К. біол. н. Лановенко О. Г., Денисенко Т. Є.
Херсонський державний університет, Україна
ЕПІГЕНЕТИЧНІ ЕФЕКТИ ТА ЇХ РОЛЬ У ЗМІНІ МОРФОФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАТУСУ ССАВЦІВ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННІ ПРОЦЕСУ АДАПТАЦІЇ ДО МІНЛИВИХ УМОВ СЕРЕДОВИЩА
Нині не підлягає сумніву важлива роль епігенетичної спадкової мінливості в ході таких фундаментальних загальнобіологічних процесів, як індивідуальний розвиток організмів, механізми експресії генів, виникнення раку й еволюція. Останнім часом з'являються надійні докази того, що некодуюча « хламова ДНК» ( junk DNA), яка складає до 95% геному еукаріот, насправді являє собою активну регуляторну частину генома – епігенетичну машину ( Zuckerkandl , 2002), що забезпечує процес розвитку та функціонування клітин і багатоклітинних організмів.
Одна з епігенетичних гіпотез про те, що на активність багатьох генів здатні впливати зовнішні індукуючі фактори, нині знаходить підтвердження в безлічі експериментів на модельних тваринах. Припускають, що в основі трансформацій на рівні організму лежать фундаментальні онтогенетичні (епігенетичні) процеси (Васильєв, та ін., 2000), від яких значною мірою залежить подальший хід розвитку і якість потомства особини.
Мета даної оглядової статті полягає в обговоренні проблеми реальності швидких епігенетичних перебудов у ссавців як міри адаптивності організму до мінливих умов навколишнього середовища.
Досягнення молекулярної генетики останніх років вказують на надзвичайну важливу роль епігенетичних процесів у зміні онтогенетичного ландшафту та роблять актуальними уявлення К. Х. Уоддінтона [2] про роль епігенетичних перебудов в еволюції. Епігенетичні фактори відіграють значну роль в онтогенетичній диференцировці , причому порушення в цій системі асоціюється з багатьма патологічними станами. Під час дослідження кожної епігенетичної події необхідно виділити три компоненти: 1) сигнал, який впливає на ген-перемикач; 2) сприйняття сигналу рецепторною областю гена з подальшим вибором одного з альтернативних режимів функціонування; 3) підтримку обраного стану в ряді клітинних поколінь за допомогою генетичних або зовнішніх факторів, таких як температура, щільність популяції, наявність симбіонтів та ін.
Патерни метилювання ДНК генома ссавців суттєво регулюються в ході розвитку. Встановлено, що від материнської поведінки у щурів залежать стабільні зміни в метилюванні ДНК у потомства. За повідомленням Уівера із співробітниками ( Weaver et al ., 2004), щурята, які отримують різні рівні материнської турботи, мають різний характер метилювання ДНК в промоторних ділянках гена рецептора глюкокортикоїду (GR), який виявляє зворотню кореляцію з експресією GR, причому ці відмінності зберігаються аж до дорослого стану особин. Іншим прикладом є повідомлення про те, що дієта дорослої самки миші може змінювати метилювання ДНК у нащадків ( Сооney et al ., 2002; Waterland and Jirtle , 2003).
У мишей ген agouti є домінантним, його експресія надає хутру коричневе ( агути ) забарвлення. Кілька алелів agouti viable yellow виникає спонтанно завдяки вставці транспазонного ретровірусного елемента в цей ген. У мишей з таким алелем експресія agouti контролюється довгим термінальним повтором (LTR) цього ретровірусного елемента. Забарвлення хутра у цих мишей, яке варіює від жовтої або плямистої до агути дикого типу, визначається станами метилювання промотора LTR. Таким чином, в цій системі забарвлення хутра може служити показником метилювання ДНК. Якщо вагітні самки знаходяться на дієті, що містить такі донори метильної групи, як фолат і холін, їхнє потомство демонструє зміну забарвлення хутра у бік агути , що корелює з посиленним метилюванням промотора LTR ( Waterland and Jirtle , 2003).
Результати подібних досліджень дозволяють припустити, що зовнішні фактори здатні індукувати стабільні зміни епігенетичних станів організму, забезпечуючи механізм, за допомогою якого фактори зовнішнього середовища можуть викликати довготривалі біологічні ефекти ( Weaver et al ., 2004). Необхідні подальші дослідження для вирішення питання, якою мірою епігенетичні механізми залучені в генотип-середовищні взаємодії у ссавців і як вплив факторів зовнішнього середовища може трансформуватися в епігенетичний стан організму.
Модифікації окремих амінокислот в гістонах шляхом приєднання до них метильних або ацетильних груп – важливий механізм епігенетичної регуляції, оскільки вони змінюють доступність ДНК для ферментів, які зчитують генетичну інформацію, отже, регулюють транскрипцію певних генів. Ацетилювання гістонів зазвичай призводить до активації транскрипції, а ди- та три-метилювання – до її репресії. У дослідах Д. Світта (J. David Sweatt , 2011) з’ясовано, що у мишей пам'ять про пережитий жах і запам'ятовування нових типів їжі залежить від ацетилювання гістонів , яке, у свою чергу, призводить до реорганізації ДНК у клітині та змін у транскрипції генів.
Епігенетичні ефекти перш за все обумовлюють зміну фенотипу та фіксуються в результаті зміни ходу морфогенезу, оскільки саме фенотипи безпосередньо піддаються впливу середовища. Тому трансформації умов розвитку зазвичай проявляються в перебудові морфогенетичного статусу особини. Для візуалізації індивідуальних композицій за багатьма фенами й ознаками необхідне використання багатовимірних методів статистики. Розроблена А. Г. Васильєвим [1] зі співавторами методика дозволяє виявити стійкі епігенетичні ефекти у ссавців. У кожній вибірці особин домашньої миші проводилося кодування проявлення фенів різних ознак одиницями, а відсутності – нулями. Після вибраковування ознак, пов'язаних з віком, статтю, порівняння за розмірами особин одна з одною та із загальними розмірами домашньої миші здійснена багатовимірна оцінка індивідуальних фенетичних композицій з використанням методу головних компонент. Далі за отриманими значеннями головних компонент між вибірками проведений дискримінантний аналіз. У результаті використання цієї моделі встановлено, що полігони мінливості індивідуальних фенетичних композицій у представників трьох ліній мишей, отримані в результаті дискримінантного аналізу, практично не перекривалися, тобто «епігенетичні ландшафти», маркировані фенетичними композиціями, у всіх трьох ліній виявилися різними. Дослідники (Васильєв та ін , 2000), вказують на те, що в того ж самого виду – миші ( Mus musculus L.) у результаті інбридингу і штучного добору всього за декілька десятиліть між лініями виникли стійкі епігенетичні відмінності, які можна зіставити з рівнем підвидових відмінностей у природних угрупованнях.
Таким чином, аналіз сучасних наукових публікацій свідчить про те, що в основі швидких морфофізіологічних змін в організмі, які виникають у ході онтогенезу, лежить перебудова епігенетичного геному. Про масштаби цих епігенетичних та генетичних перетворень можна побічно судити за змінами частот поширеності в популяціях ссавців фенів непараметричних порогових ознак.
Список використаних джерел:
1. Васильев А. Г. Эпигенетические перестройки популяций как вероятный механизм наступления биоценотического кризиса / А. Г. Васильев , И. А. Васильева // Вестник Нижегородского ун-та . Серия « Биология ». – № 1. – 2005. – С. 27–38.
2. Уоддингтон К. Х. Основные биологические концепции / К. Х. Уоддингтон // На пути к теоретической биологии . – М .: Мир , 1970. – С . 108–115.