Эпигенетика: наука об управлении генами

Эпигенетика: наука об управлении генами

Genetic engineering

Известно, что развитие организма управляется ДНК, а именно: РНК и функциональными молекулами белков. Их образование носит последовательный характер, а информацию об их строении передаёт по наследству ген. В свою очередь, каждый ген (или их группа) — это определённый участок ДНК, кодирующий белки на отдельные действия. Например, приказывает им быть клетками сердца или сосудов, роговицы или ногтевой пластины.

 

Однако влияние на клетку свойственно не всем генам. Некоторые из них лишь управляют себе подобными, а те, в свою очередь, кодируют белки. Также не все гены организма вообще работают: одни из них могут быть просто «выключенными», а при определённых условиях они «включаются».

 

Наука об управлении генами

ген_4

Появляется закономерный вопрос: какие факторы программируют гены на работоспособность и бездействие без нарушения цепочки ДНК? Именно этим занимается сравнительно молодая наука — эпигенетика. Главная цель ученых-эпигенетиков — объяснить механизм активности генов и научиться влиять на факторы, управляющие ими.

 

Что данные исследования дадут человечеству?

 

Можно убедительно говорить, что люди забудут о многих заболеваниях наследственного характера. И это не всё: человек может научиться управлять своим геномом, исключая «поломку» клеточного ядра, обеспечивая качественное деление клеток в организме.

 

Результатом становятся:

 

- медленное старение (или его полное отсутствие),

 

- большая продолжительность жизни.

 

Достичь таких целей можно не только в будущем при условии создания инновационных лекарственных препаратов, воздействующих на плохую наследственность. Эпигенетики открывают новые концепции для профилактики «поломки» организма на клеточном уровне. И уже сейчас объясняют, как можно самостоятельно приблизиться к этому.

 

Главный герой эпигенетики

 

Эпигенетики назвали механизм управления клеткой эпигеномом. Именно он командует геном: сообщает ему, когда активироваться, какими свойствами наделить клетку, как она должна развиваться, где и когда. А также: сколько она будет жить, станет ли восприимчивой к болезням, каким именно, и все другие условия её существования.

 

Что собой представляет эпигеном?

 

Следует отметить, что геном клетки (её наследственный материал) и эпигеном принципиально отличаются своими задачами. Геном любых клеток человека — одинаковый. Он не меняется в зависимости от их назначения и функций; несёт информацию, но не решает, как ею распорядиться. А эпигеном находится «над ним», он включает в себя все эпигенетические изменения наследственного материала. Его управление происходит за счёт так называемых «переключателей», которые включают/выключают определённые группы или отдельный ген, когда появляются провоцирующие факторы.

 

Именно при помощи переключателей учёные смогли понять, какие из генов (из 3-х млрд молекул, составляющих ДНК) выключены у современных людей по сравнению с неандертальцами. К этому открытию исследователи шли несколько лет, пока пытались «собрать» эпигеном человека, который сейчас называют вторым генетическим кодом или программой по управлению генами.

 

Таким образом, было выяснено, что:

 

- гены неандертальцев, отвечающие за форму, размер рук и ног, выключены у современных людей; именно поэтому они не такие огромные и короткие, как у древнего человека;

 

- гены, отвечающие за психические нарушения в ДНК современного человека, были выключены у неандертальцев (последние не страдали психическими патологиями).

 

Речь идёт о психических отклонениях, приводящих к шизофрении, аутизму, болезни Альцгеймера. Данные открытия представляют ценность тем, что стали возможны лишь при расшифровке эпигенома, ведь структура ДНК при этом остаётся постоянной.

 

Справка: ДНК современного человека и неандертальца совпадает на 99,84%.

 

Анализ генома человека: интересные факты

 

Благодаря открытию переключателей, учёные смогли объяснить результат секвенирования генома человека, которое завершилось в 2003 г. Секвенирование — переложение на текст нуклеотидной последовательности ДНК.

В результате было обнародовано несколько интересных фактов, например:

 

- генетический код человека состоит из 22 тысяч генов,

 

- генетический код амёбы и человека отличается в 200 раз (у амёбы он длиннее).

 

Отсюда вопрос: почему у высокоразвитого организма человека такой короткий генетический код по сравнению с амёбой? Эпигенетики объясняют это так: в пределах одного наследственного кода синтезируется множество вариантов белков, они умеют преобразовываться, а обеспечивает данную регуляцию именно эпигеном. Таким образом, сравнительно небольшое число генов создаёт сложнейший организм человека. Макроотличия между людьми и схожими с ними по геному шимпанзе также состоят именно в эпигеноме.

 

Гистоновый код как инструмент эпигенома

 

Следует отметить, что управление генами происходит через метильные группы посредством гипо- и гиперметилирования. Процесс осуществляется добавлением метильной группы к цитозину (одной из 4-х молекул связей ДНК). Гипометилирование приводит к включению, а гиперметилирование — к выключению метильных групп. Таким образом, создаётся активация/деактивация определённых генов. Этот эффект помогает управлять болезнями. Например, деактивация гена каспазы CASP3 исключает развитие болезни Альцгеймера.

 

Человек может влиять на процесс метилирования, принимая доноры метильных групп в виде таблеток, которые сейчас активно предлагает медицина. Однако учёные определили, что в этом случае отсутствует избирательный момент, и, например, выключаются не только патологические, но и необходимые для здоровья гены. Это значит, что искусственный процесс метилирования остаётся нестабильным, и человек может спровоцировать у себя развитие смертельной патологии.

 

Кроме метилирования на модификацию белков оказывают влияние фосфорилирование и ацетилирование. При этом речь идёт о гистонах, так как именно эти белки «упаковывают» нити ДНК в хромосомы. Гистоны располагаются на поверхности нуклеосом. Набор данных модификаций (метилирование, фосфорилирование, ацетилирование) называется: гистоновый код, и от него зависит доступность к молекуле ДНК регуляторных факторов, а значит — экспрессия генов.

 

Стоит отметить, что большую часть гистонового кода составляет метилирование. В сущности именно гистоновый код и является эпигенетическим инструментом влияния на гены. От него зависит включение/выключение и передача данной «программы» по наследству.

 

От чего зависит поведение эпигеномов и как влиять на них природными способами?

 

Исследователи пришли к выводу, что на эпигеном человека оказывает влияние окружающая среда. При помощи «переключателей» люди приспосабливаются к определённому образу жизни. Эти возможности «записываются» не в ядре клетки (не в гене, не во всей ДНК), но в эпигеноме, и сохраняются в течение жизни. А при зачатии  ребёнка  передаются по наследству. Эпигеном новорождённого пластичен, максимально адаптивен и восприимчив к сигналам извне, но выстраиваясь несколько по иному, чем у  его родителей, он имеет всё же некоторую наследственную память.

 

Именно поэтому на будущем потомстве отражается образ жизни кровных предков. В поведении детей, внуков прослеживаются привычки родителей, дедушек и бабушек. Вследствие этого напрашивается вывод: человек способен сам изменить свойства своего организма в лучшую сторону, изменив образ жизни на здоровый. И, наоборот.

 

При этом не только питание отражается на риске заболеть и возможности быть здоровым. Поведенческие привычки, характер также имеют значение. Таким образом, человек может манипулировать своими «переключателями» и совершенствоваться на психическом, физическом, а, точнее сказать, на клеточном уровне.

 

Как и зачем можно расшифровать свою ДНК?

 

Благодаря этому, перспективы управления человеком своим геномом приобретают вполне возможное обоснование. Уже сейчас человек может получить расшифровку своей ДНК, обратившись в коммерческие фирмы, специализирующиеся на биотехнологиях.

Клиент получает анализ своего генома, вследствие чего может:

 

- остановить приближение старости исключением неподходящих продуктов, видов спорта,

 

- определить риск наследственных патологий для планирования беременности и рождения ребенка,

 

- провести профилактику болезней, подобрать дозировку лекарств для эффективного лечения.

 

Открытая перспектива

 

Эпигенетические технологии стремительно развиваются и сегодня становятся доступными простому человеку. Данные исследования стали возможны, благодаря революционному прорыву в изучении преобразования наследственной информации гена  РНК -посредником в белок. Процесс называется экспрессией генов, и регулируется он эпигеномом. А непосредственно на эпигеном может оказывать влияние человек, изменяя способ жизни, привычки.

 

Однако этого мало. Человек, скорее всего, захочет контролировать ситуацию в режиме «on-line», то есть, сейчас, а не в перспективе на будущие годы и следующие поколения своего рода. Этот вопрос на сегодняшний день остаётся открытым.

 

Будущее сегодня: применение ДНК-микрочипа

 

Для определения экспрессии генов проводится секвенирование РНК, также специалисты применяют ДНК-микрочип. Последний представляет собой матрицу, в которую помещён геном человека. Достаточно взять каплю крови, чтобы определить развитие тяжёлых заболеваний в будущем. Уже доказано, что из часто встречающихся патологий таким способом легко определяется рассеянный склероз за 15 лет до его появления.

 

В сущности, ДНК-микрочип (биологический микрочип) является  устройством идентификации генов, генетическим паспортом, который мог бы иметь каждый человек.

Принцип работы чипа состоит в параллельной гибридизации, смешивании предварительно помеченных РНК или кДНК, выделенных из биологического образца (мишеней) и специфичных фрагментов генов (ДНК-зондов), нанесённых в строго регулярном порядке на подложку ДНК-матрицы с последующим считыванием полученных результатов лазером или иным детектирующим устройством и автоматической обработкой данных компьютерными системами.

 

Работа с ДНК-матрицей:

 

- получение из исходного исследуемого образца РНК, кДНК;

 

- маркеровка мишеней флуоресцентной (предпочтительней) либо радиоактивной (последнее не рационально по многим причинам) меткой методом встраивания маркеров-нуклеатидов в РНК или кДНК;

 

- монтаж или синтезирование (in situ) на подложке ДНК-матрицы тем или иным способом ДНК-зондов;

 

- собственно смешивание, гибридизация мишеней и ДНК-зондов, их локализация-взаимодействие;

 

- считывание конфокальным лазерным сканером ген-специфичных сигналов, образовавшихся на подложке ДНК-матрицы пар комплиментарных друг другу меченых РНК или кДНК и ДНК-зондов;

 

- обработка полученных данных на вычислительной технике с применением специальных компьютерных программ;

 

- получение результатов, идентификация генов или вирусов, предрасположенности человека к болезням.

 

Следует отметить, что в РФ использование ДНК-матриц из научно-исследовательской области переносится в диагностические центры и постепенно входит в обыденную жизнь, а в Израиле технология применяется для превентивной диагностики рассеянного склероза и других патологий. Прибор выглядит, как плоская кассета величиной со стандартный спичечный коробок. Но есть уверенность, что в будущем он будет величиной с микрочип мобильного телефона, возможно, кластерным и наноразмерным. Такой чип можно будет ввести под кожу или в кровеносную систему, и он станет информатором а, возможно, и регулятором здоровья с рождения человека. Но многие люди скорее предпочтут носить его «independently and outside their own body»  – независимо и вне их собственного  тела.

 

Три процента кодирования

 

Вернувшись к управлению клеткой, следует отметить: именно от эпигеномов зависит качественная экспрессия белка. Если «переключатели» «сломаются», процесс включения/выключения нарушится, и это станет стартом для развития болезни. Человеку надо научиться управлять своим эпигеномом, тогда включенными будут лишь необходимые для долголетия гены.

А на поведение «переключателей», как говорилось выше, влияют:

 

- окружающая среда,

 

- способ жизни человека,

 

- уровень жизни прямых предков.

 

Следует сказать, что большая часть ДНК (97%) является некодирующей. Лишь 3% генома человека представлено генами, способными к кодированию. Огромная некодирующая часть молекулы, по мнению учёных, влияет на мутации и эволюционные процессы организма. Эта часть науки изучена не полностью и требует детальных исследований скрывающихся здесь прошлых и, возможно, будущих адаптационных возможностей человека.

 

Персонализированная генная медицина

 

Своими инновационными исследованиями эпигенетики приближают человечество к созданию и эффективному использованию системы индивидуально точной, прецизионной, персонализированной медицины. Лечение в таком случае основывается на генетических особенностях организма. Управление наследственным кодом позволяет получить принципиально новые способы лечения рака, сердечнососудистых патологий, болезней Паркинсона и Альцгеймера. А также стимулирует людей вести качественно лучшую жизнь, чтобы оставаться молодыми и здоровыми.

 

В статье использованы фото, скопированные с сайта: usiter.com

Автор: Administrator

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>