Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности

2. Эта память сохраняется даже после деления клеток. Это можно сравнить с тем, как клетки животных продолжают вести себя определенным образом уже после того, как родительская клетка испытала на себе действие некоего раздражителя, как это происходит при нормальном развитии или раке.

3. Эта память утрачивается в следующем поколении (у семян). Это сопоставимо с тем, как у животных бесследно стирается большинство изменений в соматических тканях, так что наследование по Ламарку является исключением, а не правилом.

Итак, как феномен, яровизация выглядит очень похожей на эпигенетику. За последние годы ряд лабораторий сумел подтвердить, что в основе яровизации, на уровне модифицирования хроматина, лежат именно эпигенетические процессы.

Ключевой ген, ответственный за яровизацию, называется FLOWERING LOCUS С или, сокращенно, FLC. FLC кодирует белок, называемый транскрипционным репрессором. Он присоединяется к другим генам и не позволяет им активироваться. Для цветения Arabidopsis thaliana особенно важны три гена — FT, SOC1 и FD. На рисунке 15.1 показано, как FLC взаимодействует с этими генами и какие последствия это имеет для цветения. Здесь же продемонстрировано, как меняется эпигенетический статус FLC после окончания продолжительного периода холодов.

^{Рис. 15.1. Эпигенетические модификации регулируют экспрессию гена FLC, репрессирующего гены, способствующие цветению, Эпигенетические модификации на гене FLC контролируются температурой}

До наступления зимы промотор гена FLC несет на себе множество гистоновых модификаций, которые включают экспрессию гена. По этой причине ген FLC экспрессируется чрезвычайно активно, и белок, который он кодирует, связывается с генами-мишенями и репрессирует их. Благодаря этому растение существует в нормальной для себя вегетативной фазе роста. После зимы гистоновые модификации на промоторе гена FLC меняются на репрессивные и подавляют ген FLC. Уровни белка FLC падают, в результате чего активность генов-мишеней восстанавливается. Увеличение продолжительности светового дня при наступлении весны активирует экспрессию гена FT. Очень важно, чтобы к началу этой стадии уровни белка FLC понизились, поскольку, если они останутся высокими, гену FT будет крайне сложно реагировать на раздражитель солнечного света[275].

Эксперименты с мутировавшими версиями эпигенетических ферментов показали, что изменения гистоновых модификаций на гене FLC имеют принципиальное значение для контролирования реакции на цветение. Например, ген под названием SDG27 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 4 на гистоне H3, то есть этот ген является эпигенетическим кодировщиком. Это метилирование связано с экспрессией активного гена. В лабораторных условиях ген SDG27 может быть подвергнут мутации, в результате чего он перестанет кодировать активный белок. Растения с этой мутацией имеют меньше таких активных гистоновых модификаций на промоторе гена FLC. Они вырабатывают меньше белка FLC и потому не столь успешно репрессируют гены, инициирующие цветение. Растения с мутировавшим геном SDG27 зацветают раньше, нежели нормальные растения[276]. Это свидетельствует о том, что эпигенетические модификации на промоторе гена FLC не просто отражают уровни активности гена, а на самом деле меняют его экспрессию. Именно эти модификации и вызывают изменение экспрессии.

Холодная погода стимулирует в растениях белок под названием VIN3. Этот белок может связываться с промотором FLC. VIN3 принадлежит к типу белков, которые называются реконструкторами хроматина. Они способы менять степень закрученности хроматина. Когда VIN3 связывается с промотором FLC, он меняет локальную структуру хроматина, делая ее более доступной для других белков. Часто подобное раскрытие хроматина приводит к повышению экспрессии генов. Однако в данном случае VIN3 притягивает еще один фермент, который может добавлять метиловые группы к гистоновым белкам. Но именно этот фермент добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта модификация репрессирует экспрессию гена и является одним из наиболее эффективных способов, которыми пользуется клетка растения для подавления гена FLC[277][278].