Интервью заведующего лабораторией эпигенетики МГНЦ, д.б.н. Владимира Стрельникова программе Российского Радиоуниверситета

Современная медицина неотделима от новейших генетических исследований. О развитии медицинской генетики в России, о возможностях изучения генетических болезней, о том, как будет меняться современная медицина – уникальный цикл бесед «Медицинская генетика» с ведущими специалистами Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Беседовал: автор и ведущий программы Российского Радиоуниверситета Радио России Дмитрий Конаныхин

 

Что такое эпигенетика? Чем она полезна здоровью? Медицине? Это что-то большее, чем генетика, или это мировоззрение о том, как работают наши гены?

Со студентами я начинаю лекции с того, что эпигенетика – это сверхгенетика, если рассматривать часть слова «эпи». Также понятно, что это механизм, регулирующий свойства людей сверх генетического кода, который мы получаем от родителей. Уже тысячелетие назад люди пользовались знаниями, которые позволяли им из двух геномов от разных видов животных (осел и лошадь) получить отличающееся по своим свойствам и внешнему виду потомство, в зависимости от того, в каком сочетании (от  отца или  от  матери ) геномы участвовали в скрещивании. Полученное потомство отличается как друг от друга, так и от родителей. При этом задействуется геном от лошади и геном от осла – в этом схожесть скрещивания, но результат получается разный в зависимости от происхождения генома. Появление различных признаков на фоне одних и тех же геномов – это и есть следствие проявления эпигенетической регуляции. В более научном смысле эпигенетика – это явление, которое влияет на проявление признаков без изменения нуклеотидной последовательности генома.

Представим генетическую запись, которая записана в нашей дезоксирибонуклеиновой кислоте как последовательность страниц в книге. Можно читать страницы подряд, разные главы, а можно подойти к полке, на которой стоят разные тома и, прочитав их, получить разные истории. Правильно ли я понимаю, что в зависимости от того, как внешняя среда влияет на носителя этой генетической информации, может по-разному считываться последовательность, которая закодирована, и получатся разные истории, разные организмы?

Не стоит путать понятия внешняя среда и эпигенетика. Эпигенетические механизмы – это естественные  механизмы, действующие  на протяжении всей нашей жизни, от зиготы и до естественного окончания жизни, вне зависимости от того, как среда обращается с организмом. Если эпигенетические механизмы не будут действовать, тогда невозможно никакое развитие эмбриона, специализированных органов и тканей, никакое функционирование организма.

То есть получается, что внешняя среда не влияет на проявление тех или иных эпигенетических законов?

И да, и нет. Нет единого центра управления организмом. Нельзя сказать, что всем управляет геном, транскриптом или факторы внешней среды. Все эти многофакторные явления создают наш организм, его свойства, его поведение в очень сложном взаимодействии.   

Основная догма молекулярной биологии: информация, закодированная в ДНК, передается в РНК, которая затем направляет синтез белка. Но не все участки ДНК должны с одинаковой интенсивностью превращаться в РНК и, соответственно, в молекулы белка. Во всех клетках организма должна быть регуляция. Основной вопрос заключается в том, в какое время и в каком месте развивающегося организма надо включить или выключить определенные гены – это и есть эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов. У человека особенно важна эпигенетическая регуляция в процессе развития головного мозга в эмбриогенезе. Именно нарушения эпигенетической регуляции приводят к интеллектуальным расстройствам, сопровождающим многие генетические синдромы.

Что может послужить причиной нарушения развития головного мозга в эмбриогенезе? Недостаток питания, пищевые, химические отравления, недостаток кислорода?

Как можно активировать экспрессию того или иного гена или выключить экспрессию конкретного гена? В чем заключается регуляция? Экспрессия гена заключается в том, что РНК-полимераза связывается с ДНК гена. И с ДНК гена считывает РНК, обеспечивая первый этап основной догмы молекулярной биологии ДНК – РНК. РНК-полимераза должна связаться с ДНК, чтобы начать считывание РНК, но для этого ДНК должна быть свободна, доступна для РНК-полимеразы. Активно экспрессируются те гены, в которых механически есть свободные пространства для связывания с РНК-полимеразой.

Структура хроматина может быть более или менее плотной, свернутой, т.е. более или менее доступной для белков. Настройка нити ДНК производится с помощью некоторого количества регуляторных белков, которые очень тонко настраивают экспрессию генов (свернутость хроматина). Даже ничтожная разница в экспрессии генов может сказаться на развитии головного мозга. Белков, которые регулируют свернутость хроматина, очень много. Каждый белок кодируется своим геном, при этом каждый из генов может быть поврежден мутацией.  В медицинской генетике поврежденный ген может привести к болезни, вызванной этой мутацией. Если мутация затрагивает ген, который кодирует белок регуляции экспрессии генов, то нарушается и тонкая регуляция экспрессии генов. Таким образом, повреждение генома – это нарушение эпигенетической регуляции реализации генома.

ДНК компактизирована на нуклеосомах, которые состоят из гистонов. Если генетический материал плотно упакован в конкретном месте, то в этом месте не будут экспрессироваться гены, так как не сможет пробиться полимераза, и не сможет начать синтезировать РНК.

Значит ли это, что медицинская генетика может и должна лечить эти проблемы?

Это пока не представляется возможным. Нарушения произошли на этапе развития, и неправильно развились определенные структуры. И пока нет инструментов, чтобы эти структуры привести в норму. На сегодняшний день мы можем предлагать семьям медико-генетическое консультирование и пользоваться уже давно вошедшим в практику врачей-генетиков прогнозом потомства. Еще 20-25 лет назад ни одна наследственная болезнь не лечилась, а генетики могли только консультировать семьи.

Чем занимается ваша лаборатория? Над чем вы работаете?

Можно выделить два основных направления в работе. Одно из них связано с медицинской генетикой – с синдромами, которые могут проявляться уже с рождения и в первые годы жизни и влиять на жизнеспособность или на здоровье детей. Второе направление – это молекулярная онкология, молекулярная эпигенетика (эпионкогенетика), так как в любой злокачественной опухоли можно обнаружить явные и значительные изменения эпигенетических меток.  Какую бы пробу опухоли нам ни доставили для исследования, мы всегда найдем в ней изменения эпигенома. Зачастую эти изменения бывают неспецифичными, поэтому далее мы начинаем искать специфичные маркеры, которые смогут говорить об особенностях биологии конкретной опухоли, о прогнозе для пациента и о чувствительности к препарату.

Мы можем поговорить об изменениях, начавшихся в эмбриональный период развития, и об онкологических заболеваниях. Как генетики подошли к проблеме онкологии?

Началом эпигенетики можно считать наблюдение, сделанное в 1924 г., когда в обычной биохимической лаборатории был обнаружен пятый элемент в составе ДНК, который был позже идентифицирован как метилцитозин. Это модифицированный цитозин, который присутствует в любой ДНК. Но именно его присутствие или отсутствие в регуляторных участках генов является маркером активности или неактивности этих генов. Активные гены, как правило, метилированы, а неактивные гены, как правило, нет. Современные технологии позволяют довольно легко изучать одну модификацию ДНК – метилирование цитозина, что отражает в себе все изменения эпигенетической регуляции, которой подвержен геном.

Если сравнить ДНК, выделенную из опухоли, и из образцов нормальной ткани этого же органа, то очевидно, что в образцах из опухоли общее содержание метилцитозина в составе ДНК ниже, чем в составе ДНК из здоровых тканей. В то время, когда еще не было генетической или эпигенетической теории опухолей, не было понимания, какие изменения в геноме приводят к образованию опухолей. Но этот маркер неспецифический, с его помощью трудно поставить диагноз, определить прогноз.

Главное отличие генома злокачественной опухоли – геномная нестабильность. Это связано с метилированием, так как метилирование выключает гены мобильных элементов, потенциально вредных, активация которых и может приводить к нестабильности генома. Именно поэтому большая часть нашего генома метилирована для того, чтобы успокоить эти мобильные элементы. И когда происходит гипометилирование (деметилирование) генома, мобильные элементы активизируются, что является эпигенетическим свойством. Это приводит к нестабильности генома и структурному закреплению опухолевого генома.

Когда метилирование снижается, это является показателем, что появляется проблема?

Пока не было современных способов анализа ДНК, таких, например, как высокопроизводительное параллельное секвенирование (NGS) и микрочиповые технологии, все сводилось к измерению уровня метилирования в препарате. Сейчас мы можем отсеквенировать весь геном с учетом цитозина и метилцитозина. А с помощью новых технологий мы можем узнать, в какой точке генома и в каком состоянии находятся цитозины, не является ли аномальное метилирование в определенном участке хромосомы характерным для одних и тех же опухолей, склонных хорошо отвечать на предоперационную химиотерапию. И тогда этот признак становится диагностическим и прогностическим маркером.

Для этого необходимо набрать очень хорошую статистику и использовать высокие технологии?

Именно поэтому мы работаем в мультидисциплинарной команде. Врачи собирают, по возможности, больше образцов детально охарактеризованных опухолей, врачи-лабораторные генетики проводят исследования, затем подключаются биоинформатики и специалисты в области статистики, без которых в настоящее время невозможно изучать биологические явления.

Получается, чтобы разобраться в этих сложных проблемах, необходимы и математики, и программисты, и множество смежных знаний. И только совместные усилия дают возможность расшифровки сложнейших медицинских проблем?

Участие клинических врачей, врачей-генетиков, лабораторных генетиков, химиков, физиков, инженеров, математиков, биоинформатиков позволяет при современном уровне развития технологий детально разобрать эпигенетический состав образцов злокачественных опухолей с разными свойствами и выявить наиболее  значимые, наиболее общие эпигенетические маркеры, которые потенциально могут помочь прогнозировать течение заболевания, предсказывать  эффективность различных схем химио- и радиотерапии злокачественных опухолей. В перспективе – подсказывать цели для разработки новых средств таргетной терапии опухолей, что должно способствовать лечению и безрецидивной выживаемости больных со злокачественными новообразованиями.