У млекопитающих метилирование ДНК, являющееся наиболее хорошо изученным эпигенетическим сигналом, осуществляется преимущественно по углероду-5 симметричных динуклеотидов CpG. Состояние метилирования ДНК сохраняется после деления клетки посредством активности ДНК-метилтрансферазы 1, которая метилирует полуметилированные динуклеотиды CpG в дочерних клетках. Модификации хроматина включают ковалентные посттрансляционные модификации торчащих амино-терминальных гистоновых «хвостов» путем добавления к ним ацетильных, метильных, фосфатных, убиквитиновых или других групп. Метильные модификации могут представлять собой моно-, ди-, или три-метилирование. Эти модификации составляют потенциальный «гистоновый код», лежащий в основе специфической хроматиновой структуры, которая, в свою очередь, влияет на экспрессию соседних генов. Так как хроматин состоит из плотно упакованных цепей ДНК, завернутых вокруг гистонов, паттерн укладки ДНК в хроматин несомненно лежит в основе изменений генной активности. Хотя гистоновые коды и хроматиновые структуры могут стабильно передаваться от родительской в дочерние клетки, механизмы, лежащие в основе репликации таких структур, поняты не полностью. Эпигенотип проявляет пластичность во время эмбрионального развития и постнатально, в зависимости от факторов внешней среды и жизненного опыта (см. раздел 3.4); таким образом, не удивительно, что эпигенотипы могут вносить свой вклад не только в нарушения эмбрионального развития человека, но также в постнатальную патологию и даже заболевания взрослых людей. Обнаруженный совсем недавно класс молекул, играющих роль в эпигенетическом сигнале, — это молекулы некодирующих РНК. Многие годы класс не кодирующих белки РНК (non-protein-coding RNA — ncRNA) включал в себя только транспортные, рибосомные и сплайсосомную РНК. Недавно, благодаря тому, что стали доступны нуклеотидные последовательности геномов множества разнообразных организмов, а также благодаря молекулярно-генетическим межвидовым исследованиям (от Escherichia coli до человека), список ncRNA расширился, и это привело в результате к идентификации сотен малых ncRNAs, в том числе малой ядрышковой РНК (small nucleolar RNA - snoR-NA), микроРНК (micro RNA — miRNA), коротко-интерферирующей РНК (short-interfering RNA—siRNA) и малой двунитевой РНК Некоторые из этих молекул малых РНК регулируют модификации хроматина, импринтинг, метилирование ДНК и транскрипционный сайленсинг, что детально обсуждается в главе 8.
Первое определенное свидетельство роли, которую эпигенетика играет в заболеваниях человека, имело место после того, как поняли геномный импринтинг и нашли, что некоторые гены регулируются с помощью этого механизма (Reik, 1989). Геномный импринтинг — это форма эпигенетической регуляции, при которой экспрессия гена зависит от того, унаследован ли этот ген от матери или же от отца. Таким образом, в импринтированном диплоидном локусе имеет место неравная экспрессия материнской и отцовской аллелей. В каждом поколении родительски-специфичные импринтные метки должны стираться, «перезагружаться» и поддерживаться, делая, таким образом, импринтные локусы уязвимыми по отношению к любого рода ошибкам, которые могут происходить во время этого процесса. Такие ошибки, как и мутации генов, кодирующих белки, которые участвуют в метилировании ДНК, связывании с метилированной ДНК и модификациях гистонов, — все это вместе вносит свой вклад в быстро растущий класс нарушений, влияющих на эпигеном человека (рис. 23.1).
2. Исследования болезней человека вскрывают роль эпигенетики в биологии
Нет сомнений в том, что изучение модельных организмов явилось ключевым фактором для понимания многих биологических принципов, особенно в области генетики, биологии развития и нейрологии. Однако часто забывают, что, каких бы аспектов биологии мы не касались, одним из наиболее важных модельных организмов является человек. Описание тысяч болезней человека представляет собой наиболее полную картину мутаций, по сравнению с любым другим видом; и если эти фенотипы будут систематически и тщательно изучены, то, возможно, они позволят не только добиться медицинских успехов, но и проникнуть в биологическую суть заболевания. Не удивительно поэтому, что отношения между генотипом и фенотипом, которые поставили под вопрос менделевское наследование в случае «динамических мутаций», были выявлены в процессе изучения пациентов с синдромом ломкой Х-хромосомы (Pieretti et al., 1991). Нередко пациенты с уникальными особенностями и наблюдающие их врачи открывают новую область в биологии, выявляя неизвестные генетические и молекулярные механизмы. И действительно, именно таким образом и была выявлена роль эпигенетики в развитии и в заболеваниях человека.