная проблема (на молекулярном уровне) сводится к тому, что ДНК наших хромосом «запутывается», и промотор запускает экспрессию не того гена. Для онкологических заболеваний речь идет о гене, который увеличивает скорость размножения клеток. Впервые такое явление обнаружили, исследуя разновидность рака крови, именуемую лимфомой Бёркитта (вероятно, она по-прежнему остается самым известным примером данного процесса). При этом недуге сильный промотор, находящийся на хромосоме 14, начинает располагаться «выше» гена хромосомы 8, кодирующего белок, способный существенно ускорять размножение клеток[35],1. Последствия могут быть катастрофическими. Белые кровяные тельца (лейкоциты), несущие в себе такую перестановку, растут и делятся очень быстро, в результате чего их доля в крови неуклонно увеличивается. При ранней диагностике заболевания можно вылечить свыше половины пациентов, хотя для этого требуется интенсивная химиотерапия2. У тех, кому поставили диагноз слишком поздно, угасание идет ужасающе быстро, приводя к летальному исходу за какие-то недели.
В здоровых тканях различные промоторы могут проявлять активность лишь в определенных типах клеток — обычно благодаря тому, что они полагаются на транскрипционные факторы, экспрессируемые лишь некоторыми, определенными типами клеток. Кроме того, промоторы обладают различной силой. Что имеется в виду? Сильные промоторы включают гены весьма агрессивным образом, в результате порождая множество копий информационной РНК, формируемой на основе гена, кодирующего белок. Именно это происходит при лимфоме Бёркитта. Слабые промоторы меньше влияют на уровень генетической экспрессии. Сила промотора в клетках млекопитающих зависит от множества параметров и особенностей этих клеток, в том числе от ДНК-последовательности, но также от наличия и доступности транскрипционных факторов, от эпигенетических модификаций и, вероятно, от целого ряда других переменных, которые мы пока не знаем.
Управляя плавно меняющимся откликом
Каждый конкретный промотор в каждом конкретном типе клеток вызывает относительно постоянный уровень генетической экспрессии — по крайней мере, в экспериментальных системах. Однако при обычных обстоятельствах экспрессия генов — явление не пороговое. Гены могут экспрессироваться в разной степени. Сравним это с возможностью придавать машине любую скорость от одной мили в час до максимальной (больше 250 миль в час для «вейрона», меньше половины этой величины для «сандеро»). В клетках такая гибкость достигается благодаря целому ряду взаимодействующих процессов, в том числе и эпигенетических. Однако на нее влияет и еще одна область мусорной ДНК — так называемый энхансер.
По сравнению с промоторами энхансеры — штука очень туманная. Обычно они представляют собой последовательности длиной в несколько сотен пар нуклеотидных оснований, однако такие области почти невозможно идентифицировать лишь при помощи анализа ДНК-последовательности3. Они просто слишком разнообразны. Выявление энхансеров затруднено еще и тем, что они не обязательно функционируют постоянно. Так, удалось выявить набор латентных энхансеров, который начинает регуляцию генетической экспрессии, лишь когда сами эти энхансеры каким-то образом активируются неким стимулом. А значит, вполне возможно, что в геномной последовательности не существует каких-то изначально заданных областей-энхансеров со строго определенной ролью.
Воспалительная реакция — первый рубеж обороны организма при защите, к примеру, от бактериальных инфекций. Клетки, расположенные близ места вторжения захватчиков, выделяют химические вещества и сигнальные молекулы, которые создают для чужаков весьма враждебную среду. Это как если бы срабатывание домашней сигнализации вызывало целый ливень горячей и вонючей жидкости, обрушивающийся на комнату, куда проник незадачливый взломщик.
Ученые, исследующие воспалительный отклик организма, одними из первых сумели показать, что ДНК-последовательности могут при необходимости становиться энхансерами. Выяснилось, что как только воспалительный стимул исчезает, энхансеры не возвращаются в инертное состояние. Они остаются энхансерами, готовыми снова повысить уровень экспрессии соответствующих генов, если клетки вновь встретятся с этим воспалительным стимулом4. По-видимому, не случайно эти энхансеры регулируют деятельность генов, вовлеченных в отклик организма на вторжение чужаков. Такая память, проявляемая в виде экспрессии генов, может позволять организму как можно эффективнее и быстрее побеждать инфекцию. Это большое преимущество.
Эпигенетика и энхансеры: интенсивное общение
Итак, гены могут сохранять память даже после исчезновения стимула. Каким образом? В частности, благодаря эпигенетике. Эпигенетические модификации способны облегчить последующую активацию генов, поддерживая их в сравнительно «неподавленном» состоянии. Это как с врачом, который не уехал в отпуск, а дежурит и ждет вызова. В вышеописанном исследовании ученые показали, что определенные гистонные модификации оставались на «новых» энхансерах и после исчезновения воспалительного стимула, тем самым поддерживая эти энхансеры в состоянии боевой готовности.
Вообще говоря, мы начинаем чуть больше продвигаться в идентификации энхансеров по эпигенетическим модификациям, которые не зависят от соответствующих ДНК-последова-тельностей. Эти модификации могут использоваться как функциональные маркеры, показывающие, как клетки определенного типа используют данный фрагмент ДНК. Удалось показать также, что эти модификации порой меняются при онкологических заболеваниях, создавая различные картины генетической экспрессии, а те могут вносить свой вклад в клеточные трансформации, которые, в свою очередь, как раз и приводят к раковым процессам5.
Но даже если нам все-таки удается найти эпигенетический «автограф», который указывает, что мы, возможно, имеем дело с энхансером, нам все равно мешает еще одна проблема. Мы не знаем, на какой ген, кодирующий белок, он влияет. Это можно попытаться выяснить лишь одним способом — разрушая энхансер при помощи генетических манипуляций и затем оценивая, на какие гены воздействует такая перемена. Дело в том, что энхансеры функционируют не так, как промоторы. Энхансеры работают независимо от своей ориентации. Иными словами, неважно, в какую сторону они «указывают». Есть и еще более резкое различие: энхансеры могут располагаться очень далеко от того кодирующего белок гена, на экспрессию которого они влияют.
Кроме того, энхансеров гораздо больше, чем мы могли бы ожидать. В ходе недавнего широкомасштабного исследования изучались картины гистонной модификации примерно в 150 человеческих клетках. При поиске рисунков модификаций, похожих на энхансерные, оказалось возможным выявить около 400 тысяч кандидатов на роль областей-энхансеров6. Это гораздо больше, чем требовалось бы в случае существования взаимно однозначного соответствия между энхансерами и генами, кодирующими белки. И даже если мы предположим, что длинные некодирующие РНК тоже обладают энхансерами, это число все равно окажется слишком большим.
Не все энхансеры обнаружились в каждом типе клеток. Это вполне согласуется с моделью, в которой один и тот же фрагмент ДНК может обладать разными функциями в разных типах клеток, в зависимости от своих эпигенетических модификаций.
Сегодня нет четких моделей функицонирования энхансеров. Ученые предполагают, что во многих случаях они очень сильно зависят от генетического мусора иного типа — от длинных некодирующих РНК. Собственно, некоторые классы длинных некодирующих РНК могут экспрессироваться на самих энхансерах7. Многие длинные некодирующие РНК участвуют в процессах подавления экспрессии генов. Но теперь немало ученых считают, что существует и обширный класс длинных некодирующих РНК, усиливающих экспрессию генов. Впервые такую гипотезу высказали применительно к длинным некодирующим РНК, которые регулируют соседствующие с ними гены. В ходе ряда экспериментов искусственное усиление экспрессии длинной некодирующей РНК приводило к уси