Многоклеточные организмы в эпигенетических исследованиях
У многоклеточных организмов размер генома и сложность организма в целом возрастают в ряду от беспозвоночных ( Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster ) или растений ( A. thaliana ) до высших и, так сказать, "имеющих к нам более прямое отношение" позвоночных организмов (млекопитающих).
Растения, однако, сыграли более важную роль для всей эпигенетики, оказавшись богатейшим источником эпигенетических открытий от перемещающихся элементов и парамутаций ( McClintock, 1951 ) до первого описания некодирующих РНК, участвующих в транскрипционном сайленсинге ( Ratclifif et al., 1997 ). Исследования, выполненные на растениях, обнаружили важные связи между метилированием ДНК , модификациями гистонов и компонентами механизма RNAi . Открытие эпиаллелей растений, получивших такие комические названия как SUPERMAN и KRYPTONITE (например, Jackson et al., 2002 ), и нескольких генов яровизации ( Bastow et al., 2004 ; Sung and Amasino, 2004 ) создало далее целую область исследований по выяснению роли эпигенетики в развитии и клеточной памяти . Меристемные клетки растений обусловили также возможность изучать такие ключевые вопросы, как соматическая регенерация и пластичность стволовых клеток .
Что касается понимания развития у животных, Drosophila с давних пор была и остается постоянным генератором генетической энергии. Основываясь на пионерской работе Меллера ( Muller, 1930 ), было получено множество мутаций, влияющих на развитие, в том числе мутации, вызывающие гомеотические трансформации и эффект положения мозаичного типа ( PEV ). Мутации, вызывающие гомеотические трансформации, привели к мысли, что могли бы существовать регуляторные механизмы для установления и поддержания клеточной идентичности/памяти; позже было показано, что они регулируются системами Polycomb и trithorax . Что касается эффекта положения мозаичного типа, то активность гена диктуется структурой окружающего хроматина, а не нуклеотидной последовательностью ДНК. Эта система оказалась особенно информативной для выявления факторов, участвующих в эпигенетическом контроле. Полагают, что свыше 100 супрессоров мозаичности Su(var) кодируют компоненты гетерохроматина. Без фундамента, созданного этими имеющими важное значение исследованиями, были бы невозможны открытие первых метилтрансфераз лизинов в гистонах (HKMTs) ( Rea et al. 2000 ) и вытекающие из него достижения в области метилирования лизина гистонов.
Как нередко случается в биологии, у дробянковых дрожжей и у растений был проведен сравнительный скрининг, выявивший мутанты по сайленсингу, которые оказались функционально консервативными с генами Su(var) у Drosophila.
Применение методов обратной генетики с использованием библиотек RNAi у червя-нематоды С. elegans внесло существенный вклад в наше понимание эпигенетического регулирования в ходе развития многоклеточных. Здесь исследования, в которых тщательно прослеживалась судьба клеток и которые позволили детализировать все пути развития для каждой клетки, позволили высветить тот факт, что системы Polycomb и tritorax, вероятно, возникли одновременно с появлением многоклеточных. В частности, эти механизмы эпигенетического контроля имеют существенное значение для регуляции генов в зародышевом пути.
Роль эпигенетики в развитии млекопитающих в основном была выяснена на мышах, хотя ряд исследований был распространен на разнообразные линии клеток человека и первичные клеточные культуры. Технологии нокаута и направленных вставок ("knock-out" и "knock-in") оказались мощным инструментом для функционального расчленения ключевых эпигенетических регуляторов. Например, мыши, мутантные по метилтрансферазе ДНК, Dnmt1 , позволили выяснить функциональную роль метилирования ДНК у млекопитающих ( Li et al., 1992 ). Эта мутация является эмбриональной леталью и демонстрирует нарушение импринтинга . Было также показано, что нарушение метилирования ДНК вызывает нестабильность генома и возобновление активности транспозонов , в частности в зародышевых клетках ( Walsh et al., 1998 ; Bourchis and Bestor, 2004 ). Охарактеризовано приблизительно 100 факторов, регулирующих хроматин (т.е. ферменты, модифицирующие гистоны и ДНК, компоненты комплексов ремоделинга нуклеосом и механизма РНКи ), которые повреждены у этих мышей. Мутантные фенотипы затрагивают пролиферацию клеток, коммитирование клеточных линий, пластичность стволовых клеток , стабильность генома, репарацию ДНК и процессы сегрегации хромосом, как в соматических клетках, так и в зародышевом пути .
Неудивительно, что большинство этих мутаций связаны также с развитием заболеваний и рака.
Смотрите также:
