Основные вопросы в эпигенетических исследованиях
В этой книге обсуждаются фундаментальные концепции и общие принципы, объясняющие, как происходят эпигенетические явления, какими бы загадочными они не казались. Наша конечная цель - представить читателю современные представления о механизмах, направляющих и формирующих эти концепции, на фоне разнообразных биологических данных, из которых они возникли. Всего лишь за несколько лет эпигенетические исследования дали интригующие и замечательные сведения и революционные открытия; тем не менее, многие давно поставленные вопросы остаются без ответа ( рис. 3.21 ). Хотя и соблазнительно набросать широкими мазками выводы и предложить на обсуждение общие правила, основывающиеся на этом прогрессе, мы предостерегаем от этой тенденции, подозревая, что будут обнаружены многочисленные исключения из этих правил. Например, ясно, что имеют место значительные различия между организмами. В особенности степень и тип гистоновых модификаций, варианты гистонов , метилирование ДНК и использование механизма РНКи существенно варьируют от одноклеточных до многоклеточных организмов.
Имеются, однако, множество оснований с новой энергией взяться за исследовательские программы, нацеленные на молекулярный анализ эпигенетических явлений. Элегантные биохимические и генетические исследования уже позволили успешно и беспрецедентным образом проанализировать многие функциональные аспекты этих путей. Поэтому можно было бы предсказать, что тщательный анализ эпигенетических переходов в разных типах клеток (например, стволовые versus дифференцированные; покоящиеся versus пролиферирующие) выявит ключевые признаки плюрипотентности ( Bernstein et al., 2006 ; Boyer et al., 2006 ; Lee et al., 2006 ). Весьма вероятно, что это окажется ценным в определении того, какие изменения хроматина существенны во время нормальной дифференцировки в сравнении с болезненными состояниями и туморогенезом . Например, ожидается, что использование таких подходов, как крупномасштабное картирование на нормальных, опухолевых или ES-клетках - получение "эпигенетического ландшафта" вдоль по длине целых хромосом ( Brachen et al., 2006 ; Squazzo et al., 2006 ; Epigenomics AG, ENCODE, GEN-AU, EPIGENOME NoE) - позволит получить сведения, которые могли бы быть использованы для новых подходов в области терапевтического вмешательства и способствовали бы созданию всемирного консорциума для картирования всего эпигенома человека ( Jones and Martienssen, 2005 ). Можно себе представить, что различия в относительных количествах разных гистоновых модификаций, такие например, как явно слабая представленность репрессивного триметилирования лизинов в гистонах у S. pombe и A. thaliana , могут отражать больший пролиферативный и регенераторный потенциал у этих организмов по сравнению с более ограниченными программами развития многоклеточных систем. Кроме того, функциональные связи между механизмом РНКи, метилированием лизинов гистонов и метилированием ДНК по-прежнему будут дарить нам интригующие сюрпризы относительно сложных механизмов, необходимых для детерминации клеточной судьбы в ходе развития. Аналогично этому многое в этом отношении даст углубленное понимание динамики и специфичности механизмов ремоделинга нуклеосом. Мы предсказываем, что будут открыты новые "экзотические" энзиматические активности, катализирующие эпигенетические переходы посредством модификаций гистонов и негистоновых субстратов. Может оказаться, что изменения хроматина, индуцируемые вышеперечисленными механизмами, действуют в значительной степени как фильтр реакций на внешние воздействия. Таким образом, есть надежда, что эти знания в конечном счете можно будет применить к стратегиям интенсивной терапии с целью "перенастройки" некоторых эпигенетических реакций индивидуума, связанных со старением, заболеваниями и раком. Сюда входят регенерация тканей, терапевтическое клонирование (использование ES-клеток и их дериватов) и терапевтические стратегии с использованием стволовых клеток взрослых организмов. Предполагается, что такие стратегии увеличат продолжительность жизни клеток, позволят модулировать стрессовый ответ на внешние стимулы, вызывать реверсию прогрессии заболевания и улучшить вспомогательные репродуктивные технологии. Мы предсказываем, что понимание "хроматиновой основы" плюрипотентности и тотипотентности окажется в центре понимания биологии стволовых клеток и ее возможностей для терапевтического вмешательства.
Остается еще много фундаментальных эпигенетических вопросов. Например, что отличает одну нить хроматина от другой, аллельной, хотя обе содержат одинаковые нуклеотидные последовательности ДНК в одном и том же ядерном окружении? Что определяет механизмы, обеспечивающие наследование и воспроизведение эпигенетической информации? Какова молекулярная природа клеточной памяти? Существуют ли эпигенетические импринты в зародышевом пути, которые служат для удержания этого генома в тотипотентном состоянии? Если да, то как эти метки стираются в ходе развития? Добавляются ли в ходе развития новые метки, которые служат для "запирания", фиксации дифференцированных состояний? Мы предвкушаем появление следующего поколения исследований (и исследователей), достаточно смелых, чтобы попытаться ответить на эти вопросы со всей страстностью, свойственной предшествующему поколению исследователей- генетиков и эпигенетиков.
Подводя итог, можно утверждать, что генетические принципы, описанные Менделем управляют, вероятно, огромным большинством характеристик нашего развития и нашего внешнего фенотипа. Однако исключения из этого правила могут иногда обнаружить новые принципы и новые механизмы, обеспечивающие наследование, которые ранее недооценивались и в некоторых случаях были малопонятными. Цель этой книги - представить читателю новую оценку основ фенотипической изменчивости, лежащих за пределами изменений в ДНК. Мы надеемся, что системы и концепции, описанные в этой книге, заложат полезный фундамент для будущих поколений студентов и исследователей, таких же, как те, кого увлекли странности эпигенетических явлений.
