Танец гистонов и гены делает нас теми, кто мы есть

Эпигенетика исследует, как внешние факторы, такие как диета или стресс, могут временно влиять на экспрессию наших генов.

В молекулярном центре этого процесса находятся гистоны — белковые структуры, вокруг которых обвивается ДНК. У этих гистонов есть хвосты, которые могут принимать или отдавать химические группы, включая или выключая определенные гены.

Новое исследование углубляется в эту область, в частности, нацелившись на неуловимый гистон H1, чтобы лучше понять активации генов, связанные с заболеваниями.

Что такое эпигенетика?

Большинству людей известно, что ДНК, наш генетический материал, играет решающую роль в нашем развитии, внешнем виде и восприимчивости к болезням. Эта ДНК существует в каждой нашей клетке и остается неизменной; когда клетка делится для обновления, она создает точную копию своей ДНК. Но если каждая клетка изначально имеет одну и ту же ДНК, почему все клетки не развиваются одинаково?

Это то, что наука называет очень хорошим вопросом, и в последние годы многие ученые сосредоточили свое внимание на эпигенетике; то есть на том, как внешние факторы могут на более короткие или более длительные периоды времени изменять экспрессию неизмененных в противном случае генов внутри клетки.

Такими факторами могут быть то, что мы едим, как мы занимаемся спортом или как мы стареем. Некоторые исследователи также полагают, что эпигенетические изменения могут передаваться от родителя к будущему ребенку, по сути кодируя ребенка для адаптации к среде, в которой живет родитель. Некоторые исследователи утверждают, что психологические влияния, такие как стресс и травма у родителей, могут приводить к эпигенетическим изменениям у будущего ребенка, например, повышению уровня гормонов стресса.

Эпигенетические изменения не являются постоянными и могут быть обратимы.

«Вся жизнь по своей сути молекулярна. Итак, идея о том, что организмы реагируют на воздействия на молекулярном уровне, логична. Я химик, и мне интересно, что происходит на молекулярном уровне, когда определенная эпигенетическая модификация влияет на ген», — комментирует Жасмин Мечинович (Jasmin Mecinovic).

Что такое гистоны?

Эпигенетические воздействия – независимо от того, задуманы они природой или вызваны факторами окружающей среды – инициируют химические изменения в определенных структурах, окружающих ДНК внутри каждого ядра клетки. Эти белковые структуры называются гистонами, и их основная функция — обеспечивать каркас, вокруг которого могут обвиваться нити ДНК длиной два метра.

Но у них также метафорически есть хвост, выходящий за пределы ДНК. Ферменты могут присоединять к этому хвосту или удалять небольшие химические группы. Когда ферменты делают это, они посылают сигнал через гистон в ядро клетки о том, что определенные гены внутри должны быть включены или выключены.

Геном — это весь генетический материал организма, содержащий огромное количество информации — большинство людей, вероятно, слышали об основаниях A, C, G и T, которые могут быть связаны между собой бесчисленными способами между двумя нитями ДНК. Каждое соединение приводит к уникальному геному, который, в свою очередь, определяет функцию клетки организма. Проще говоря, состав этих основ отвечает за такие черты, как цвет волос, рукопожатие или развитие дополнительных пальцев на ногах.

«Геном человека содержит не менее 20 000 генов, поэтому давайте сравним его с книгой в 20 000 страниц: она содержит много информации, но не все задействовано одновременно. Давайте представим, что у нас обоих есть экземпляр этой книги. Я открываю его на странице 10, а вы открываете на странице 100. Мы получаем две разные информации из одного и того же источника. Вот как это работает с генами; не все доступно постоянно, активируются только определенные части. И эта активация может быть вызвана белками, которые присоединяют, удаляют или распознают небольшие химические метки на гистонах», — объясняет Жасмин Мечинович.

Как и где ферменты присоединяют химические группы к гистонам и как такие изменения контролируют экспрессию генов — это огромная загадка, которую ученые получили возможность исследовать только в последние 30 лет. Изменения настолько малы, что необходимы чрезвычайно продвинутые химические инструменты, чтобы заглянуть в мир гистонов.

По той же причине исследователи в основном сосредоточились на четырех основных гистонах, вокруг которых обвиваются нити ДНК. Но есть пятый гистон, называемый линкером H1, который настолько неуправляем, что до недавнего времени его невозможно было изучить с помощью существующих методов.

«Представьте, что у этого гистона есть «руки-спагетти», которые постоянно порхают вокруг, из-за чего его трудно сфотографировать; это как если я помашу рукой, пока ты фотографируешь, и все станет размытым. Но этот гистон существует у людей и в других сложных формах жизни, поэтому он должен выполнять важную функцию, и именно это я хочу исследовать», — добавляет Жасмин Мечинович.

Одной из основных задач этого нового проекта является разработка химических методов, которые смогут выявить то, что происходит в эпигенетических уголках неуправляемого гистона H1.

Как и другие гистоны, H1 также имеет хвост, выходящий за пределы ДНК. Ферменты также могут модифицировать его и модифицировать гены в ядре клетки через линкерный гистон.

«Итак, еще одной основной задачей будет попытка сконструировать гистоны H1, которые мы сможем специально модифицировать, чтобы они выглядели как настоящие H1, чтобы увидеть, какой эффект они могут оказать на взаимодействия с гистонами, эпигенетическими белками и ДНК», — объясняет Жасмин Мечинович.

Изучение того, как гистон H1 взаимодействует с другими биомолекулами на молекулярном уровне, является фундаментальным химическим исследованием. Однако это также исследования, связанные с болезнями и медициной, поскольку гистоны могут вызывать нежелательную активацию или подавление генов, что приводит к таким заболеваниям, как некоторые виды рака и аутоиммунные заболевания, такие как ревматоидный артрит, волчанка, диабет 1 типа и рассеянный склероз.

Авторы другого исследования выяснили как мутации в метаболизме могут привести к раку