Одним из способов регулирования функциональной активности генома является химическая модификация гистонов. В ядре двойная цепь ДНК делает двойной спираль дважды обвивает белковый комплекс, состоящий из 8 белков гистонов. Гистоны — это белки, ответственные за плотную упаковку цепи ДНК в хромосомы. Вместе с ДНК и некоторыми другими белками, гистоны образуют хроматин, видимую под микроскопом структуру ядра. Термин хроматин был впервые предложен В. Флеммингом ещё в XIX веке.
Гистоны могут подвергаться метилированию (присоединение СН3 группы), ацетилироваться (присоединение С2Н5 группы), фосфорилироваться (присоединение остатка фосфорной кислоты), сшиваться с коротким полипептидом под названием убиквитинин или небольшими белками, подобными убиквитинину. Распределение модифицированных гистонов неоднородно. Например, теломерный и перицентрический хроматин чаще всего имеет низкий уровень ацетилирования гистонов (294).
Подобные химические изменения гистонов часто приводят к внегенетической передаче наследственной информации (231, 286). Например, ацетилирование гистонов ведет к активации генов, тогда как присоединения убиквитина или подобных белков ведет к угнетению работы генов. Из-за ацетилирования приклеивание ДНК к гистоновому комплексу становится менее плотным и ДНК становится доступнее для транскрипции (305, 322). Тем самым возникает наследственное изменение структуры хроматина без изменения первичной структуры ДНК. По сути, можно говорить об особом гистоновом коде.
4.10. ПРИОНЫ
Прионы — это особо упакованные белки нейронов, которые при контакте с таким же белком насильственно его изменяют так, что он приобретает форму приона и получается две прионовые частицы. Прионы после прохода по транспортному пути оказываются на внешней стороне плазматической мембраны. В результате мутации или попадания приона извне, информация, связанная с трехмерным строением прионов, передается путем контакта белков и никак не связана с ДНК. При контакте клеток возможен контакт здорового и поврежденного белка приона и перенос информации с белка приона на одной плазматической мембране на здоровый белок, расположенный на другой плазматической мембране и тем самым распространения заражения. Ферменты клеток ни в лизосомах, ни во внеклеточном матриксе не могут резать прионы. Получается инфицирование и распространение токсического белка без всякого участия генов (187). Подобный тип наследования обнаружен для неких факторов в цитоплазме дрожжей. В данном случае возникает цитоплазматический тип наследования как в случае с пластидами и митохондриями. При прионном типе наследования белки не изменяют код ДНК, а лишь служат переключателями функционального состояния белковой системы.
Сверхэкспрессия белков, предшественников прионов, у мышей вызывает спонтанное появление прионных белков в цитоплазме клеток (56).
4.11. НАСЛЕДОВАНИЕ ТКАНЕВОЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
Центральная догма молекулярной биологии предложенная Криком (194) описывает механизмы, обеспечивающие тот факт, что все клетки сходны, но она оставляет вопрос открытым, как клетки высших организмов становятся разными. Есть данные о том, что все начинается с асимметрии зиготы — молекулы мРНК двигаются к одному полюсу яйцеклетки по цитоскелету (328). В 1956 г. Бирманом было открыто (166), что строение хромосом изменяется в ходе дифференцировки (созревания) тканей.
У человека имеется более 250 различных типов клеток. Подавляющее большинство клеток при созревании сохраняет весь свой генетический материал, однако не все гены используются для синтеза белков. У многоклеточных организмов большинство меток организма содержит полный набор генов, но обычно из этого набора используется крайне незначительный объем информации. Клетка просто физически не в состоянии постоянно синтезировать все 21000 генов одновременно (242).
Боннер (177) пишет, что каждый тип специализированных клеток высших организмов содержит характерные для них ферменты, но каждая продуцирует только часть ферментов, для которых их геном содержит всю информацию Он отмечает: ясно, что ядро содержит некоторые другие механизмы, которые определяют в каких клетках и через какое время в течение развития каждый ген должен быть активирован и произвести свою мРНК, и в каких клетках каждый ген должен оставаться неактивным, подавленным. Должна быть другая информация, не только та, что заключена в ДНК и обеспечивает синтез белка для того, чтобы объяснить клеточную дифференцировку".
Постоянно информация считывается только с тех гены, которые кодируют структурные белки и ферменты промежуточного метаболизма. Кроме этих постоянно необходимых генов имеется много других генов, активных только в определенных типах клеток, при определенных метаболических условиях или во время дифференцировки. Синтеза белка активируется по мере надобности и регуляция данного процесса чрезвычайно сложна.
Уровень экспрессии гена (то есть уровень синтеза кодируемого им белка) зависит от взаимодействия имеющегося набора транскрипционных факторов и доступности определенной части генома для синтеза РНК. В свою очередь доступность ДНК для синтеза на ней РНК определяется строением и химическим составом хроматина и метилированием самой ДНК (250).
По этому признаку, гены (пока я это слово употребляю условно) могут быть разделены на гены, которые экспрессируются во всех типах клеток и гены, которые экспрессируются только в определенном типе клеток (242).
Наследование тканевой принадлежности в культуре клеток животных и наследование фенотипических свойств при искусственном отборе растений и домашних животных, а также после вегетативной гибридизации основывается на активировании особых белков, так называемых транскрипционных факторов, но это не отрицает того факта, что приобретенные ими свойства наследовались в ряде поколений (292).
4.12. ИНАКТИВАЦИЯ ГЕНА
Один из вариантов «внегенетического» наследования приобретённых признаков основан на взаимной активации и инактивации генов… В активации/инактивации гена могут играть существенную роль как взаимодействие разных хромосом друг с другом, так и расположение гена на внутриядерной территории, запрещающей или, напротив, разрешающей экспрессию гена. Как пишет Марков (90), если мы рассмотрим систему из двух генов, где ген А контролирует синтез белка, одна из функций которого состоит в блокировании работы гена Б, а ген Б, в свою очередь, определяет выработку другого белка, способного «выключать» ген А, то такая система может находиться в одном из двух состояний: либо ген А «работает», и тогда ген Б «выключен», либо наоборот. Допустим, что переход системы из одного состояния в другое может происходить только в результате какого-то особого внешнего воздействия, происходящего довольно редко. То состояние, в котором находится эта «двухгенная» система в клетках матери, будет через яйцеклетку передаваться ее потомству (поскольку сперматозоид содержит пренебрежимо малое количество белков). Если же при жизни матери система переключится в другое состояние, этот признак передастся потомству, родившемуся после «переключения».
Наследуемые в клеточных поколениях активные или неактивные состояния гена, определяемые межхромосомными взаимодействиями или расположением гена в определенном внутриядерном пространстве, носят эпигенетический характер, то есть они не связаны с изменением нуклеотидной последовательности ДНК и являются обратимыми. Молекулярные механизмы эпигеномного наследования в этих случаях остаются полностью загадочными в отличие от других известных примеров наследуемого переключения активности генов, где существенную роль играют процессы обратимого метилирования ДНК.
Если несколько ферментов участвуют в выполнении какой-то одной определенной задачи, например, последовательно катализируют цепь биохимических реакций, расщепляющих, например, лактозу или синтезирующих аминокислоты, например, лейцин или триптофан, то очевидно, что синтез каждого из этих ферментов должен быть скоординирован с синтезом других ферментов этого метаболического, иначе единый метаболический путь не будет работать нормально.
У прокариот (бактерий) такая координация достигается тем, что гены таких ферментов расположены рядом (без "пробелов", останавливающих транскрипцию) и транскрибируются они с единой регуляторной зоны (в которой расположены промотор и оператор) в виде особой полицистронной (с множеством экзонов) мРНК. Такая организация регуляторных и структурных генов названа опероном.
Чтобы оперон заработал, РНК полимераза должна присоединиться к промотору, а репрессор, под действием определенного регуляторного сигнала, отсоединиться от оператора и, тем самым, открыть РНК-полимеразе путь для транскрипции структурных генов. В геноме бактерий расположены тысячи оперонов, в которых, в свою очередь содержатся структурные гены, кодирующих белки (или особые структурные РНК, не кодирующие белки), участвующие в выполнении какой либо единой функции.
Слияние крысиного миобласта и куриного эритроцита (эритроциты у птиц имеют ядра) приводило к набуханию ранее резко конденсированного ядра эритроцита (302). Слияние клеток мышц мыши с клетками печени, кожи или соединительной ткани вызывало активацию многих генов, которые ранее не использовались в мышечных клетках для синтеза закодированных в них белков и это происходило без участия эмбриогенеза (292).
4.13. ЧТО ПОКАЗАЛО КЛОНИРОВАНИЕ ДОЛЛИ?
Одним из аргументов в пользу исключительной роли ДНК в наследовании могли бы стать эксперименты с клонированием животных. Но стали ли? Только близнецы, появившиеся из двух клеток-бластомеров, появившихся из только что разделившейся зиготы, то есть клетки, которая образуется после слияния яйцеклетки и сперматозоида, имеют совершенно одинаковый генотип. Но у них имеются также совершенно одинаковые наборы РНК, белков, липидов и гормонов. В последние годы попытки доказать, что является единственным носителем наследственности были сделаны при клонировании животных.