© depositphotos/NataliMis
Оксана Маньковська
Ви коли-небудь замислювалися про те, як наше тіло виробляє та координує безліч різних клітин? Почнемо з молекули, яка відповідає за здатність клітини зберігати та передавати інформацію про її структуру та функції – ДНК. ДНК міститься в кожній клітині, за винятком тих, які втрачають її протягом життя. Він служить посібником з інструкціями – генами. Інша важлива біологічна молекула, РНК, відіграє роль у точному тлумаченні цих інструкцій і передає інформацію, на основі якої побудовані білки. Білки виконують широкий спектр функцій, які забезпечують життя та діяльність клітин.
Важливо відзначити, що наша ДНК щільно упакована — інакше вона просто не поміститься в клітинному ядрі! Орієнтовна довжина людської ДНК становить приблизно два метри, тоді як розмір ядра вимірюється мікрометрами. Отже, ДНК обертається навколо білків гістонів, зазнаючи значного ущільнення з утворенням щільної структури, відомої як хроматин. Однак для синтезу РНК ДНК має частково розкрутитися в місці цільового гена. Це явище пояснює, чому не всі наші гени експресуються одночасно; деякі активуються частіше, деякі рідше, а деякі залишаються зовсім «мовчазними». Співвідношення цих генів відрізняється від одного типу клітин до іншого — отже, наші клітини печінки відрізняються від клітин м’язів, навіть незважаючи на те, що ДНК у їхніх ядрах ідентична від народження. По суті, клітинна ДНК кодує директиви на кшталт «Я вмію танцювати і співати, ліпити з глини, вишивати». Одні осередки тлумачать це як «Я вмію танцювати і співати», інші читають «Я вмію ліпити з глини», а треті — «Я вмію вишивати». Таким чином, ми володіємо різними клітинами з різними можливостями, незважаючи на однорідність їхньої ДНК. Цей механізм регуляції – це саме те, що вивчає епігенетика.
Епігенетичні диригенти Gene Orchestra
Що досліджує епігенетика? На рівні окремих клітин він досліджує впливи, які керують діяльністю наших генів, подібно до того, як диригент керує оркестром, заглушаючи одні інструменти та підсилюючи інші — зрештою створюючи різноманітні музичні композиції з тим самим ансамблем.
Добре відомим прикладом є однояйцеві близнюки, які, маючи однакову ДНК, відрізняються зовнішністю (та іншими рисами). Протягом свого життя вони можуть стикатися з різними впливами навколишнього середовища та приймати різні способи життя, що зрештою призводить до того, що вони стають «особливими особистостями».
Що являє собою епігенетика? Дослідження показали, що епігенетичні маркери на хромосомах однояйцевих близнюків надзвичайно схожі у віці трьох років, але значно розходяться до п’ятдесяти років. Ці маркери складаються з метильних груп, приєднаних до молекули ДНК. Отже, сама наявність чи відсутність певного хімічного маркера в нашій ДНК справляє такий глибокий вплив на наш зовнішній вигляд і здоров’я?
Давайте заглибимося в це.
Початковий запит, який може виникнути: чому ця «епігенетика» (точніше, епігенетичні зміни чи модифікації) важлива? Навіть якщо всі генні інструменти працюють добре і видають гармонійні звуки, без партитури та диригента вони не створять якісної музики. Важливо знати, що грати, як грати, коли мовчати, динамічні нюанси, які потрібно використовувати, темп тощо. Тому регуляція ДНК є вирішальною і важливою навіть для одноклітинних організмів!
В даний час відомі три основні епігенетичні механізми: вищезгадане метилювання молекули ДНК, регуляція хроматину через приєднання різних хімічних груп до білків гістонів і, звичайно, безліч так званих некодуючих РНК (тобто РНК, які не транслюються в білки після транскрипції, але все ще функціонують незалежно всередині клітини).
Метилювання ДНК дійсно є хімічною зміною молекули ДНК, яка є відносно стабільною і не відбувається спонтанно. За це відповідають спеціальні білкові каталізатори (ферменти). Деякі ферменти додають метильну групу до ДНК, а інші видаляють її. Найважливішу роль у регуляції генів відіграє метилювання в місцях, відомих як промотори — саме тут відбувається активація гена. Метильні групи пригнічують цю активацію; отже, ген, позначений таким чином, залишатиметься мовчазним, доки він не буде «неметильованим».
Ситуація з гістонами дещо складніша, оскільки до них додаються не тільки метильні групи, а й ацетильні та інші. Залежно від того, яка мітка прикріплена та де вона розташована на гістонах, хроматин може або щільніше ущільнюватися, обмежуючи доступ до генів у цій області, або послаблюватися, дозволяючи генам отримати доступ для синтезу РНК, таким чином сприяючи продуктивності «оркестру».
Некодуючі РНК представляють окрему та захоплюючу розповідь. Довгий час вважалося, що гени, які не кодують білки, були зайвими, по суті генетичними відходами. Дивно, але в нашій ДНК є значна кількість цих так званих відходів. Зрештою вчені виявили, що хоча ця ДНК не кодує білок, отримана з неї РНК відіграє вирішальну роль у клітині. Некодуючі РНК дуже різноманітні, відрізняються за розміром і мають широкий набір функцій. Наприклад, мікро-РНК можуть деградувати РНК генів, які вже були транскрибовані, тоді як довгі некодуючі РНК можуть діяти як «супергерої», зв’язуючи мікро-РНК із собою, щоб захистити месенджерну РНК гена. Їх функції виходять далеко за рамки… Сьогодні важко визначити будь-який клітинний процес, на який ці молекули не впливають! Не дивно, що Нобелівську премію з фізіології та медицини 2024 року було присуджено за відкриття мікроРНК.
А тепер подумайте на хвилинку про те, наскільки зрозумілим вам все здавалося раніше: є ДНК, є гени, і на основі цих генів ми володіємо певними рисами. Виявляється, не тільки від них все залежить!
Вам цікаво, як зовнішні фактори впливають на згадані вище епігенетичні процеси? Вчені ще
