eng
Содержание
Оглавление
Предисловие к русскому изданию....................................................................................................... 12
Глава 1
Эпигенетика: от явления к области науки.......................................................................................................... 13
Daniel E. Gottschling, Fred Hutchinson
1.
Введение................................................................................................ 13
2.
История эпигенетики на симпозиумах Колд Спринг Харбор.................................................................................. 14
3.
69-й симпозиум.................................................................................................. 19
3.1.
Гипотеза гистонового кода............................................................................................................ 19
3.2.
Динамический «молчащий» хроматин..........................................................19
3.3.
Ядерная организация......................................................................... 20
3.4.
Прионы..................................................................................... 21
3.5.
Новое явление............................................................................ 21
4.
Заключительные соображения........................................................................................... 21
Благодарности........................................................................................... 22
Литература................................................................................................... 22
Глава 2
Краткая история эпигенетики......................................................................................... 26
Gary Felsenfeld
1.
Введение........................................................................................... 26
2.
Ключи от генетики и развития....................................................................................................... 27
3.
Во всех соматических клетках организма ДНК одинакова...................................................................................... 27
4.
Роль метилирования ДНК........................................................................................................... 28
5.
Роль хроматина..................................................................................... 28
6.
Все механизмы взаимосвязаны...................................................................................... 30
Литература.................................................................................. 31
Глава 3
Общий обзор и основные понятия......................................................................................... 33
C. David Allis, Thomas Jenuwein и Danny Reinberg
Общее резюме........................................................................................... 33
1.
Генетика vs. эпигенетика........................................................................................ 34
2.
Модельные системы для изучения эпигенетики.................................................. 36
3.
Определение эпигенетики.......................................................................................... 38
4.
Хроматиновая матрица................................................................................................... 39
5.
Более высокие уровни организации хроматина .............................................................................................. 40
6.
Различие между эухроматином и гетерохроматином...................................................... 44
7.
Модификации гистонов и гистоновый код............................................................................................................... 46
8.
Комплексы, осуществляющие ремоделинг хроматина, и варианты гистонов............................. 49
9.
Метилирование ДНК............................................................................................................... 50
10.
РНКи и сайленсинг генов, направляемый РНК................................................................................. 51
11.
От одноклеточных систем к многоклеточным................................................................................... 53
12.
Polycomb и Trithorax......................................................................................................... 55
13.
Инактивация Х-хромосомы и факультативный гетерохроматин........................................................................... 57
14.
Репрограммирование клеточной судьбы........................................................................................ 58
15.
Рак...................................................................................................... 60
16.
В чем же в действительности заключается эпигенетический контроль?............................................................... 62
17.
Основные вопросы в эпигенетических исследованиях.......................................................................................... 64
Литература.............................................................................................. 65
Глава 4
Эпигенетика дрожжей Saccharomyces cerevisiae .............................................................................. 71
Михаэль Грюнштайн и Сьюзан М. Гассер
Общее резюме.................................................................................... 71
1.
Генетические и молекулярные методы исследования дрожжей.............................................................................. 72
2.
Жизненный цикл дрожжей......................................................................................... 73
4
Оглавление
3.
Гетерохроматин у дрожжей находится в молчащих локусах типов спаривания HM и теломерах........................... 74
4.
Гетерохроматин отличается репрессивной структурой, которая распространяется на весь молчащий домен...... 75
5.
Отдельные этапы сборки гетерохроматина.......................................................................... 77
5.1.
HM гетерохроматин................................................................................... 77
5.2.
Теломерный гетерохроматин..............................................................78
6.
Деацетилирование гистонов белком Sir2 обеспечивает сайты связывания
для распространения SIR комплексов...................................................................................... 78
7.
Sir2 деацетилирует гистон H4 по 16-му остатку лизина........................79
8.
Ацетилирование гистонов в эухроматине ограничивает распространение SIR комплексов................................................................................................... 80
9.
Образование теломерных петель .................................................................................... 80
10.
Нарушение непрерывности репрессии естественных субтеломерных элементов теломерными петлями.......... 81
11.
Взаимодействие теломер in trans и перинуклеарное прикрепление гетерохроматина.......................................... 81
12.
Наследование эпигенетических состояний.............................................................................................. 82
13.
Старение и Sir2 связаны нестабильностью повторов рДНК .................................................................................. 83
14.
Резюме................................................................................................ 84
Литература.................................................................................. 84
Глава 5
Эффект положения мозаичного типа,формирование гетерохроматина и сайленсинг генов у Drosophila......... 87
Sarah C.R. Elgin1 and Gunter Reuter
Общее резюме.................................................................................... 87
1.
Гены, оказывающиеся в ненормальном соседстве с гетерохроматином, обнаруживают мозаичный фенотип..... 88
2.
Скрининг супрессоров и энхансеров PEV позволил идентифицировать хромосомные белки
и модификаторы хромосомных белков.......................................................................................... 90
3.
Иммунофлуоресцентное окрашивание политенных хромосом позволило идентифицировать белки,
специфически ассоциированные с гетерохроматином.................................................................. 93
4.
Модификация гистонов играет ключевую роль в сайленсинге гетерохроматина................................................... 95
5.
Хромосомные белки образуют взаимозависимые комплексы для поддержания и распространения
гетерохроматиновой структуры.............................................................................................. 96
6.
Как формирование гетерохроматина «нацеливается» у Drosophila?......................................................................... 97
7.
Не весь гетерохроматин идентичен............................................................................................. 100
8.
PEV, формирование гетерохромтаина и сайленсинг генов у различных организмов........................................... 101
9.
Подведение итогов: мы не знаем о гетерохроматине очень многое.......................................................................... 102
Благодарности................................................................................................ 102
Литература............................................................................................. 103
Глава 6
Грибы как модельные организмы для эпигенетических исследований:
Schizosaccharomyces pombe и Neurospora crassa....................................................................................................... 106
Robin C. Allshire and Eric U. Selker
Общее резюме...................................................................................................... 107
1.
Schizosaccharomyces pombe: организм.......................................................................................... 107
1.1.
Сайленсинг хроматина у S. pombe отличается от такового у S. cerevisiae........................................................ 108
1.2.
Гены, помещенные в центромеры дробянковых дрожжей, сайленсированы................................................ 108
1.3.
Центромеры дробянковых дрожжей состоят из разных гетерохроматиновых
и центральных кинетохорных доменов..................................................................................................... 109
1.4.
Центромерные внешние повторы без посторонней помощи делают возможной
сборку «молчащего» хроматина............................................................................................ 111
1.5.
РНК-интерференция направляет сборку «молчащего» хроматина............................................................... 112
1.6.
Транскрипция центромерных повторов РНК-полимеразой II связывает RNAi
с модификациями хроматина................................................................................................... 113
1.7.
«Молчащий» хроматин в центромерах необходим для опосредования когезии
сестринских центромер и нормальной сегрегации хромосоми............................................................................ 113
1.8.
Эпигенетическое наследование функционального состояния центромеры................................................. 114
1.9.
Различные механизмы сайленсинга у грибов................................................................................................. 115
2.
Neurospora crassa: история и особенности организма.............................................................................................. 116
2.1.
Метилирование ДНК у Neurospora................................................................................................................... 117
2.2.
RIP — система защиты генома, имеющая как генетические, так и эпигенетические аспекты.................... 119
2.3.
Исследования реликтов RIP позволило проникнуть в контроль метилирования ДНК............................... 120
2.4.
«Подавление» (quelling)................................................................................................... 121
2.5.
Мейотический сайленсинг, осуществляемый неспаренной ДНК (MSUD).................................................. 122
Оглавление 5
2.6.
Вероятные функции и практическое использование RIP, «подавления» и MSUD....................................... 123
3.
Заключительные замечания.................................................................................................. 124
Благодарности........................................................................................ 125
Литература................................................................................. 125
Глава 7
Эпигенетика инфузорий................................................................................... 129
Эрик Мейе и Дуглас Л. Чалкер
Общее резюме......................................................................................... 130
1.
Инфузории: одноклеточные с двумя разными геномами....................................................................................... 131
2.
Конъюгация: Реципрокное оплодотворение обнаруживает неменделевскую наследственность........................ 131
3.
Цитоплазматическая наследственность у инфузорий............................................................................................ 132
4.
Кортикальное паттернирование: Случай структурной наследственности............................................................ 133
5.
Макронуклеусы и микронуклеусы: модель активного и «молчащего» хроматина................................................ 135
5.1.
Разделение микро- и макронуклеарных гистонов выявляет различную роль вариантов гистонов............. 135
5.2.
Модификации хроматина коррелируют с состояниями активности............................................................. 135
6.
В ходе развития макронуклеуса происходят общегеномные перестройки............................................................ 136
6.1.
Внутренняя делеция ДНК: События, связанные с точными (внутригенные IESs)
и неточными (межгенные повторы) делециями.................................................................................................... 137
6.2.
Фрагментация хромосом................................................................................................................................. 138
7.
Механизмы перестроек генома............................................................................................................................... 138
8.
Зависящий от гомологии сайленсинг генов у инфузорий...................................................................................... 139
8.1.
Сайленсинг, индуцируемый трансгенами....................................................................................................... 139
8.2.
Сайленсинг индуцируется двунитевой РНК................................................................................................... 139
9.
Перестройки генома направляются зависящими от гомологии механизмами..................................................... 140
9.1.
Экспериментальная индукция специфических делеций в развивающемся макронуклеусе........................ 140
10.
Паттерны перестроек определяются, вероятно, путем сравнения геномов зародышевой линии
и соматического.......................................................................................................................................................... 141
10.1.
Парадигма d48: эпигенетическое наследование альтернативных перестроек............................................. 141
10.2.
Эпигенетическое наследование экспериментально индуцированных делеций.......................................... 141
10.3.
«Спонтанная» элиминации чужеродных последовательностей, интродуцированных
в микронуклеарный геном.................................................................................................................................... 142
10.4.
Экспериментальное «спасение» наследуемых макронуклеарных делеций.................................................. 142
10.5.
Экспериментальное подавление элиминации IES в развивающемся макронуклеусе................................ 143
11.
Trans-нуклеарное сравнение целых геномов, опосредованное РНК-интерференцией...................................... 144
11.1.
Связь коротких РНК с элиминацией ДНК................................................................................................... 145
11.2.
Транспорт РНК из материнского в зиготические макронуклеусы у Paramecium......................................... 145
12.
Заключение: Элиминация ДНК как механизм защиты генома........................................................................... 146
13.
Будущий вклад исследований на инфузориях в эпигенетику.............................................................................. 149
Литература................................................................................................................................................................... 149
Глава 8
RNAi и сборка гетерохроматина.............................................................................................................................. 153
Robert Martiensser и Danesh Moazed
Общее резюме............................................................................................................................................................. 153
1.
Обзор RNAi-пути.................................................................................................................................................... 154
2.
Ранние данные, позволяющие предполагать, что РНК является посредником
в транскрипционном сайленсинге............................................................................................................................. 156
3.
RNAi и сборка гетерохроматина у S. pombe............................................................................................................. 156
4.
Малые РНК инициируют сборку гетерохроматина в связи с эффекторным комплексом RNAi......................... 158
5.
Синтез dsRNA и образование siRNA....................................................................................................................... 159
6.
Модели распознавания РНК-РНК versus РНК-ДНК............................................................................................. 160
7.
Как RNAi рекрутирует энзимы, модифицирующие хроматин?............................................................................. 161
8.
Модификации хроматина и ДНК у Arabidopsis, опосредованные RNAi................................................................ 162
9.
Консерватизм модификаций хроматина, опосредованных RNAi, у животных.................................................... 164
10.
Заключительные замечания.................................................................................................................................. 165
Литература................................................................................................................................................................... 165
Глава 9
Эпигенетическая регуляция у растений..................................................................................................169
Marjori Matzke и Mittelsten Scheid
6
Оглавление
Общее резюме............................................................................................................................................................. 169
1.
Преимущества использования растений в эпигенетических исследованиях ....................................................... 170
1.1.
Сходство растений и животных по организации (эпи)генома........................................................................ 170
1.2.
Растения предоставляют дополнительные направления эпигенетических исследований ............................ 170
1.3.
Растения лучше выносят некоторые методологические манипуляции,
которые очень трудно применимы к млекопитающим ........................................................................................ 173
1.4.
Исследование растений внесло самый значимый вклад в эпигенетику ....................................................... 177
2.
Молекулярные компоненты хроматина у растений............................................................................................... 177
2.1.
Регуляторы метилирования ДНК у растений.................................................................................................. 177
2.2.
Ферменты модификации гистонов.................................................................................................................. 179
2.3.
Другие белки хроматина................................................................................................................................. 180
3.
Молекулярные компоненты путей опосредованного РНКi сайленсинга ............................................................ 182
3.1.
Выработка РНКi-зависимого сайленсинга у растений .................................................................................. 182
3.2.
Путь 1: Связанное с трансгенами посттранскрипционное и индуцированное вирусами
замалчивание генов (PTGS/VICS)......................................................................................................................... 182
3.3.
Путь 2: Регуляция развития растений miРНК и транс-действующими siРНК............................................. 184
3.4.
Путь 3: Связанный с трансгенами транскрипционный сайленсинг,
направляемое РНК метилирование ДНК и образование гетерохроматина ........................................................ 186
4.
Эпигенетическая регуляция без участия РНК ....................................................................................................... 187
5.
Перспективы ........................................................................................................................................................... 187
Литература................................................................................................................................................................... 188
WWW источники ................................................................................................................................................... 190
Глава 10
Модификации хроматина и механизм их действия................................................................................................ 191
Tony Kouzarides и Shelley L. Berger
Общее резюме............................................................................................................................................................. 191
1.
Гистоны и ацетилирование играют регуляторную роль в транскрипции.............................................................. 192
2.
Ацетилирование и деацетилирование.................................................................................................................... 193
3.
Фосфорилирование................................................................................................................................................. 195
4.
Метилирование....................................................................................................................................................... 196
4.1.
Метилирование лизинов................................................................................................................................. 196
4.2.
Деметилирование лизинов.............................................................................................................................. 200
4.3.
Метилирование аргининов............................................................................................................................. 201
5.
Деиминирование..................................................................................................................................................... 202
6.
Убиквитилирование/деубиквитилирование и сумоилирование............................................................................ 202
7.
Темы в модификациях............................................................................................................................................. 203
7.1.
Гистоновый код............................................................................................................................................... 203
7.2.
Паттерны модификаций................................................................................................................................. 203
7.3.
Изменения в структуре хроматина, связанные с активацией транскрипции и элонгацией......................... 204
8.
Заключительные замечания.................................................................................................................................... 205
Литература................................................................................................................................................................... 205
Глава 11
Транскрипционный сайленсинг, осуществляемыйбелками группы Polycomb..................................................... 210
Ueli Grossniklaus и Renato Paro
Общее резюме............................................................................................................................................................. 211
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 211
1.1.
Концепция клеточной памяти......................................................................................................................... 211
1.2.
Генетическая идентификация группы Polycomb.............................................................................................. 212
2.
Установка меток сайленсинга на хроматин............................................................................................................. 214
2.1.
Компоненты PRC2 и его эволюционный консерватизм................................................................................ 214
2.2.
Модифицирующая хроматин активность PRC2............................................................................................. 216
2.3.
Динамическая функция PRC2 в развитии...................................................................................................... 218
3.
Поддержание транскрипционного сайленсинга..................................................................................................... 219
3.1.
Компоненты PRC1.......................................................................................................................................... 219
3.2.
«Нацеливание» PRC1 на сайленсированные гены.......................................................................................... 220
3.3.
Установление репрессивных функций с помощью PRC1............................................................................... 222
3.4.
Предотвращение наследуемой репрессии антисайленсингом....................................................................... 222
4.
Репрессия PcG в развитии млекопитающих........................................................................................................... 223
4.1.
От репрессии гена к репрессии хромосомы.................................................................................................... 223
Оглавление 7
4.2.
Последствия аберрантной активации транскрипции..................................................................................... 224
4.3.
Поддержание судьбы стволовой клетки.......................................................................................................... 225
5.
Заключение и перспективы.................................................................................................................................... 226
Литература................................................................................................................................................................... 226
Глава 12
Регуляция транскрипции белками группы Trithorax.............................................................................................. 230
Robert E. Kingston и John W. Tamkun
Общее резюме............................................................................................................................................................. 230
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 231
1.1.
Идентификация генов, участвующих в поддержании детерминированного состояния.............................. 232
1.2.
Белки trxG у других организмов..................................................................................................................... 233
1.3.
Белки trxG играют разные роли в эукариотической транскрипции.............................................................. 235
2.
Связи между белками trxG и хроматином............................................................................................................... 236
2.1.
Белки trxG, участвующие в АТФ-зависимом ремоделировании хроматина................................................. 236
2.2.
Белки trxG, ковалентно модифицирующие нуклеосомные гистоны............................................................ 240
3.
Связи между белками trxG и общей транскрипционной машинерией................................................................. 242
4.
Биохимические функции других белков trxG......................................................................................................... 242
5.
Функциональные взаимодействия между белками trxG........................................................................................ 242
6.
Белки trxG: активаторы или антирепрессоры?....................................................................................................... 243
7.
Выводы и перспективы........................................................................................................................................... 243
Литература................................................................................................................................................................... 245
Глава 13
Варианты гистонов и эпигенетика........................................................................................................................... 247
Steven Henikoff и Mitchell Smith
Общее резюме............................................................................................................................................................. 247
1.
У всех организмов ДНК упаковывается архитектурными белками....................................................................... 248
2.
Эукариотические коровые гистоны развились из гистонов архей......................................................................... 249
3.
Основная масса гистонов откладывается после репликации ДНК........................................................................ 250
4.
Варианты гистонов откладываются на протяжении всего клеточного цикла....................................................... 251
5.
Центромеры идентифицируются специальным вариантом Н3............................................................................. 252
6.
Замещение гистоновым вариантом Н3.3 обнаруживается в активном хроматине............................................... 254
7.
Фосфорилирование Н2АХ функционирует в репарации двунитевых разрывов ДНК.......................................... 255
8.
H2AZ играет роль в регулировании транскрипции................................................................................................ 257
9.
Белковые комплексы для откладки и замещения вариантов Н2А......................................................................... 258
10.
Другие варианты Н2А дифференцируют хроматин, но их функции все еще неизвестны.................................. 259
11.
Эволюция многих гистонов была направлена на более плотную упаковку ДНК............................................... 259
12.
Заключение и перспективы исследований............................................................................................................ 260
Литература................................................................................................................................................................... 261
Глава 14
Эпигенетическая регуляция хромосомного наследования.................................................................................... 263
Gary H. Karen и R. Scott Hawley
Общее резюме............................................................................................................................................................. 264
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 264
1.1.
Как осуществляется хромосомная наследственность?................................................................................... 264
1.2.
Какие элементы требуются для хромосомной наследственности?................................................................ 264
2.
Эпигенетическая регуляция репликации ДНК, репарации и теломер.................................................................. 266
2.1.
Инициация репликации ДНК контролируется эпигенетическими механизмами....................................... 266
2.2.
Репарация ДНК включает эпигенетические изменения в структуре хроматина.......................................... 267
2.3.
Эпигенетический контроль структуры и функции теломер........................................................................... 268
3.
Эпигенетическая регуляция идентичности и функции центромер....................................................................... 269
3.1.
Структура и функция центромеры у разных эукариот................................................................................... 270
3.2.
Центромерные последовательности не являются необходимыми или достаточными
для формирования и функционирования кинетохора.......................................................................................... 271
3.3.
Необычный состав центромерного хроматина............................................................................................... 272
3.4.
Модели структуры , функции и воспроизведения центромеры..................................................................... 275
3.5.
Эпигенетика и эволюция центромер............................................................................................................... 276
4.
Гетерохроматин и мейотическое спаривание / расхождение................................................................................. 277
4.1.
Обнаружение сайта гетерохроматинового спаривания у самцов Drosophila.................................................. 278
8
Оглавление
4.2.
Спаривание гетерохроматина облегчает расхождение у самок Drosophila..................................................... 279
4.3.
Роль центромеры в облегчении ахиазматической сегрегации у почкующихся дрожжей............................. 279
4.4.
Ассоциированный с гетерохроматином локус Ph1 у кукурузы и его роль в опосредовании
гомологичного versus негомологичного спаривания............................................................................................. 280
5.
Гетерохроматин и мейотический драйв................................................................................................................... 280
5.1.
Нарушитель сегрегации (Segregation Distorter) у самцов Drosophila............................................................... 280
5.2.
Утеря отцовской хромосомы у Sciara и картирование реагирующего элемента............................................ 281
5.3.
Утеря отцовских хромосом у Nasonia............................................................................................................... 281
5.4.
Вздутие 10 у кукурузы — роль последовательностей, соответствующих гетерохроматиновым
«вздутиям», в облегчении расхождения хромосом в мейозе I............................................................................... 282
6.
Сайленсинг генов неспаренными ДНК в мейозе................................................................................................... 282
6.1.
Мейотический сайленсинг неспаренной ДНК в мейозе у Neurospora........................................................... 282
6.2.
Сайленсинг асинапсных хромосом у мыши.................................................................................................... 283
6.3.
Дисфункция половой хромосомы у Drosophila................................................................................................ 283
7.
Перспективы и выводы........................................................................................................................................... 283
Литература................................................................................................................................................................... 284
Глава 15
Эпигенетическая регуляция Х-хромосом у C. elegans............................................................................................ 287
Susan Strome и William G. Kelly
Общее резюме............................................................................................................................................................. 287
1.
Дисбаланс половых хромосом у C. elegans............................................................................................................... 288
2.
DDC похож на комплекс конденсина..................................................................................................................... 288
3.
Оценка отношения Х:А........................................................................................................................................... 290
4.
Рекрутирование и распространение DCC............................................................................................................... 292
5.
Эффекты DCC: даун-регуляция сцепленных с Х генов и аутосомного гена her-1................................................ 292
6.
Регулирование Х-хромосом в зародышевом пути................................................................................................... 293
7.
Развитие зародышевого пути и сайленсинг Х-хромосомы..................................................................................... 293
8.
Единственная Х-хромосома у самцов обнаруживает метки гетерохроматина...................................................... 294
9.
Влияние MSUD на паттерны экспрессии генов в зародышевом пути.................................................................. 296
10.
Регуляция сайленсинга Х-хромосомы модификаторами гистонов MES............................................................. 296
11.
Х-хромосома спермия импринтирована............................................................................................................... 298
12.
Заключительные замечания.................................................................................................................................. 299
Литература................................................................................................................................................................... 300
Глава 16
Компенсация дозы у Drosophila............................................................................................................................... 302
John C. Lucchesi и Mitzi I. Kuroda
Общее резюме............................................................................................................................................................. 302
1.
Явление компенсации дозы было открыто у Drosophila.......................................................................................... 303
2.
Компенсация дозы связана с модификациями хроматина.................................................................................... 303
3.
Регулирование компенсации дозы начинается с измерения отношения Х:аутосомы.......................................... 306
4.
Некодирующие РНК roX облегчают сборку и «нацеливание» комплекса MSL на Х-хромосому........................ 307
5.
Балансировка между антагонистическими активностями ремоделинга хроматина............................................. 309
6.
Перспективы........................................................................................................................................................... 310
Литература................................................................................................................................................................... 311
Глава 17
Компенсация дозы у млекопитающих..................................................................................................................... 313
Neil Brockdorff и Bryan M. Turner
Общее резюме............................................................................................................................................................. 314
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 314
1.1.
Преимущества полового воспроизведения..................................................................................................... 314
1.2.
Способы определения пола............................................................................................................................ 315
1.3.
Хромомосмные способы детерминации пола создают необходимость в компенсации дозы ...................... 316
1.4.
Идентификация неактивной Х-хромосомы у самок млекопитающих.......................................................... 316
2.
Ключевые концепции............................................................................................................................................. 316
2.1.
Инактивация Х регулируется в ходе развития................................................................................................ 316
2.2.
Сайленсинг хромосомы включает множественные уровни эпигенетической модификации...................... 317
2.3.
Некоторые гены избегают Х-инактивации .................................................................................................... 317
2.4.
Х-инактивация регулируется Главным локусом-переключателем — центром Х-инактивации................... 317
Оглавление 9
3.
Инициация Х-инактивации.................................................................................................................................... 317
3.1.
Импринтированная versus случайная Х-инактивация.................................................................................... 317
3.2.
Регуляция импринтированной Х-инактивации............................................................................................. 318
3.3.
Регуляция случайной Х-инактивации — счёт................................................................................................. 319
3.4.
Регуляция случайной Х-инактивации — выбор............................................................................................... 321
3.5.
Способы переключения инактивации в раннем эмбриогенезе..................................................................... 322
4.
Воспроизведение и поддержание неактивного состояния..................................................................................... 322
4.1.
Xist-РНК, сайленсинг генов и сборка гетерохроматина................................................................................. 322
4.2.
Гетерохроматиновая структура неактивной Х-хромосомы............................................................................ 323
4.3.
Энзимология модификаций гистонов на Xi.................................................................................................... 325
4.4.
Последовательность событий, приводящих к Х-инактивации; ES-клетки как модельная система............ 326
4.5.
Распространение «молчащего» хроматина...................................................................................................... 327
4.6.
Уход от инактивации Х-хромосомы................................................................................................................ 327
4.7.
Х-инактивация у сумчатых млекопитающих.................................................................................................. 328
5.
Реактивация и репрограммирование Х-хромосомы............................................................................................... 328
5.1.
Стабильность Х-инактивации в соматических клетках.................................................................................. 328
5.2.
Реактивация Х-хромосомы в нормальном развитии...................................................................................... 329
5.3.
Реактивация Х-хромосомы в ходе экспериментального репрограммирования............................................ 329
5.4.
Уроки из опытов с индуцибельными трансгенами Xist.................................................................................. 329
6.
Резюме и направления будущих исследований...................................................................................................... 330
Литература................................................................................................................................................................... 330
Глава 18
Метилирование ДНК у млекопитающих................................................................................................................. 333
En Li и Adrian Bird
Общее резюме............................................................................................................................................................. 334
1.
Механизм клеточной памяти.................................................................................................................................. 334
1.1.
Гипотеза........................................................................................................................................................... 334
1.2.
Данные о наследуемых паттернах метилирования.......................................................................................... 334
1.3.
Поддерживающая ДНК метилтрансфераза млекопитающих........................................................................ 335
2.
Происхождение паттернов метилирования ДНК................................................................................................... 335
2.1.
De novo метилирование ДНК у ранних эмбрионов........................................................................................ 335
2.2.
Открытие de novo метилтрансфераз................................................................................................................ 336
2.3.
Островки CpG и паттерны метилирования ДНК........................................................................................... 336
2.4.
Динамические изменения в паттернах метилирования ДНК в ходе развития.............................................. 337
2.5.
Активное деметилирование зиготического отцовского генома..................................................................... 338
2.6.
Что защищает островки CpG от метилирования ДНК?................................................................................. 339
2.7.
Переключается ли метилирование ДНК структурой хроматина?.................................................................. 339
2.8.
Роль SWI/SNF-подобных белках ремоделинга хроматина............................................................................. 340
3.
Регуляция экспрессии генов метилированием ДНК.............................................................................................. 340
3.1.
Ранние данные................................................................................................................................................. 340
3.2.
Интерференция со связыванием транскрипционного фактора.................................................................... 340
3.3.
Притяжение белков, связывающихся с метил-CpG....................................................................................... 341
3.4.
MeCP2 и синдром Ретта.................................................................................................................................. 342
3.5.
MBD2 опосредует зависящую от метилирования репрессию транскрипции................................................ 343
4.
Метилирование ДНК, мутации и стабильность хромосом.................................................................................... 343
4.1.
Метилирование ДНК и мутации..................................................................................................................... 343
4.2.
Метилирование ДНК и нестабильность хромосом........................................................................................ 344
5.
Будущие направления исследований..................................................................................................................... 344
5.1.
Факторы внешней среды, индуцирующие эпигенетические изменения...................................................... 345
5.2.
Эпигенетическая нестабильность и комплексные заболевания.................................................................... 345
5.3.
Модуляция обратимых эпигенетических состояний...................................................................................... 345
Литература................................................................................................................................................................... 346
Глава 19
Геномный импринтинг у млекопитающих................................................................................................................ 349
Denise P. Barlow и Marisa S. Bartolomei
Общее резюме............................................................................................................................................................. 349
1.
Исторический обзор................................................................................................................................................ 350
2.
Геномный импринтинг — эпигенетическая система регуляции генов.................................................................. 353
3.
Ключевые открытия в области геномного импринтинга....................................................................................... 355
10
Оглавление
3.1.
Импринтированные гены контролируют эмбриональный и неонатальный рост......................................... 355
3.2.
Функция геномного импринтинга у млекопитающихи................................................................................. 355
3.3.
Импринтированные гены собраны в кластеры и контролируются импринтными
контрольными элементами .................................................................................................................................. 357
3.4.
Кластеры импринтированных генов содержат по меньшей мере одну ncRNAb........................................... 359
3.5.
Роль метилирования ДНК в геномном импринтинге.................................................................................... 360
3.6.
Два типа cis-действующего сайленсинга, идентифицированного
в кластерах импринтированных генов................................................................................................................... 362
4.
Геномный импринтинг — модель эпигенетической регуляции у млекопитающих.............................................. 364
5.
Направления будущих исследований..................................................................................................................... 365
Благодарности............................................................................................................................................................. 365
Литература................................................................................................................................................................... 365
WWW-ресурсы........................................................................................................................................................ 367
Глава 20
Зародышевая линия и плюрипотентные стволовые клетки.................................................................................. 368
M. Azim Surani и Wolf Reik
Общее резюме............................................................................................................................................................. 369
1.
Введение, жизнь млекопитающих:генетическая и эпигенетическая непрерывность .......................................... 369
2.
Генетические и эпигенетические механизмы, регулирующие спецификацию
половых клеток (от раннего эмбриона к половым клеткам)...................................................................................... 372
2.1.
Принципы развития половых клеток в различных группах животных.......................................................... 372
2.2.
Раннее развитие линии половых клеток у млекопитающих........................................................................... 372
2.3.
Роль Blimp 1 в cпецификации PGC................................................................................................................. 374
2.4.
Репрессия cоматической программы в половых клетках – явление, эволюционно консервативное.......... 374
2.5.
Регуляция эпигенетической программы у мышей после спецификации PGC ............................................ 375
2.6.
Линия половых клеток и стволовые клетки – обратимый фенотип.............................................................. 376
2.7.
Развитие половых клеток из плюрипотентных ES клеток.............................................................................. 376
2.8.
От примордиальных половых клеток к гаметам............................................................................................. 376
3.
От ооцитов к раннему эмбриону............................................................................................................................ 377
3.
1. Материнская наследственность и потенциальное асимметрическое распределение?................................ 377
3.2.
Эпигенетические события при оплодотворении............................................................................................ 378
3.3.
От зиготы к бластоцисте................................................................................................................................. 379
4.
От плюрипотентных клеток к соматическим клеткам и обратно к половым клеткам.......................................... 379
4.1.
Получение плюрипотентных стволовых клеток............................................................................................. 379
4.2.
Эпигенетические свойства плюрипотентных стволовых клеток................................................................... 380
4.3.
Способность стволовых клеток к репрограммированию .............................................................................. 381
5.
Перспективы........................................................................................................................................................... 382
Благодарности............................................................................................................................................................. 383
Литература................................................................................................................................................................... 383
Глава 21
Эпигенетическое регулирование лимфоцитопоэза................................................................................................. 387
Meinrad Busslinger and Alexander Tarakhovsky
Общее резюме............................................................................................................................................................. 387
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 388
2.
Коммитирование линий в раннем лимфопоэзе...................................................................................................... 390
2.1.
Внеклеточные сигналы................................................................................................................................... 390
2.2.
Транскрипционные факторы .......................................................................................................................... 390
2.3.
Эпигенетический контроль экспрессии генов................................................................................................ 392
3.
Эпигенетический контроль разнообразия рецепторов антигенов......................................................................... 392
3.1.
Регуляция перестроек генов рецепторов антигенов в процессе развития..................................................... 392
3.2.
Субъядерное перемещение генов иммуноглобулинов................................................................................... 395
3.3.
Сокращение локуса генов иммуноглобулина................................................................................................. 395
3.4.
Контроль аллельного исключения в локусах IgH и Igk...........................................................................................396
4.
Конечная дифференцировка зрелых В-клеток....................................................................................................... 398
4.1.
Дифференцировка плазматических клеток.................................................................................................... 398
4.2.
Пластичность зрелых В-клеток в процессе развития..................................................................................... 400
5.
Заключительные замечания ................................................................................................................................... 401
Литература................................................................................................................................................................... 401
Оглавление 11
Глава 22
Трансплантация ядер и репрограммирование генома............................................................................................. 405
Rudolf Jaenisch and John Gurdon
Общее резюме............................................................................................................................................................. 405
1.
История.................................................................................................................................................................... 406
2.
Процедуры пересадки ядер..................................................................................................................................... 406
2.1.
Амфибии.......................................................................................................................................................... 406
2.2.
Млекопитающие............................................................................................................................................. 406
3.
Фенотип клонированных животных....................................................................................................................... 409
3.1.
Амфибии.......................................................................................................................................................... 409
3.2.
Млекопитающие............................................................................................................................................. 410
3.3.
Получение клонированных млекопитающих из терминально дифференцированных клеток.................... 411
4.
Изменения, связанные с репрограммированием ядра........................................................................................... 414
4.1.
Амфибии.......................................................................................................................................................... 414
4.2.
Млекопитающие............................................................................................................................................. 416
5.
Эпигенетическая память......................................................................................................................................... 417
6.
Значение ядерной трансплантации для медицины................................................................................................ 418
6.1.
Репродуктивное клонирование...................................................................................................................... 419
6.2.
Применение ядерной трансплантации в терапии........................................................................................... 420
6.3.
Репродуктивное versus терапевтическое клонирование: в чем разница?....................................................... 421
Литература................................................................................................................................................................... 421
Глава 23
Эпигенетика и болезни человека............................................................................................................................. 424
Huda Y. Zoghbi и Arthur L. Beaudet
Общее резюме............................................................................................................................................................. 424
1.
Введение.................................................................................................................................................................. 425
2.
Исследования болезней человека вскрывают роль эпигенетики в биологии........................................................ 426
3.
Заболевания человека............................................................................................................................................. 427
3.1.
Нарушения геномного импринтинга.............................................................................................................. 427
3.2.
Нарушения, влияющие на структуру хроматина в trans-конфигурации....................................................... 431
3.3.
Расстройства, влияющие на структуру хроматина в cis-конфигурации ........................................................ 435
3.4.
Взаимодействие эпигенетики и окружающей среды...................................................................................... 438
4.
Глядя в будущее....................................................................................................................................................... 439
Благодарности............................................................................................................................................................. 439
Литература................................................................................................................................................................... 439
Глава 24
Эпигенетические детерминанты при раковых заболеваниях................................................................................ 445
Stephen B. Baylin and Peter A. Jones
Общее резюме............................................................................................................................................................. 445
1.
Биологическая основа раковых заболеваний.......................................................................................................... 446
2.
Значение хроматина для раковых заболеваний...................................................................................................... 447
3.
Роль метилирования ДНК при раковых заболеваниях........................................................................................... 448
4.
Гиперметилированные промоторы генов при раковых заболеваниях................................................................... 449
4.1.
Гены, участвующие в процессе....................................................................................................................... 449
4.2.
Поиск новых генов, эпигенетически сайленсированных при раке............................................................... 451
4.3.
Определение функциональной важности генов, гиперметилированных при раковых заболеваниях......... 452
5.
Эпигенетический сайленсинг генов и его роль в эволюции рака – значение
для ранних стадий развития опухоли......................................................................................................................... 452
6.
Молекулярная анатомия эпигенетически сайленсированных раковых генов...................................................... 455
7.
Резюме главных результатов исследований по осмыслению эпигенетического сайленсинга генов при раке ... 458
8.
Выявление рака посредством метилирования ДНК............................................................................................... 459
9.
Эпигенетическая терапия....................................................................................................................................... 459
Литература................................................................................................................................................................... 461
Приложение 1
WWW-ресурсы........................................................................................................................................................... 465
Приложение 2
Модификации гистонов и литература..................................................................................................................... 468
Предисловие к русскому изданию
Глубокоуважаемый читатель !
Перед Вами русскоязычное издание первой в мире обстоя-
тельной научной книги об эпигенетике. Под эпигенетикой
обычно понимают область знаний о совокупности свойств
организма, которые не прямо, а опосредованно закодиро-
ваны в геноме и, по определению, должны передаваться по
наследству. По сути дела в первую очередь эта наука имеет
дело с механизмами, контролирующими экспрессию генов
и клеточную дифференцировку. У организмов существуют
мощные регуляторные элементы (в самом геноме и даже
целые системы в клетках), которые контролируют работу
генов, в том числе и в зависимости от разных внутренних
и внешних сигналов биологической и абиотической при-
роды. Эти сигналы накладываются на генетику и часто
по-своему решают коренной вопрос – быть или не быть?
Действительно, даже самая отличная генетика может вовсе
и не реализоваться, если эпигенетика неблагополучна. По
образному выражению Нобелевского лауреата П. Медавара
«генетика полагает, а эпигенетика располагает».
Долгое время эпигенетику многие не признавали со-
всем, а часто стыдливо или даже намеренно умалчивали
о ней. В основном, это происходило потому, что знания о
природе эпигенетических сигналов и путях их реализации в
организме были очень расплывчатыми. Сегодня стало ясно,
что одним из таких эпигенетических сигналов в клетке яв-
ляется энзиматическая модификация (метилирование) са-
мой генетической матрицы, то-есть метилирование ДНК.
С раскрытием и описанием исключительной роли метили-
рования ДНК в жизни организмов, по сути дела, впервые
по-настоящему произошли становление и материализация
эпигенетики, как науки. Именно в России были открыты
тканевая и возрастная специфичность метилирования ДНК
у эукариотических организмов, в том числе у животных и
высших растений, и было впервые обоснованно заявлено,
что эта энзиматическая модификация генома может быть
одним из механизмов регуляции экспрессии генов и кле-
точной дифференцировки. Здесь же были получены первые
данные о том, что метилирование ДНК контролируется гор-
монально, а искажение метилирования ДНК – путь к раку.
Набор и природа эпигенетических сигналов в клетке
весьма разнообразны, таких сигналов много и сегодня они
разделяются, по- крайней мере, на несколько групп - мети-
лирование и деметилирование ДНК, «гистоновый код» (эн-
зиматическая модификация гистонов – ацетилирование,
метилирование, убиквитинирование, фосфорилирование
и другие), транскрипционное и трансляционное замалчи-
вание генов малыми РНК, позиционирование элементов
хроматина. Любопытно, что многие из этих процессов пе-
реплетены между собой и взаимозависимы. Это во многом
обеспечивает и гарантирует надежность эпигенетического
контроля за избирательным функционированием генов.
Детальное описание разных эпигенетических сигналов и
механизмов их реализации можно найти в соответствующих
главах этой любопытной книги. В ней детально описаны
собственно феномен, история и концепции эпигенетики,
ее отдельные механизмы и пути реализации эпигенети-
ческих сигналов в клетке. Особое место занимают главы,
описывающие роль малых РНК в замалчивании генов, ре-
моделирование хроматина, его разные энзиматичеcкие мо-
дификации, транскрипционное замалчивание генов белка-
ми групп поликомб и триторакс, инактивацию Х хромосом
и половую дифференцировку у нематод и млекопитающих,
механизмы дозовой компенсации генов у дрозофилы и мле-
копитающих, метилирование ДНК и механизмы геномного
импринтинга у млекопитающих, эпигенетические механиз-
мы дифференцировки стволовых клеток, эпигенетический
контроль за лимфопоэзом, пересадку ядер и репрограмми-
рование ядра, эпигенетику рака, эпигенетические болезни
человека. По отдельности в соответствующих главах до-
вольно детально рассматривается так называемая частная
эпигенетика разных групп организмов: дрожжей и других
грибов, насекомых (дрозофила), реснитчатых простейших
(Ciliata), высших растений.
Каждая из глав этой книги написана крупными, веду-
щими в мире специалистами в эпигенетике, которые, как
правило, являются и основоположниками ее отдельных об-
ластей. К сожалению, работы наших соотечественников,
внесших достойный вклад в становление и развитие эпигене-
тики, остались практически без внимания. Жаль также, что в
этой книге не приняли участие и такие всемирно известные
родоначальники эпигенетики, как Робин Холлидей, Артур
Риггс, Вальтер Дёрфлер и другие. Эта многообещающая об-
ласть знаний развивается очень быстро и бурно, и уже сегод-
ня эта книга могла бы быть изрядно дополнена принципи-
ально новыми и важными научными сведениями.
Книга дает очень хорошее и обширное представление
об эпигенетике в целом, ее отдельных областях и молеку-
лярных механизмах.
Наука эпигенетика уже успела основательно прорасти
в технологии. В одном из последних бюллетеней (Technology
Review) Массачуссетского технологического института
(США) эпигенетика названа среди десяти важнейших тех-
нологий, которые в ближайшее время могут изменить мир
и оказать наибольшее влияние на человечество. И это дей-
ствительно так. С ней безусловно связан прогресс биологии,
медицины, сельского хозяйства и разных биотехнологий.
Разумеется, эта книга, ярко и наглядно повествующая о но-
вой науке нашего века общебиологического значения - эпи-
генетике, очень полезна для широкого круга читателей, живо
интересующихся коренными и острыми современными про-
блемами живого, сущности жизни и молекулярных механизмов
ее проявлений. Поэтому появление этой книги в России следу-
ет всячески приветствовать, она не только пробудит интерес к
эпигенетике, расширит и углубит наши знания, но и послужит
развитию этой важной научной дисциплины в стране.
Книга переведена на русский язык и издана по иници-
ативе известного Российского ученого – Николая Викто-
ровича Томилина. Перевод сделан к.б.н. В.В.Ашапкиным
(глава 4), чл.-корр. РАН Б.Ф.Ванюшиным (глава 9),
к.б.н. Ю.И.Подлипаевым (главы 21, 23 и 24), к.б.н.
И.И.Фридлянской (глава 20) и д.б.н. А.Л.Юдиным.
Член-корреспондент РАН
Б.Ф. Ванюшин
Глава 1
Эпигенетика: от явления к области науки
Daniel E. Gottschling
Fred Hutchinson Cancer Research Center, Seattle, Washington 98109
Содержание:
1. Введение
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд
Спринг Харбор
3. 69-й симпозиум
3.1. Гипотеза гистонового кода
3.2. Динамический «молчащий» хроматин
3.3. Ядерная организация
3.4. Прионы
3.5. Новое явление
4. Заключительные соображения
Литература
1 Введение
Состоявшийся летом 2004 года 69-й симпозиум (Cold
Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology) был по-
священ теме «Эпигенетика», и многие авторы этой книги
были в числе его участников. Как наблюдатель на этом
симпозиуме я знал, что это должна была быть интерес-
ная встреча. Совещание началось достаточно просто — с
попыток определения эпигенетики. После недельных
распросов участников на эту тему стало ясно, что задавать
такой вопрос — всё равно что просить кого-то определить,
что такое «семейные ценности»: каждый знает, что это
такое, но для каждого это имеет разный смысл. Как объ-
яснил Дэвид Хейг [David Haig], отчасти причину такого
широкого спектра мнений можно понять исходя из этимо-
логии слова «эпигенетика»: это слово имеет двойное про-
исхождение в биологической литературе прошлого века, и
значение этого термина продолжает эволюционировать.
Уоддингтон [Waddington] первым изобрел этот термин для
обозначения исследований «каузальных механизмов»,
посредством которых «гены генотипа осуществляют фе-
нотипические эффекты» (см. Haig, 2004). Позже Нэнни
[Nanney] использовал этот термин для объяснения своих
представлений о том, как клетки с одним и тем же гено-
типом могут иметь разные фенотипы, сохраняющиеся на
протяжении многих поколений.
Я определяю эпигенетическое явление как измене-
ние в фенотипе, которое является наследуемым, но не
связано с мутацией в ДНК. Более того, это изменение
в фенотипе должно быть похожим на переключение,
типа «ВКЛЮЧЕНО» или «ВЫКЛЮЧЕНО», а не гра-
дуальной реакцией, и оно должно наследоваться даже
если первоначальные условия, вызвавшие это переклю-
чение, исчезают. Таким образом, в число эпигенетиче-
ских явлений я включаю переключение между лизосом
и лизогенией у бактериофага лямбда (Ptashne, 2004),
переключение пилей у уропатогенной Escherichia coli
(Hernday et al., 2003), эффект положения нестабильного
типа у Drosophila (Henikoff, 1990), наследуемые изме-
нения в кортикальном паттерне у Tetrahymena (Frankel
1990), прионные болезни (Wickner et al., 2004a) и инак-
тивацию Х-хромосомы (Lyon, 1993).
69-й Симпозиум состоялся в 100-ю годовщину ге-
нетики как области исследований в Лаборатории Колд
Спринг Харбор, что делает очень своевременным рас-
смотрение эпигенетики. Учитывая этот исторический
контекст, я счел уместным рассмотреть изучение эпиге-
нетики в свете предыдущих Симпозиумов Колд Спринг
Харбор. Хотя 69-й Симпозиум был первым, посвящён-
ными специально этой теме, эпигенетические явления
и их изучение оказались представленными на протя-
жении всей истории этой выдающейся серии симпо-
зиумов. Предлагаемая мною история сужается далее
моими собственными ограничениями и предпочтения-
ми. Для более полной и академической картины я могу
порекомендовать свыше 1000 обзоров по эпигенетике,
написанных за последние пять лет.
Представляя этот хронологический отчет, я надеюсь
передать свое ощущение от того, как коллекция внеш-
14 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
не несопоставимых явлений слилась воедино в область
исследований, затрагивающую все разделы биологии, а
также показать, что изучение эпигенетики основывает-
ся на стремлении объяснить неожиданное — возможно,
в большей степени, чем любая другая область биологи-
ческих исследований.
2 И стория эпигенетики
на симпозиумах Колд Спринг
Харбор
В 1941 году, во время 9-го симпозиума, великий генетик-
дрозофилист Герман Мёллер (H.J. Muller) описал резуль-
таты дальнейшей разработки явления, первоначально
названного им «eversporting displacement», — явления,
когда крупные хромосомные перестройки приводили
к мутантной мозаичной экспрессии генов вблизи точ-
ки разрыва (Muller, 1941). Ко времени симпозиума он
называл это «мозаицизмом, обусловленным эффектом
положения» («position effect variegation»). Было надёжно
установлено, что затрагиваемые гены были перенесены
«в соседство с гетерохроматиновым районом», что пере-
несённые эухроматиновые участки «были частично, но
в разной степени, трансформированы в состояние гете-
рохроматина — ‘гетерохроматинизированы’» и что добав-
ление экстракопий гетерохроматиновых хромосом «по-
зволяло затронутому гену становиться более нормальным
в своем функционировании». В то время это последнее
наблюдение вызывало недоумение и было неожиданным,
хотя теперь мы знаем, что это результат титрования ли-
митирующих компонентов гетерохроматина.
На 16-м симпозиуме (1951) высший приоритет име-
ло детальное понимание гена. Этим можно объяснить,
почему в понимании мозаицизма, обусловленного эф-
фектом положения (PEV), имел место незначительный
прогресс, хотя и были открыты новые примеры этого
явления. Однако первый докладчик отметил, что PEV
станет захватывающей областью будущих исследова-
ний (Goldschmidt, 1951). Барбара МакКлинток отме-
тила, что хромосомные эффекты положения являются
основой различий в «мутабильных локусах» кукурузы,
и высказала предположение, что наблюдавшаяся ею
изменчивость мутабильности, возможно, коренится в
тех же механизмах, что лежат в основе PEV у Drosophila
(McClintock, 1951).
Ко времени 21-го симпозиума идеи МакКлинток о
«контролирующих элементах» получили дальнейшее
развитие (McClintock, 1956). Две из них имели особо
близкое отношение к эпигенетике. В системе контро-
лирующего элемента Spm она обнаружила варианты,
позволившие ей различать trans-действующие факторы,
которые могут «подавлять» ген (уменьшать или устра-
нять его фенотипическое выражение), а не заставлять
его мутировать. Она также отметила, что некоторые
контролирующие элементы могли подавлять действие
гена не только в том локусе, куда они вставлены, но и в
локусах, которые расположены на некотором расстоя-
нии с той или другой стороны от него. Другие исследо-
ватели также обнаруживали этот «эффект распростране-
ния». Шульц представил биохимические и физические
характеристики целых Drosophila, содержащих разные
количества гетерохроматина (Schultz, 1956). Хотя эта
работа была весьма примитивной, а сделанные на ее
основе выводы имели ограниченное значение, она яви-
лась примером первых попыток расчленить структуру
гетерохроматина и продемонстрировала, насколько
трудной окажется эта проблема.
Два сообщения на 23-м симпозиуме явились вехами
в свете нашего сегодняшнего симпозиума. Во-первых,
Бринк описал свои ошеломляющие наблюдения «пара-
мутаций» в локусе R у кукурузы. Если две аллели (Rst и
Rr) с разными фенотипами в гомозиготном состоянии
комбинируются и образуют гетерозиготу, и это растение
Rst/Rr, в свою очередь, снова скрещивается, получающе-
еся в результате потомство, которое содержит аллель Rr,
всегда будет иметь фенотип Rst, хотя аллель Rst больше
не присутствует (Brink, 1958). Однако этот фенотип яв-
ляется метастабильным — в последующих скрещивани-
ях он ревертирует к нормальному фенотипу Rr. Бринк
предполагал, что слово «парамутация» «должно исполь-
зоваться в этом контексте в своем буквальном смысле,
как указывающее на явление, отличное от мутации, но
и не полностью непохожее на нее». Во-вторых, Нэн-
ни пошел очень далеко в попытках сформулировать
«концептуальные и операциональные различия между
генетическими и эпигенетическими системами» (Nanney,
1958). По существу он определил эпигенетику
иначе, чем первоначально предполагалось Уоддингто-
ном (Waddington) (детали см. Haig, 2004). Он счел не-
обходимым поступить таким образом, для того чтобы
описать явления, наблюдавшиеся им у Tetrahymena. Он
получил данные о том, что происхождение цитоплазмы
конъюгирующих родительских клеток влияет на детер-
минацию типа спаривания получающегося потомства.
Данное им определение охватывало и наблюдения,
сделанные другими исследователями, включая работу
Бринка по локусу R и работу МакКлинток, отмеченную
на 21-м симпозиуме.
На 29-м симпозиуме значительный интерес вызвала
гипотеза инактивации Х-хромосомы у самок млекопи-
тающих, незадолго до этого предложенная Мэри Лай-
он (Lyon, 1961). Гартлер, Бойтлер и Нанс представили
новые данные в ее поддержку (Beutler, 1964; Gartler and
Linder, 1964; Nance, 1964). Бойтлер дал обзор многочис-
ленных примеров мозаичной экспрессии сцепленных с
Х генов у женщин, которые свидетельствовали в пользу
случайной природы Х-инактивации. Основываясь на
тщательном количественном анализе продукта гена,
сцепленного с Х, Нанс заключил, что инактивация
Х-хромосомы происходит до наступления 32-клеточной
стадии эмбриона.
38-й симпозиум на тему «Структура и функция хро-
мосом» явился возвратом к изучению эукариотических
хромосом — к этому времени значительный прогресс
был достигнут в изучении прокариотических и фаговых
систем, и, как следствие, в расцветающей области мо-
лекулярной биологии в мышлении в основном домини-
ровала экспрессия бактериальных генов. Однако росло
и понимание роли хроматина (ДНК с гистонами и не-
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд Спринг Харбор 15
гистоновыми белками) у эукариот, но было неясно, свя-
зана ли его роль со структурой хромосомы, с ее функци-
ями или же и с тем, и другим (Swift, 1974). Тем не менее,
несколько групп начали высказывать предположения,
что с транскрипцией генов или с общей структурой
хромосом связана посттрансляционная модификация
белков хроматина, в том числе гистонов (Allfrey et al.,
1974; Louie et al., 1974; Weintraub, 1974). В воздухе витал
лишь намек на эпигенетические явления. Высказыва-
лись гипотезы о том, что у эукариот большинство генов
регулируются повторяющейся ДНК — отчасти исходя
из того факта, что открытые МакКлинток контроли-
рующие элементы повторены в геноме. Сообщалось,
однако, что бОльшая часть повторяющихся нуклеотид-
ных последовательностей ДНК не сцеплена с генами
(Peacock et al., 1974; Rudkin and Tartof, 1974). C учетом
этих наблюдений идея о том, что повторяющиеся эле-
менты регулируют экспрессию генов, в значительной
мере утратила поддержку со стороны присутствовав-
ших. Что, однако, более важно, в этих же самых иссле-
дованиях обнаружилось, что бОльшая часть повторяю-
щейся ДНК локализована в гетерохроматине.
42-й симпозиум продемонстрировал, что за четы-
ре года поразительное количество технических и ин-
теллектуальных достижений полностью преобразили
изучение эукариотических хромосом (Chambon 1978).
К их числу относились использование ферментов ре-
стрикции ДНК, разработка технологии рекомбинант-
ных ДНК, рутинное разделение белков и нуклеиновых
кислот, возможность проведения Саузерн- и Норзерн-
анализа, быстрое секвенирование ДНК и РНК и имму-
нофлуоресценция на хромосомах. Была представлена
нуклеосомная гипотеза и был открыт сплайсинг иРНК.
Основной интерес на этом симпозиуме привлекли био-
химические и цитологические различия в структуре
хроматина, особенно между активно транскрибируе-
мыми и неактивными генами. Если, однако, говорить
о том, что имело наиболее близкое отношение к эпиге-
нетике, то Вайнтрауб с сотрудниками представли свои
соображения относительно того, каким образом хрома-
тин может обусловливать мозаичную экспрессию генов
у организма (Weintraub et al., 1978).
45-й симпозиум явился торжеством открытий Бар-
бары МакКлинток — подвижных генетических элемен-
тов (Yarmolinsky, 1981). Выполненные в механистиче-
ском плане исследования бактериальной транспозиции
продемонстрировали чрезвычайный прогресс и вполне
оправданно составили около половины всех представ-
ленных сообщений, в то время как другие доклады со-
держали данные о том, что транспозиция и регулируемая
реорганизация генома происходят не только у кукурузы,
но и у других эукариот, в том числе у мух, львиного зева,
трипаносом, гриба Ascobolus и почкующихся дрожжей. В
контексте этого совещания все наблюдавшиеся случаи
мозаичной экспрессии были отнесены на счет транс-
позиций. Более того, имела место скрытая тенденция
всерьез считать, что контролирующие элементы ответ-
ственны за большую часть регуляции генов (Сampbell,
1981), что привело некоторых участников к предполо-
жению, что «единственной функцией этих элементов
является стимулирование генетической изменчивости».
В сущности, идея о том, что за регулируемую экспрес-
сию в мозаицизме, обусловленном эффектом положе-
ния, ответствен гетерохроматин, была поставлена под
сомнение. По отношению к будущим эпигенетическим
исследованиям, вероятно, наибольшее внимание заслу-
живало твердое обоснование наличия «молчащих» кас-
сет типов спаривания («silent mating cassetttes») у Saccharomyces
cerevisiae (Haber et al., 1981; Klar et al., 1981;
Nasmyth et al. 1981; Rine et al., 1981).
В порядке подготовки к 47-му симпозиуму у позво-
ночных была установлена общая корреляция, согласно
которой общий уровень метилирования цитозинов в
ДНК-последовательностях CpG ниже для генов, кото-
рые транскрибируются, чем для тех, которые не транс-
крибируются. Однако имелись исключения из этого
общего правила, и более детальный анализ показал, что
наиболее важным является метилирование специфиче-
ских участков промотора гена (Cedar et al., 1983; Doerfler
et al., 1983; La Volpe et al., 1983). Базируясь на системах
рестрикции-модификации у бактерий, полагали, что
метилирование ДНК предотвращает связывание клю-
чевых регуляторных белков. К тому же было показано,
что паттерны метилирования ДНК у позвоночных мо-
гут наследоваться через митоз, что приводило к гипоте-
зе о том, что метилирование ДНК может служить сред-
ством транскрипционной «памяти»в процессе деления
клеток в ходе развития (Shapiro and Mohandas, 1983).
Еще одним главным открытием, имеющим отношение
к эпигенетике, была идентификация нуклеотидных по-
следовательностей ДНК по ту или другую сторону от
«молчащих кассет типов спаривания» у почкующихся
дрожжей, которые отвечают за транскрипционную ре-
прессию генов, находящихся внутри этих кассет; они,
таким образом, оказались первыми нуклеотидными по-
следовательностями ДНК, необходимыми для хромо-
сомных эффектов положения (Abraham et al., 1983).
«Молекулярная биология развития» была темой
50-го симпозиума, и на нем тоже был представлен ряд
важных достижений. Возможно, одним из самых вол-
нующих успехов было осознание всеми того факта, что
фундаментальные молекулярные свойства являются
консервативными в ходе эволюции — например, RAS
человека функционирует в почкующихся дрожжах, го-
меобоксные белки консервативны у мух и человека (Rubin
et al., 1985). Новые попытки понять хромосомный
импринтинг начались с разработки техники ядерных
пересадок у мышей (Solter et al., 1985). Эти исследова-
ния показали, что в отцовском и материнском геномах
новой зиготы хранится информация о происхождении
от того или другого родителя; важна не просто ДНК
сама по себе; хромосомы содержат дополнительную
информацию, через кого из родителей они прошли, и
эта информация необходима для успешного развития
эмбриона. Полагали, что частично ответ лежит в том
факте, что от происхождения хромосомы от того или
другого родителя зависит дифференциальная экспрес-
сия генов (Cattanach and Kirk, 1985).
Имелся ряд исследований, направленных на пони-
мание сложной регуляции комплекса bithorax; особен-
16 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
но следует отметить сообщение Льюиса, который спе-
циально остановился на странной природе известных
trans-регуляторов этого локуса; почти все они являют-
ся репрессорами данного локуса (Lewis, 1985). Таким
образом, поддержание гена в «молчащем» состоянии
на протяжении многих клеточных удвоений является
обязательным для нормального развития. Это противо-
речило весьма распространенному в то время мнению,
согласно которому там, где будут приниматься крити-
ческие регуляторные решения, касающиеся развития,
имеет место активация/индукция гена.
К тому времени для ряда организмов была разрабо-
тана техника ДНК-трансформации и инсерционного
мутагенеза. Один из примеров особенно продуктивного
и имеющего отношение к эпигенетике использования
этой технологии был получен на Drosophila. Был создан
транспозон P-элемент с геном white (цвет глаз) на нем
и он «прыгал» по всему геному (Rubin et al., 1985). Это
дало возможнсть картировать во всем геноме Drosophila
сайты, где мог происходить PEV.
Этот симпозиум высветил также первые генетические
подходы к расчленению (dissection) явлений детермина-
ции пола и компенсации дозы половых хромосом у Drosophila
(Belote et al., 1985; Maine et al., 1985) и Caenorhabditis
elegans (Hodgkin et al., 1985; Wood et al., 1985).
58-й симпозиум отвел главное место празднованию
40-й годовщины открытия, сделанного Уотсоном и
Криком. Частью этого торжества была выездная «тусов-
ка», посвященная эпигенетическим явлениям: говори-
лось об идентификации новых явлений, начале моле-
кулярного анализа других явлений, на ряде систем был
достигнут существенный прогресс, позволяющий пред-
лагать гипотезы и тестировать их.
У трипаносом гены семейства Генов Вариабельных По-
верхностных антигенов (VSG — Variable Surface antigene
Genes), локализованных возле теломер, в основном «мол-
чат», и в каждый данный момент экспрессируется только
один VSG. Хотя этот организм, по-видимому, не содер-
жит метилированной ДНК, сообщалось, что «молчащие»
гены VSG содержат новое минорное основание, b-D-
глюкозилгидроксиметилурацил (Borst et al., 1993). Это
основание, по-видимому, занимает в ДНК место тими-
дина. Нетрудно провести параллели между этим основа-
нием и метилированием цитозина у других организмов —
эти модификации важны для поддержания «молчащего»
гена. Но как это основание вводится в ДНК или как оно
осуществляет такую функцию, было неясно.
Прогресс был также достигнут в изучении эпигенети-
ческих явлений у позвоночных, в том числе хромосом-
ного импринтинга и инактивации Х-хромосомы (Ariel et
al., 1993; Li et al., 1993; Tilghman et al., 1993; Willard et al.,
1993). К этому времени стало ясно, что у млекопитающих
многие локусы подвержены импринтингу; в диплоидных
клетках экспрессируется лишь одна аллель, и экспрессия
зависит от ее происхождения от того или другого родителя.
Особый интерес представлял локус Igf2-H19, главным об-
разом потому, что он содержал два соседних гена, которые
регулировались противоположным образом. Igf2 экспрес-
сируется в отцовской хромосоме, тогда как материнская
копия репрессирована; в то же время отцовская аллель
H19 репрессирована, а материнская аллель этого гена
экспрессируется. Интересно, что метилированные CpG
наблюдались на отцовской хромосоме непосредственно
«вверх по течению» от обоих генов. Предположили, что
дифференциальное метилирование регулирует доступ
этих двух генов к близлежащему энхансерному элемен-
ту — этот энхансер расположен ближе к H19 и непосред-
ственно «вниз по течению» от него (Tilghman et al., 1993).
Можно было представить себе взаимоисключающую кон-
куренцию между этими двумя генами за энхансер; когда
ген H19 метилирован, энхансер свободен и активирует бо-
лее удаленный ген Igf2. В пользу идеи, что метилирование
ДНК играет регуляторную роль в этом процессе, свиде-
тельствовали эксперименты с мышами. Мутация первого
гена позвоночных, кодирующего 5-метилцитозин-ДНК-
метилтрансферазу в ES-клетках, показала, что по мере
развития эмбрионов отцовская копия H19 становилась
гипометилированной, и этот ген становился транскрип-
ционно активным (Li et al., 1993).
Важным шагом в расшифровке того, как 5MeCpG
опосредует свои эффекты, явилась очистка первого
комплекса, связывающегося с 5MeCpG в ДНК (MeCP1 —
5MeCpG DNA-binding complex) (Bird 1993). MeCP1 не
только связывается с ДНК, но и, связавшись «вверх по
течению» от репортерного гена, вызывает репрессию
этого гена. Хотя это и не объясняло регуляцию в локусе
Igf2-H19, но давало возможный механизм для объясне-
ния общей корреляции между метилированием ДНК и
репрессией гена.
Генетическое картирование на протяжении ряда лет
позволило идентифицировать ту часть Х-хромосомы
человека, которая является критичной для инакти-
вации Х-хромосомы. Исследования этого центра
Х-инактивации с использованием молекулярного кло-
нирования привели к открытию гена Xist (Willard et al.,
1993), некодирующей РНК размером ~17 т.о., который
экспрессируется только на неактивной Х-хромосоме.
Мышиная версия Xist оказалась на удивление гомоло-
гичной по структуре и нуклеотидной последовательно-
сти и обещала стать прекрасной модельной системой для
«расчленения» того пути, на котором эта РНК функци-
онирует и репрессирует большую часть Х-хромосомы.
Два заслуживающих внимания открытия были опи-
саны у Neurospora (Selker et al., 1993). Во-первых, было
показано, что метилирование цитозинов в ДНК не огра-
ничено динуклеотидами CpG, а может происходить как
будто бы в любом ДНК-контексте. Вторым открытием
стало описание удивительного явления индуцируемых
повторами точечных мутаций (RIP — repeat-induced
point mutation). Когда в гаплоидном геноме имеется ду-
пликация некой последовательности (сцепленная или
несцепленная), и этот геном посредством конъюгации
проводится через половой цикл, нуклеотидные после-
довательности становятся «RIPованными». Происходят
два события: Обе копии дуплицированной ДНК приоб-
ретают мутации типа G:C " A:T, а ДНК в пределах не-
скольких сотен пар оснований «RIPованных» последо-
вательностей становится метилированной. Эта двойная
атака на геном весьма эффективна — 50 % несцеплен-
ных локусов подвержены RIP, тогда как тесно сцеплен-
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд Спринг Харбор 17
ные локусы достигают 100 % — и легко подавляет функ-
цию генов.
Ген brown у Drosophila, будучи транслоцирован в со-
седство с гетерохроматином, демонстрирует доминант-
ный PEV; транслоцированная копия может вызвать ре-
прессию копии дикого типа. В ходе поисков энхансеров
и супрессоров этого явления trans-инактивации Хени-
коф (Henikoff) открыл, что дупликация гена, локали-
зованного вблизи гетерохроматина, повышает уровень
репрессии на нормальной копии (Martin-Morris et al.,
1993). Хотя механизм, лежащий в основе этого события,
оставался загадочным, постулировали, что это явление
могло бы быть аналогичным RIP у Neurospora, хотя оно
должно происходить в отсутствие метилирования ДНК,
которое у Drosophila не происходит.
Пол Шедл (Paul Schedl) изложил концепцию хромо-
сомных «граничных элементов» (Vazquez et al., 1993).
Первые такие элементы были локализованы с той или
другой стороны района «пуфа» в локусе теплового шока
у Drosophila и были определены по необычной струк-
туре их хроматина — устойчивому к нуклеазе кору ве-
личиной ~300 п.н., ограниченному гиперчувствитель-
ными к нуклеазе сайтами. Постулировали, что такие
элементы разделяют домены хроматина вдоль по длине
хромосомы. Два теста in vivo свидетельствовали в поль-
зу этой гипотезы: (1) Ограничивая ту или другую сто-
рону репортерного гена, граничные элементы эффек-
тивно устраняли хромосомные эффекты положения,
когда этот конструкт случайным образом вставлялся в
геном. (2) Граничный элемент определялся также по его
способности блокировать функцию энхансера. Будучи
вставлен между промотором гена и его энхансером, гра-
ничный элемент блокировал экспрессию данного гена.
Хотя и не в столь определенном виде, эта концепция
граничных элементов была разработана и для других
организмов, особенно на глобиновом локусе у млеко-
питающих (Clark et al., 1993).
Исследования на почкующихся дрожжах высветили
развивающийся механистический подход [a mechanistic
inroad] к связанным с хроматином эпигенетическим яв-
лениям. Было уже установлено, что сайленсеры в «мол-
чащих» локусах типа спаривания являются сайтами для
нескольких связывающихся с ДНК белков. Их связыва-
ние оказалось зависимым от контекста, примером чего
может быть белок Rap1, который не только играет важ-
ную роль в сайленсинге, но и связывается «вверх по те-
чению» от ряда генов, активируя транскрипцию (обзор
см. Laurenson and Rine, 1992).
На протяжении ряда лет были установлены много-
численные связи между репликацией ДНК и транс-
крипционно «молчащими» районами генома. Неак-
тивная Х-хромосома, гетерохроматин и «молчащие»
импринтированные локусы — все они, как сообщалось,
поздно реплицируются в фазе S по сравнению с транс-
крипционно активными районами генома. Кроме того,
было показано, что установление сайленсинга в «мол-
чащих» локусах типа спаривания требует прохождения
через фазу S, что заставлет предполагать, что «молча-
щий» хроматин должен быть построен на недавно ре-
плицированной ДНК. Так, огромный интерес вызывал
тот факт, что один из сайленсеров оказался точкой на-
чала репликации ДНК («ориджином»), а его активность
в этом качестве нельзя было отделить от функции сай-
ленсинга (Fox et al., 1993). Более того, мутанты в не-
давно идентифицированном комплексе распознавания
«ориджина» (ORC — origin recognition complex) «порти-
ли» сайленсинг (Bell et al., 1993; Fox et al., 1993).
Еще один подход к «расчленению» структуры гетерох-
роматина и её влияния на экспрессию генов обусловило
открытие, показавшее, что теломеры у Saccharomyces cerevisiae
приводят в действие PEV, аналогичный наблюдае-
мому у Drosophila. Репортерные гены, вставленные около
теломер, обнаруживают мозаичную экспрессию в коло-
нии дрожжей. Репрессированное состояние зависит от
многих генов (SIR2, SIR3, SIR4) из тех, что необходимы
для сайленсинга в «молчащих» локусах типа спаривания.
Были описаны несколько ключевых аспектов, касаю-
щихся структуры «молчащего» хроматина и регуляции
мозаичной экспрессии. Заслуживает упоминания тот
факт, что цитологически гетерохроматин определяется
как конденсированный хроматин, но «молчащий» хро-
матин у S. cerevisiae никогда не удавалось визуализиро-
вать таким образом. Тем не менее, из-за сходства с PEV у
Drosophila, «молчащий» хроматин у дрожжей всегда были
склонны рассматривать как функциональный эквива-
лент гетерохроматина (описано в Weintraub, 1993).
На основе исследований на дрожжах начал форми-
роваться ряд фундаментальных концепций. Во-первых,
стало очевидным важное значение гистонов Н3 и Н4. В
частности, аминотерминальный «хвост» гистонов Н3 и
Н4 оказался непосредственным участником формиро-
вания «молчащего» гетерохроматина (Thompson et al.,
1993). Специфические мутации в «хвостах» этих гисто-
нов облегчали или портили сайленсинг и позволяли ду-
мать, что и общий заряд остатков на «хвостах», и спец-
ифические остатки в составе «хвостов» вносят вклад в
сайленсинг. Кроме того, на заре использования имму-
нопреципитации хроматина (ChIP) было продемон-
стрировано, что лизины в аминотерминальном «хвосте»
гистона Н4 гипоацетилированы в районах «молчащего»
хроматина по сравнению с остальной частью генома.
Более того, одна из гистоновых мутаций позволила
идентифицировать H4K16 гистонов (который может
быть ацетилирован) как критичный для формирования
«молчащего» хроматина.
Теломеры оказались простейшей системой для бо-
лее глубокого понимания того, каким образом белки Sir
опосредуют сайленсинг. Была разработана концепция
рекрутирования белков сайленсинга. Говоря коротко,
оказалось, что белок Rap1, связывающийся с теломер-
ной ДНК, взаимодействует с Sir3 и Sir4 двугибридным
способом (by two-hybrid methods — описано в Palladino
et al. 1993). Таким образом, Rap1 может «рекрутировать»
эти белки Sir к теломерному району генома. Имелись
данные о том, что Sir3 и Sir4 могут связываться друг с
другом и что (и это особенно важно) Sir3 и, возможно,
Sir4 взаимодействуют с «хвостами» гстонов Н3 и Н4
(Thompson et al., 1993). Более того, сверхэкспрессия
Sir3 заставляет его «распространяться» по хроматино-
вой фибрилле внутрь от теломеры, позволяя предпо-
18 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
лагать, что он является лимитирующим компонентом
«молчащего» хроматина и может «полимеризоваться»
вдоль хроматина (Renauld et al., 1993). Все вместе по-
казывало, что существует, оказывается, обширная сеть
взаимодействий, важная для сайленсинга, — белки Sir
инициируют сборку на теломерной ДНК, благодаря
их взаимодействию с Rap1, а затем полимеризуются от
теломеры вдоль хроматинового волокна, предположи-
тельно связываясь с «хвостами» гистонов Н3 и Н4.
Переключение между транскрипционными состоя-
ниями при мозаичной теломерной экспрессии оказа-
лось результатом конкуренции в отношении экспрес-
сии между «молчащими» и активными генами (Aparicio
and Gottschling, 1994; описано в Weintraub, 1993). Если
транскрипционный активатор для теломерного гена де-
летирован, базовый механизм транскрипции этого гена
оказывается недостаточным для экспрессии, и этот ген
оказывается конститутивно сайленсированным. Нао-
борот, сверхэкспрессия активатора заставляла теломер-
ный ген экспрессироваться постоянно — это ген никог-
да не был сайленсирован. В отсутствие SIR3 (или SIR2
или SIR4) базальная экспрессия гена была достаточной,
тогда как увеличенная доза SIR3 повышала долю кле-
ток, которые были сайленсированы. Хотя транскрип-
ционный активатор мог преодолеть сайленсинг на
протяжении всего клеточного цикла, он был наиболее
эффективным, когда клетки были остановлены в фазе
S — предположительно, когда хроматин реплицируется
и, отсюда, оказывается наиболее чувствительным к кон-
куренции. Несколько удивляет, что клетки, остановлен-
ные на G2/M, также можно было легко переключить,
что заставляло предполагать, что «молчащий» хроматин
еще не был полностью собран к этому времени.
Было показано, что «молчащий» хроматин у дрож-
жей не поддается действию нуклеаз и ферментов мо-
дификации ДНК; это позволяет предположить, что ле-
жащая в его основе ДНК гораздо менее доступна, чем
бОльшая часть генома (описано в Thompson et al. 1993).
Оказалось также, что имеет место иерархия сай-
ленсинга в геноме дрожжей: наиболее чувствителны к
пертурбациям теломеры, затем идет HML, а наименее
чувствителен HMR. Действительно, когда ген SIR1 му-
тировал, локусы HM, в норме полностью сайленсиро-
ванные, обнаруживали мозаичную экспрессию (Pillus
and Rine, 1989).
Наконец, Sir3 и Sir4 были локализованы на пери-
ферии ядра, как и теломеры. Предположили, что ядро
организовано таким образом, что ядерная оболочка
обеспечивает специальную среду для сайленсинга (Palladino
et al., 1993).
Schizosaccharomyces pombe тоже имеют «молчащие»
кассеты типов спаривания, которые, как подозревают,
ведут себя аналогично кассетам типов спаривания у
S. cerevisiae. Однако у S. pombe в истории с переключе-
нием типов спаривания был дополнительный поворот.
В элегантной серии экспериментов Эймар Клар (Amar
Klar) выдвинул предположение о том, каким образом
в клетке «метка» импринтируется на одной нити ДНК
(Klar and Bonaduce, 1993). Эта метка проявляется, после
двух клеточных делений, в одной из четырех «внучатых»
клеток как двунитевой разрыв, облегчающий переклю-
чение типа спаривания. У этих дрожжей отсутствуют
какие-либо известные модификации ДНК (метилиро-
вание и т.п.); отсюда, постулируется, что на нити ДНК
оставляется метка какого-то иного типа.
Темой 59-го симпозиума была «Молекулярная гене-
тика рака». Концепция эпигенетической регуляции в
онкогенезе начала развиваться после того, как утверди-
лась идея генов-супрессоров опухолей. Была опублико-
вана пара исследований в пользу таких представлений,
но интересный поворот в этой истории возник в иссле-
дованиях пациентов с синдромом Бэквита-Видеманна
и опухолями Уилмса. Мутации у пациентов обоих ти-
пов были картированы в локусе, включавшем имприн-
тированные гены H19-IGF2. Фейнберг с соавторами
(Feinberg et al., 1994) открыли у таких больных «утрату
импринтинга» (LOI — loss of imprinting) для этих генов —
материнский локус утрачивал свой импринт, H19 был
репрессирован, а IGF2 экспрессирован. Таким образом,
LOI, которая в принципе могла бы происходить в дру-
гих местах генома, могла вызывать либо биаллельную
экспрессию, либо исчезновение генов, критичных для
онкогенеза, либо и то и другое.
Через пару лет на пути к 63-му симпозиуму на тему
«Механизмы транскрипции» произошли важные со-
бытия, которые впоследствии повлияют на понимание
молекулярных механизмов нескольких эпигенетиче-
ских феноменов. Были идентифицированы ферменты,
модифицирующие гистоны, а именно, ацетилазы и деа-
цетилазы гистонов. Некоторые из этих энзимов играли
критическую роль в регулировании экспрессии генов
и позволили подойти к генным продуктам, непосред-
ственно влияющим на PEV и сайленсинг. На симпозиуме
была представлена верхушка этого айсберга (см. Losick,
1998). Молекулярное «расчленение» сайленсирующих
белков Sir3 и Sir4 у дрожжей выявило поливалентную
природу их взаимодействий и показало, каким образом
сеть взаимодействий между всеми белками Sir, гистона-
ми и разнообразными факторами, связывающимися с
ДНК, формирует «молчащий» хроматин. Кроме того,
были показаны молекулярные детали того, как разноо-
бразные локусы (теломеры, рДНК, локусы НМ и двуни-
тевые разрывы) могут конкурировать за ограниченные
ресурсы белков Sir. При нарушении способности спец-
ифического локуса рекрутировать факторы сайленсин-
га уровни содержания белков Sir в других локусах по-
вышались (Cockell et al., 1998). Это прямо доказывало,
что работает принцип действия масс и что сайленсинг
в одном локусе может влиять на эпигенетический сай-
ленсинг в других локусах (идея, первоначально выдви-
нутая в исследованиях PEV у Drosophila, но всё еще не
проверенная) (Locke et al., 1988). Еще одно открытие
позволило объяснить, каким образом метилирование
ДНК может регулировать экспрессию генов через хро-
матин. Были идентифицированы белковые комплексы,
состоящие из MeCP2, которые связываются и с мети-
лированной ДНК, и с деацетилазой гистонов (Wade et
al., 1998). Метилированная ДНК могла служить точкой
рекрутирования деацетилаз к локусу и таким образом
облегчать сайленсинг близлежащих генов.
3. 69 симпозиум 19
Концепция граничных элементов была распростра-
нена с Drosophila на млекопитающих (четкие данные
были получены на локусе b-глобина), показывая таким
образом, что границы хроматина, вероятно, действи-
тельно консервативны у многоклеточных и, возможно,
у всех эукариот (Bell et al., 1998).
На 64-м симпозиуме, темой которого был «Сигна-
линг и экспрессия в иммунной системе», были приве-
дены данные о том, как возникает моноаллельная экс-
прессия, и о том, что она может быть распространена
более широко, чем думали раньше. Моноаллельная экс-
прессия в локусах иммуноглобулинов на протяжении
некоторого времени была очевидна для лимфоцитов —
она гарантировала продукцию единственного типа ре-
цепторов в каждой лимфоидной клетке (Mostoslavsky et
al., 1999). Аллель, которая будет экспрессироваться, вы-
бирается на ранних стадиях развития, очевидно случай-
ным образом: обе аллели вначале находятся в репресси-
рованном состоянии, но через некоторое время одна из
них деметилируется. Было неясно, как происходит вы-
бор одной из аллелей, но это явление обнаруживается
и в других локусах, где необходимость моноаллелизма
была не столь очевидна. Например, экспрессируется
только одна аллель генов, кодирующих цитокины IL-2
и IL-4 (Pannetier et al., 1999).
Наиболее значительное сообщение на 65-м симпо-
зиуме, имеющее отношение к эпигенетике, касалось
открытия того, что белок Sir2 является деацетилазой ги-
стонов (Imai et al., 2000). Это был единственный белок
Sir, у которого были очевидные гомологи у всех других
эукариот и который регулировал PEV. Создавалось впе-
чатление, что этот фермент в основном отвечает за уда-
ление ацетильных компонентов гистонов в «молчащем»
хроматине. Кроме того, поскольку это был фермент, за-
висимый от NAD, он связывал регуляцию сайленсинга
(гетерохроматина) с клеточной физиологией.
68-й симпозиум на тему «Геном Homo sapiens» явился
важной вехой в генетике, и хотя всё еще остается про-
делать большую генетическую работу, полное секвени-
рование этого и других геномов означало, что пришло
время переходить на «надгенетический» уровень — в
буквальном значении слова «эпигенетика».
Этот исторический отчет высвечивает несколько
тем, общих со многими другими областями исследо-
вания. Во-первых, он демонстрирует эпизодическую
природу достижений в эпигенетике. Во-вторых, по
мере постижения молекулярных механизмов, лежащих
в основе эпигенетических явлений, стало легче связы-
вать эпигенетику с биологической регуляцией в целом.
В-третьих, он показал, что исследователи, которых мы
в настоящее время считаем корифеями науки, устано-
вили эти связи очень рано — потребовалось лишь неко-
торое время, чтобы большинство остальных «увидели»
очевидное.
3 69-й симпозиум
С годами выявилось несколько универсальных прин-
ципов, общих для всех эпигенетических явлений, и эти
принципы определяют экспериментальные подходы в
наших попытках понять детали. Во-первых, различия
между двумя фенотипическими состояниями («ВКЛЮ-
ЧЕНО» и «ВЫКЛЮЧЕНО») всегда коррелируют с со-
ответствующим различием структуры в ключевой ре-
гуляторной точке — форма транслируется в функцию.
Отсюда, основная задача заключается в идентификации
этих двух различных структур, компонентов, из которых
эти структуры состоят, и композиционных различий
между ними. Во-вторых, эти различающиеся структуры
должны обладать способностью поддерживать и вос-
производить себя в окружении конкурирующих факто-
ров и сил энтропии. Таким образом, каждая структура
нуждается в самоусилении, или в контурах положитель-
ной обратной связи, обеспечивающих ее поддержание
и воспроизведение на протяжении многих клеточных
делений; в некоторых случаях, таких как инактивация
Х-хромосомы, это время оказывается сравнимым со вре-
менем жизни.
На 69-м симпозиуме продолжалось уточнение мно-
гих механистических принципов, установленные на
предыдущих симпозиумах, но были и новые разработ-
ки. Чтобы поместить эти новые разработки в наш кон-
текст, важно отметить, что важное влияние на эпигене-
тику оказали еще два открытия. Одним было открытие
РНК-интерференции и родственных, базирующихся на
РНК, механизмах регуляции. Другим было открытие
механизмов, лежащих в основе гипотезы прионов. За
последнее десятилетие обе эти области быстро развива-
лись, и некоторые из этих исследований внесли вклад в
наши знания об эпигенетике, базирующейся на хрома-
тине, тогда как другие наметили новые перспективы в
проблеме наследственной передачи фенотипов.
Многие достижения, представленные на этом сим-
позиуме, детально описываются в разных главах этой
книги, поэтому я воздержусь здесь от обсуждения этих
тем. Однако я затрону несколько успешных и перспек-
тивных исследований, которые привлекли мое вооб-
ражение и которые не освещаются на этих страницах.
В конце я попытаюсь сформулировать наиболее важные
концепции, вынесенные мною из этого симпозиума.
3.1 Г ипотеза гистонового кода
В ходе рассмотрения модификаций гистонов и их по-
тенциального информационного содержания состоялось
много дискуссий относительно «гипотезы гистонового
кода» (Jenuwein and Allis 2001). Большинство этих споров,
в которых я принимал участие или о которых мне расска-
зывали, были неформальными и довольно оживленны-
ми. Сторонники «кода» приводили такие примеры, как
триметилирование гистона Н3 по K9 и его повышенное
сродство к классу НР1 белков гетерохроматина (Jenuwein
and Allis, 2001). Их противники приводили биохимиче-
ские и генетические данные о том, что на связывание с
ДНК или на фенотип существенно влияет суммарный
заряд на аминотерминальном «хвосте» гистона Н4, не-
зависимо от того, где этот заряд расположен (Megee et
al., 1995; Zheng and Hayes, 2003).
Грюнштейн (Grunstein) представил данные, вклю-
чавшие анализ модификаций (ацетилирования) гисто-
20 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
нов и связанных с хроматином белков во всем геноме
S. cerevisiae с использованием специфических антител и
метода ChIP-Chip (Millar et al., 2004). Он сделал акцент
на ассоциированном с ацетилированием H4K16 эпиге-
нетическом переключении к связыванию или несвязы-
ванию определенных белков хроматина, поддерживая
таким образом гипотезу гистонового кода. Некоторые
из его данных, хотя они и не обсуждались, по-видимому,
свидетельствуют в пользу сообщений других исследова-
телей о том, что для большой части генома нет корреля-
ции между специфичесикми модификациями гистонов
и экспрессией генов (т.е. все активные гены имеют оди-
наковые метки, и эти метки отсутствуют на неактивных
генах) (Schubert et al., 2004; Dion et al., 2005). Учитывая
всю совокупность этих результатов, я подозреваю, что в
качестве механизмов регулирования структуры хрома-
тина и экспрессии генов обычно используются и спец-
ифические модификации, и влияние общего заряда.
3.2 Д инамический «молчащий» хроматин
Я должен признаться, что, основываясь на статических
изображениях гетерохроматина и на рефрактерной
природе «молчащего» хроматина, я был убежден, что,
однажды установившись, гетерохроматиновое состояние
остается прочным, как гранит. Только когда наступает
время репликации ДНК, эта непробиваемая структура
становится релаксированной. Думая таким образом, я не-
разумно игнорировал принципы равновесной динамики,
с которыми я познакомился в курсе химии. Однако к этим
урокам заставили возвратиться исследования «молчащего»
хроматина и гетерохроматина, где было показано, что
белки сайленсинга у дрожжей (Sir3) и белки гетерохро-
матина в клетках млекопитающих (НР1) находятся в со-
стоянии динамического равновесия — эти белки быстро
обмениваются между гетерохроматином и растворимым
компартментом — даже когда хроматин находится в своем
наиболее непроницаемом состоянии (Cheng and Gartenberg,
2000; Cheutin et al., 2003). Осознание динамических
качеств хроматина вынудило меня иначе взглянуть на то,
каким образом поддерживается и воспроизводится его
эпигенетическое состояние. Этот взгляд предполагает,
что в некоторых системах эпигенетическое состояние
может быть ревертировано в любое время, а не только в
ходе репликации ДНК. Отсюда, мы можем заключить, что
для «молчащего» хроматина механизмы усиления и вос-
произведения должны функционировать постоянно.
Широко распространено мнение, что метилирование
гистонов является модификацией, накладывающей на
хроматин «перманентную» метку (обзор см. Kubicek and
Jenuwein, 2004). В противоположность всем другим мо-
дификациям гистонов (например, фосфорилированию,
ацетилированию, убиквитинированию) нет известных
ферментов, которые могли бы обратимо удалять метиль-
ную группу с аминогруппы лизина или аргинина. Более
того, считается, что удаление метильной группы про-
стым гидролизом в физиологических условиях невыгод-
но и, таким образом, вряд ли происходит спонтанно.
Несколько сообщений слегка поколебали систему
верований тех, кто думал, что метки метилирования
являются перманентными. Во-первых, было показано,
что ядерная пептидиларгининдеиминаза (PAD4) мо-
жет удалять монометилирование с остатков аргинина
(R) гистона Н3 (Cuthbert et al., 2004; Wang et al., 2004).
Хотя результатом этого процесса удаления метильного
компонента является конвертация остатка аргинина в
цитруллин, и, следовательно, это не является истин-
ной реверсией данной модификации, он, тем не менее,
представляет собой механизм элиминации перманент-
ной метильной метки.
Робин Олшайр (Robin Allshire) привел провоцирую-
щий генетический аргумент, согласно которому ген tis2
из S. pombe ревертирует диметилирование по K9 в ги-
стоне Н3 (R. Allshire, личное сообщение). Возможно, он
был на верном пути, поскольку через несколько меся-
цев после симпозиума было показано, что неродствен-
ный фермент LSD1 из млекопитающих специфически
деметилирует ди- и монометилы на гистоне Н3 по K4
(Shi et al., 2004), ревертируя «активную» метку хромати-
на. Весьма интересно, что LSD1 не работает на триме-
тилированном H3K4 — таким образом, метилирование
может быть ревертировано в ходе процесса маркиров-
ки, но реверсия невозможна, коль скоро метка полно-
стью созрела.
Однако Стив Хеникоф (Steve Henikoff) описал спо-
соб, которым могла бы элиминироваться перманентная
триметил-лизиновая метка. Он показал, что вариант-
ный гистон Н3.3 может замещать канонический ги-
стон Н3 независимым от репликации и сопряженным с
транскрипцией образом (Henikoff et al., 2004). По суще-
ству гистон, содержащий метильные метки для сайлен-
синга, мог бы быть удален и заменен гистоном, более
подходящим для транскрипции. Когда был изолирован
суммарный хроматин, оказалось, что гистон Н3.3 имел
на себе намного больше меток метилирования хромати-
на (например, K79me), чем канонический гистон Н3.
При рассмотрении всех этих результатов создается
впечатление, что может и не быть простой молекуляр-
ной модификации гистонов, которая служит как метка
памяти для воспроизведения состояния «молчащего»
хроматина в ходе клеточного деления. Скорее, должен
иметь место тонкий набор взаимодействий, увеличи-
вающих вероятность того, что «молчащее» состояние
будет поддерживаться, хотя и не гарантирующих это.
3.3 Я дерная организация
Корреляции между ядерной локализацией и экспрессией
генов были установлены уже много лет назад (Mirkovitch
et al., 1987). На основе этих наблюдений начало формиро-
ваться мнение, что в клетке имеются специальные ком-
партменты, которыми ограничены экспрессия генов или
сайленсинг. Приводили доводы в пользу того, что такая
организация необходима для поддержания сложности
генома и его регуляции в работоспособном состоянии.
Эта идея была поддержана исследованиями на S. cerevisiae,
где теломеры преимущественно локализовались
на периферии ядра, как и ключевые компоненты ком-
плекса сайленсинга, такие как Sir4 (Palladino et al., 1993).
Результатом мутаций, высвобождающих теломеры или
3. 69 симпозиум 21
Sir4 с ядерной периферии, является утрата теломерного
сайленсинга (Laroche et al., 1998; Andrulis et al., 2002).
Более того, искусственная привязка частично сайленси-
рованного гена к этой периферии делала его полностью
сайленсированным (Andrulis et al., 1998).
В очень информативном эксперименте Гассер по-
казал, что если теломеры и сайленсирующий комплекс
оба высвобождаются с периферии и могут свободно
перемещаться по всему ядру, легко устанавливается
теломерный сайленсинг (Gasser et al., 2004). Таким об-
разом, по-видимому, нет особой нужды локализовать
локусы в компартменте. Это в большей мере согласует-
ся с данными о том, что быстрое перемещение белков
хроматина на хромосомы и с хромосом может, кроме
того, опосредовать такую эффективную регуляцию, как
сайленсинг. Возможно, чтобы поддерживать высокие
локальные концентрации связанных с этим факторов
в специальных (стрессовых?) условиях, какая-то лока-
лизация и необходима. Или же это может быть комби-
нацией доменов, собранных вместе в ходе эволюции,
которая давно работает без всякой конечной цели.
3.4 Прионы
Викнер дал обзор прионов и критерии для их опреде-
ления, и из его описания становится ясным, что они
(прионы) — это часть эпигенетического ландшафта
(Wickner et al., 2004a,b). В простейшем молекулярном
смысле прионы — это белки, которые могут вызывать
наследуемые фенотипические изменения, действуя на
родственный этим белкам генный продукт и изменяя
его. Никаких изменений нуклеотидной последователь-
ности ДНК не происходит; скорее, прион, в общем
случае, навязывает своему субстрату некое структур-
ное изменение. Прионы, относящиеся к лучше всего
изученному и понятому классу, заставляют растворимые
формы белка преобразовываться в амилоидные волокна.
Во многих случаях эта амилоидная форма снижает или
вовсе устраняет нормальную активность данного белка,
вызывая таким образом изменение в фенотипе. Викнер
определил еще один класс прионов, которые не форми-
руют амилоидных нитей. Это ферменты, для активации
которых требуется своя же ферментативная активность.
Если клетка обладает лишь неактивными формами этого
энзима, тогда необходим внешний источник активного
энзима, чтобы положить начало тому, что затем станет
самовоспроизводящимся признаком, пока по крайней
мере одна активная молекула передается каждой клетке.
Он привел два примера и выразил уверенность в том, что
этот класс белков составит новую группу эпигенетиче-
ских механизмов для исследования.
Ши представил предварительные данные о том,
прионная модель может объяснить научение и память
у Aplysia (Si et al., 2004). В нейрональных клетках этого
моллюска трансляция ряда запасенных иРНК в белки
важна для поддержания кратковременной памяти. Он
обнаружил, что регулятор белковой трансляции, CPEB,
может существовать в двух формах и что активирован-
ная форма CPEB действует доминантно, воспроизводя
себя. Проверка этой идеи все еще находится в самом
начале, но обещает фантастические новые подходы на
тему о том, каким образом мы помним.
3.5 Н овое явление
Описание нового и неожиданного феномена всегда по-
ражает наше воображение. Одно сообщение в особен-
ности занимало мои мысли на протяжении нескольких
недель после симпозиума. Стандартный генетический
анализ мутантных аллелей гена HOTHEAD, регулирую-
щего слияние органов у Arabidopsis, показал, что обычные
правила менделевской генетики здесь не выполняются
(Lolle et al., 2005). Оказалось, что если гетерозиготные
(HOTHEAD/hothead) растения самоопыляются и произво-
дят гомозиготное растение hothead/hothead, а затем этому
гомозиготному растению hothead/hothead дают самоопы-
литься, потомство от этого гомозиготного родителя
ревертирует к генотипу HOTHEAD/hothead с частотой до
15 %. Этот потрясающе высокий уровень реверсии к дико-
му типу давал, на нуклеотидном уровне, точный дубликат
гена дикого типа, наблюдавшегося в предшествующих
поколениях. Эта реверсия не ограничивалась локусом
HOTHEAD — несколько других локусов обнаруживали
сходные частоты реверсии к аллелям дикого типа. Однако
для всех этих реверсий требовалось, чтобы родитель был
гомозиготным hothead/hothead. Продукт гена HOTHEAD
не дает никакого очевидного объяснения, как такое мо-
жет происходить, но прошедшие обсуждения определен-
но заставляют предполагать, что некая архивная копия
гена дикого типа передавалась в ряду последовательных
поколений, возможно через РНК. Хотя можно возраз-
ить, что это явление лежит вне сферы «эпигенетики» —
поскольку связано с изменениями в нуклеотидной по-
следовательности ДНК, — наследственная передача
этой предполагаемой архивной копии не подчиняется
нормальным генетическим правилам. Так или иначе, этот
феномен чреват огромными последствиями для генети-
ки, особенно в области эволюционного мышления.
4 З аключительные
соображения
Итак, что еще нужно сделать, чтобы понять эпигенетиче-
ские механизмы? По большей части мы всё ещё собираем
(открываем) их отдельные компоненты. Точно так же,
как полная последовательность генома чрезвычайно об-
легчила прогресс в области генетики, так и более ясное
понимание эпигенетики придет, вероятно, тогда, когда
станут известными все составные части. Успехи, достиг-
нутые за последнее десятилетие, очень вдохновляют.
Признаюсь, я не в состоянии различить, близки ли
мы или далеки от точного, в механистическом плане,
понимания того, каким образом поддерживаются и
воспроизволятся эпигенетические состояния. Первым,
возможно, придет понимание феноменов, базирую-
щихся на прионах; те же явления, которые базируются
на хроматине, по-видимому, наиболее далеки от это-
го. Поливалентная природа взаимодействий, которые,
по-видимому, необходимы для установления сайлен-
сированного состояния на хромосоме, увеличивает
22 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
сложность проблемы. Последняя еще более усложня-
ется динамической природой «молчащего» хроматина.
Возможность узнать больше о движении компонентов
в хроматиновые структуры и из них требует для окон-
чательного понимания применения усовершенствован-
ных или совсем новых методов. Иммунопреципитация
хроматина, оказавшаяся важной в установлении того,
какие компоненты находятся в составе структуры, вре-
менно заслонила от нас динамику.
Я подозреваю, что, учитывая эту сложность, простое
измерение констант связывания и равновесия для всех
компонентов и попытки получить систему дифферен-
циальных уравнений для имитации эпигенетических
переключателей могут оказаться неэффективной тратой
ресурсов и не обязательно приведут к лучшему понима-
нию. Скорее, я предполагаю, что потребуется разработ-
ка математического подхода нового типа в комбинации
с новыми экспериментальными методами измерения,
для окончательного понимания эпигенетических со-
бытий. В частности, может потребоваться разработка
систем in vitro, надежно воспроизводящих эпигенети-
ческое переключение между состояниями.
Идея конкуренции между двумя состояниями в боль-
шинстве эпигенетических явлений, вероятно, отражает
«гонку вооружений», происходящую на многих уровнях
клетки, за которой следуют попытки исправить «сопут-
ствующий ущерб». Например, белки сайленсинга воз-
никли, возможно, для защиты генома от транспозонов.
Однако, поскольку белки сайленсинга работают через по-
средство вездесущих нуклеосом, становятся репрессиро-
ванными некоторые критичные гены. Чтобы преодолеть
это, возникли модификации гистонов (например, мети-
лирование H3K4 и H3K79) и замещение вариантными
гистонами, чтобы предотвращать связывание белков сай-
ленсинга с критичными генами. В зависимости от после-
дующих событий эти изменения могут быть кооптированы
для других процессов — например, может стать полезной
репрессия некоторых генов белками сайленсинга («мол-
чащие» локусы типа спаривания). Механизмы сайленсин-
га могут кооптироваться и для других функций, таких как
стимуляция расхождения хромосом. И так далее…
Я жду секвенирования геномов новых организмов,
поскольку это может привести нас к пониманию по-
следовательности эволюционных событий, приведших
к возникновению эпигенетических процессов, которые
мы наблюдаем сегодня. Например, у S. cerevisiae отсут-
ствует аппарат RNAi, но у многих других грибов он есть.
Заполняя некоторые филогенетические пробелы между
видами, мы можем выяснить, какие события привели к
тому, что S. cerevisiae больше не «нуждаются» в этой си-
стеме.
Изучение эпигенетики, возможно, более чем какая-
либо другая область биологических исследований,
основывается на стремлении понять неожиданные на-
блюдения, начиная с мозаицизма, обусловленного эф-
фектом положения, до полярной сверхдоминантности
в фенотипе callipyge (Georges et al., 2004). Надежда по-
нять что-то необычное служит для нас приманкой, но
скоро мы приходим в восторг при виде разумности ис-
пользуемых механизмов. Этим можно объяснить, по-
чему эта область привлекла непропорционально много
веселых и светлых умов. Я подозреваю, что так и будет
продолжаться по мере достижения нами более высоко-
го уровня мастерства и открытия новых и неожиданных
эпигенетических явлений.
Благодарности
Я благодарю моих коллег в Университете Чикаго и
Раковом исследовательском центре Фреда Хатчинсо-
на, которые сделали мои собственные исследования
по эпигенетике столь приятными; я благодарен также
Национальным институтам здоровья за финансовую
поддержку.
Литература
(глава 01):
Abraham J., Feldman J., Nasmyth K.A., Strathern J.N., Klar A.J.,
Broach J.R., and Hicks J.B. 1983. Sites required for positioneffect
regulation of mating-type information in yeast. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 989-998.
Allfrey V.G., Inoue A., Karn J., Johnson E.M., and Vidali
G. 1974. Phosphorylation of DNA-binding nuclear
acidic proteins and gene activation in the HeLa cell
cycle. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 785-801.
Andrulis E.D., Neiman A.M., Zappulla D.C., and Sternglanz
R. 1998. Perinuclear localization of chromatin facilitates
transcriptional silencing. Nature 394: 592-595.
Andrul i s E.D. , Zappul l a D.C., Ans a r i A., Per -
rod S., Laiosa C.V., Gartenberg M.R., and Sternglanz
R. 2002. Esc1, a nuclear periphery protein required for
Sir4-based plasmid anchoring and partitioning. Mol. Cell. Biol.
22: 8292-8301.
Aparicio O.M. and Gottschling D.E. 1994. Overcoming
telomeric silencing: A trans-activator competes
to establish gene expression in a cell cycle-dependent
way. Genes Dev. 8: 1133-1146.
Ariel M., Selig S., Brandeis M., Kitsberg D., Kafri T., Weiss A., Keshet
I., Razin A., and Cedar H. 1993. Allele-specific structures
in the mouse Igf2-H19 domain. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 58: 307-313.
Bell A., Boyes J., Chung J., Pikaart M., Prioleau M.N., Recillas F.,
Saitoh N., and Felsenfeld G. 1998. The establishment of active
chromatin domains. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol 63:
509-514.
Bell S.P., Marahrens Y., Rao H., and Stillman B. 1993. The replicon
model and eukaryotic chromosomes. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 58: 435-442.
Belote J.M., McKeown M.B., Andrew D.J., Scott T.N., Wolfner
M.F., and Baker B.S. 1985. Control of sexual differentiation
in Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 50: 605-614.
Beutler E. 1964. Gene inactivation: The distribution of gene products
among populations of cells in heterozygous humans. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 29: 261-271.
Bird A.P. 1993. Functions for DNA methylation in vertebrates. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 281-285.
Borst P., Gommers-Ampt J.H., Ligtenberg M.J., Rudenko G., Kieft
R., Taylor M.C., Blundell P.A., and van Leeuwen F. 1993. ConЛитература
23
trol of antigenic variation in African trypanosomes. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 105-114.
Brink R.A. 1958. Paramutation at the R locus in maize. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 23: 379-391.
Campbell A. 1981. Some general questions about movable elements
and their implications. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
45: 1-9.
Cattanach B.M. and Kirk M. 1985. Differential activity of maternally
and paternally derived chromosome regions in mice. Nature 315:
496-498.
Cedar H., Stein R., Gruenbaum Y., Naveh-Many T., Sciaky-Gallili
N., and Razin A. 1983. Effect of DNA methylation on gene expression.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 605-609.
Chambon P. 1978. Summary: The molecular biology of the eukaryotic
genome is coming of age. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
42: 1209-1234.
Cheng T.H. and Gartenberg M.R. 2000. Yeast heterochromatin is
a dynamic structure that requires silencers continuously. Genes
Dev. 14: 452-463.
Cheutin T, McNairn A.J., Jenuwein T, Gilbert D.M., Singh P.B., and
Misteli T. 2003. Maintenance of stable heterochromatin domains
by dynamic HP1 binding. Science 299: 721-725.
Clark D., Reitman M., Studitsky V., Chung J., Westphal H., Lee E.,
and Felsenfeld G. 1993. Chromatin structure of transcriptionally
active genes. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 1-6.
Cockell M., Gotta M., Palladino P., Martin S.G., and Gasser S.M.
1998. Targeting Sir proteins to sites of action: A general mechanism
for regulated repression. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 63:401-412.
Cuthbert G.L., Daujat S., Snowden A.W., Erdjument-Bromage H.,
Hagiwara T, Yamada M., Schneider R., Gregory P.D., Tempst
P., Bannister A.J., and Kouzarides T. 2004. Histone deimination
antagonizes arginine methylation. Cell 118: 545-553.
Dion M.F., Altschuler S.J., Wu L.F., and Rando O.J. 2005. Genomic
characterization reveals a simple histone H4 acetylation code.
Proc. Natl. Acad. Sci. 102: 5308-5309.
Doerfler W., Kruczek I., Eick D., Vardimon L, and Kron B. 1983.
DNA methylation and gene activity: The adenovirus system as a
model. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 593-603.
Feinberg A.P., Kalikin L.M., Johnson L.A., and Thompson J.S. 1994.
Loss of imprinting in human cancer. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 59: 357-364.
Fox C.A., Loo S., Rivier D.H., Foss M.A., and Rine J. 1993. A
transcriptional silencer as a specialized origin of replication that
establishes functional domains of chromatin. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 58: 443-455.
Frankel J. 1990. Positional order and cellular handedness. J. Cell
Sci. 97:205-211.
Gartler S.M., and Linder D. 1964. Selection In mammalian mosaic
cell populations. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 29:
253-260.
Gasser S.M., Hediger R., Taddei A., Neumann F.R., and Gartenberg
M.R. 2004. The function of telomere clustering in yeast: The circe
effect. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 327-337.
Georges M., Charlier C, Smit M., Davis E., Shay T., Tordoir X.,
Takeda H., Caiment R, and Cockett N. 2004. Toward molecular
understanding of polar overdominance at the ovine callipyge
locus. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 477-483.
Goldschmidt R.B. 1951. The theory of the gene: Chromosomes and
genes. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16: 1-11.
Haber J.E., Weiffenbach B., Rogers D.T., McCusker J., and Rowe
L.B. 1981. Chromosomal rearrangements accompanying yeast
mating-type switching: Evidence for a gene-conversion model.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 45: 991-1002.
Haig D. 2004. The (dual) origin of epigenetics. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 67.
Henikoff S. 1990. Position-effect variegation after 60 years. Trends
Genet. 6: 422-426.
Henikoff S., McKittrick E., and Ahmad K. 2004. Epigenetics, histone
H3 variants, and the inheritance of chromatin states. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 235-243.
Hernday A.D., Braaten B.A., and Low D.A. 2003. The mechanism
by which DNA adenine methylase and PapI activate the pap
epigenetic switch. Mol. Cell 12: 947-957.
Hodgkin J., Doniach T., and Shen M. 1985. The sex determination
pathway in the nematode Caenorhabditis elegans: Variations on a
theme. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 585-593.
Imai S., Johnson F.B., Marciniak R.A., McVey M., Park P.U., and
Guarente L. 2000. Sir2: An NAD-dependent histone deacetylase
that connects chromatin silencing, metabolism, and aging. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 65: 297-302.
Jenuwein T. and Allis CD. 2001. Translating the histone code. Science
293: 1074-1080.
Klar A.J., and Bonaduce M.J. 1993. The mechanism of fission
yeast mating-type interconversion: Evidence for two types of
epigenet-ically inherited chromosomal imprinted events. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 457-465.
Klar A.J., Hicks J.B., and Strathern J.N. 1981. Irregular transpositions
of mating-type genes in yeast. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 45: 983-990.
Kubicek S. and Jenuwein T. 2004. A crack in histone lysine methylation.
Cell 119: 903-906.
La Volpe A., Taggart ML, Macleod D., and Bird A. 1983. Coupled
demethylation of sites in a conserved sequence of Xenopus
ribosomal DNA. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47:
585-592.
Laroche X., Martin S.G., Gotta M., Gorham H.C., Pryde F.E., Louis
E.J., and Gasser S.M. 1998. Mutation of yeast Ku genes disrupts
the subnuclear organization of telomeres. Curr. Biol. 8: 653-656.
Laurenson P. and Rine J. 1992. Silencers, silencing, and heritable
transcriptional states. Microbiol. Rev. 56: 543-560.
Lewis E.B. 1985. Regulation of the genes of the bithorax complex in
Drosophila. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 155-164.
Li E., Beard C, Forster A.C., Bestor T.H., and Jaenisch R. 1993. DNA
methylation, genomic imprinting, and mammalian development.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 297-305.
Locke J., Kotarski M.A., and Tartof K.D. 1988. Dosage-dependent
modifiers of position effect variegation in Drosophila and a mass
action model that explains their effect. Genetics 120: 181-198.
Lolle S.J., Victor J.L., Young J.M., and Pruitt R.E. 2005. Genomewide
non-mendelian inheritance of extra-genomic information in
Arabidopsis. Nature 434: 505-509.
Losick R. 1998. Summary: Three decades after sigma. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 63: 653-666.
Louie A.J., Candido E.P., and Dixon G.H. 1974. Enzymatic modifications
and their possible roles in regulating the binding of basic
proteins to DNA and in controlling chromosomal structure. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 803-819.
Lyon M.R. 1961. Gene action in the X-chromosome of the mouse
(Mus musculus L.). Nature 190: 372-373.
24 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
Lyon M.R. 1961. Epigenetic inheritance in mammals. Trends Genet.
9: 123-128.
Maine E.M., Salz H.K., Schedl P., and Cline T.W. 1985. Sex-lethal,
a link between sex determination and sexual differentiation in
Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
50: 595-604.
Martin-Morris L.E., Loughney K., Kershisnik E.O., Poortinga G.,
and Henikoff S. 1993. Characterization of sequences responsible
for trans-inactivation of the Drosophila brown gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 577-584.
McClintock B. 1951. Chromosome organization and genic expression.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16: 13-47.
McClintock B. 1956. Controlling elements and the gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 21: 197-216.
Megee P.C., Morgan B.A., and Smith M.M. 1995. Histone H4 and
the maintenance of genome integrity. Genes Dev. 9: 1716-1727.
Millar C.B., Kurdistani S.K., and Grunstein M. 2004. Acetylation
of yeast histone H4 lysine 16: A switch for protein interactions
in heterochromatin and euchromatin. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 69: 193-200.
Mirkovitch J., Gasser S.M., and Laemmli U.K. 1987. Relation of
chromosome structure and gene expression. Philos. Trans. R. Soc.
Lond. B Biol. Sci. 317: 563-574.
Mostoslavsky R., Kirillov A., Ji Y.H., Goldmit M., Holzmann M.,
Wirth T., Cedar H., and Bergman Y. 1999. Demethylation and
the establishment of k allelic exclusion. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 64: 197-206.
Muller H.J. 1941. Induced mutations in Drosophila. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 9: 151-167.
Nance W.E. 1964. Genetic tests with a sex-linked marker: Glucose-
6-phosphate dehydrogenase. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 29: 415-425.
Nanney D.L. 1958. Epigenetic factors affecting mating type expression
in certain ciliates. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
23: 327-335.
Nasmyth K.A., Tatchell K., Hall B.D., Astell C., and Smith M. 1981.
Physical analysis of mating-type loci in Saccharomyces cerevisiae.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 45: 961-981.
Palladino F., Laroche T., Gilson E., Pillus L., and Gasser S.M.
1993. The positioning of yeast telomeres depends on SIR3,
SIR4, and the integrity of the nuclear membrane. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 733-746.
Pannetier C., Hu-Li J., and Paul W.E. 1999. Bias in the expression
of IL-4 alleles: The use of T cells from a GFP knock-in mouse.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 64: 599-602.
Peacock W.J., Brutlag D., Goldring E., Appels R., Hinton C.W., and
Lindsley D.L. 1974. The organization of highly repeated DNA
sequences in Drosophila melanogaster chromosomes. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 405-416.
Pillus L. and Rine J. 1989. Epigenetic inheritance of transcriptional
states in S. cerevisiae. Cell 59: 637-647.
Ptashne M. 2004. A genetic switch: Phage lambda revisited, 3rd edition.
Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,
New York.
Renauld H., Aparicio O.M., Zierath P.D., Billington B.L., Chhablani
S.K., and Gottschling D.E. 1993. Silent domains are assembled
continuously from the telomere and are defined by promoter distance
and strength, and by SIR3 dosage. Genes Dev. 7: 1133-1145.
Rine J., Jensen R., Hagen D., Blair L., and Herskowitz I. 1981.
Pattern of switching and fate of the replaced cassette in yeast
mating-type interconversion. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 45: 951-960.
Rubin G.M. 1985. Summary. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
50: 905-908.
Rubin G.M., Hazelrigg T., Karess R.E., Laski F.A., Laverty T., Levis
R., Rio D.C., Spencer F.A., and Zuker C.S. 1985. Germ line
specificity of P-element transposition and some novel patterns
of expression of transduced copies of the white gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 329-335.
Rudkin G.T. and Tartof K.D. 1974. Repetitive DNA in polytene
chromosomes of Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 38: 397-403.
Schubeler D., MacAlpine D.M., Scalzo D., Wirbelauer C., Kooperberg
C, van Leeuwen R, Gottschling D.E., O’Neill L.P., Turner
B.M., Delrow J., et al. 2004. The histone modification pattern of
active genes revealed through genome-wide chromatin analysis
of a higher eukaryote. Genes Dev. 18: 1263-1271.
Schultz J. 1956. The relation of the heterochromatic chromosome
regions to the nucleic acids of the cell. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 21: 307-328.
Selker E.U., Richardson G.A., Garrett-Engele P.W., Singer M.J., and
Miao V. 1993. Dissection of the signal for DNA methylation in
the z-h region of Neurospora. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 58: 323-329.
Shapiro L.J. and Mohandas T. 1983. DNA methylation and the
control of gene expression on the human X chromosome. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 631-637.
Shi Y., Lan E., Matson C., Mulligan P., Whetstine J.R., Cole P.A.,
and Casero R.A. 2004. Histone demethylation mediated by the
nuclear amine oxidase homolog LSD1. Cell 119: 941-953.
Si K„ Lindquist S., and Kandel E. 2004. A possible epigenetic
mechanism for the persistence of memory. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 497-498.
Solter D., Aronson J., Gilbert S.F., and McGrath J. 1985. Nuclear
transfer in mouse embryos: Activation of the embryonic genome.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 45-50.
Swift H. 1974. The organization of genetic material in eukaryotes:
Progress and prospects. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
38: 963-979.
Thompson J.S., Hecht A., and Grunstein M. 1993. Histones and the
regulation of heterochromatin in yeast. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 58: 247-256.
Tilghman S.M., Bartolomei M.S., Webber A.L., Brunkow M.E.,
Saam J., Leighton PA., Pfeifer K., and Zemel S. 1993. Parental
imprinting of the H19 and Igf2 genes in the mouse. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 287-295.
Vazquez J., Farkas G., Gaszner M., Udvardy A., Muller M., Hagstrom
K., Gyurkovics H., Sipos L., Gausz J., Galloni M., et al.
1993. Genetic and molecular analysis of chromatin domains.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 45-54.
Wade P.A., Jones P.L., Vermaak D., Veenstra G.J., Imhof A., Sera
T., Tse C., Ge H., Shi Y.B., Hansen J.C., and Wolffe A.P. 1998.
Histone deacetylase directs the dominant silencing of transcription
in chromatin: Association with MeCP2 and the Mi-2
chromodomain SWI/SNF ATPase. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 63: 435-445.
Wang Y., Wysocka J., Perlin J.R., Leonelli L., Allis C.D., and
Coonrod S.A. 2004. Linking covalent histone modifications to
epigenetics: The rigidity and plasticity of the marks. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 161-169.
Литература 25
Weintraub H. 1974. The assembly of newly replicated DNA into
chromatin. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 247-256.
Weintraub H. 1993. Summary: Genetic tinkering local problems,
local solutions. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 819-
836.
Weintraub H., Flint S.J., Leffak I.M., Groudine M., and Grainger
R.M. 1978. The generation and propagation of variegated chromosome
structures. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 42:
401-407.
Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D., Pierce M.M., Baxa U.,
Brachmann A., and Shewmaker F. 2004a. Prion genetics: New
rules for a new kind of gene. Annu. Rev. Genet. 38: 681-707.
Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D., Pierce M.M., Shewmaker
P., Baxa U., and Brachmann A. 2004b. Prions of yeast are genes
made of protein: Amyloids and enzymes. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 489-496.
Willard H.F., Brown C.J., Carrel L., Hendrich B., and Miller A.P.
1993. Epigenetic and chromosomal control of gene expression:
Molecular
and genetic analysis of X chromosome inactivation.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 315-322.
Wood W.B., Meneely P., Schedin P., and Donahue L. 1985. Aspects
of dosage compensation and sex determination in Caenorhabditis
elegans. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 575-583.
Yarmolinsky M.B. 1981. Summary. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 45: 1009-1015.
Zheng C., and Hayes J.J. 2003. Structures and interactions of the
core histone tail domains. Biopolymers 68: 539–546.
Глава 2
Краткая история эпигенетики
Gary Felsenfeld
National Institute of Diabets and Digestive andKidney, National Institute of Heath,
Bethesda, Maryland 20892-0540
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Введение
2. Ключи от генетики и биологии развития
3. Во всех соматических клетках организма ДНК
одинакова
4. Роль метилирования ДНК
5. Роль хроматина
6. Все механизмы взаимосвязаны
Литература
1 В ведение
История эпигенетики связана с исследованиями эво-
люции и развития. Но за последние 50 лет значение
самого термина «эпигенетика» претерпело эволюцию,
сопоставимую с резко возросшим пониманием молеку-
лярных механизмов, лежащих в основе регуляции экс-
прессии генов у эукариот. Наше современное рабочее
определение выглядит следующим образом: «Изучение
митотически и (или) мейотически наследуемых изме-
нений в генной функции, которые нельзя объяснить
изменениями в нуклеотидной последовательности ДНК»
(Riggs et al., 1996). Однако до 1950-х годов слово «эпи-
генетика» использовали в совершенно другом смысле,
для обозначения всех событий развития, ведущих от
оплодотворенной зиготы к зрелому организму, — то
есть всех регуляторных процессов, которые, начиная с
генетического материала, формируют конечный продукт
(Waddington 1953). Эта концепция берет свое начало в
гораздо более ранних исследованиях в области клеточной
биологии и эмбриологии, начиная с конца XIX столетия,
которые заложили фундамент нашего сегодняшнего по-
нимания взаимоотношений между генами и развитием.
Долгое время среди эмбриологов шли горячие споры о
природе и локализации компонентов, ответственных за
реализацию плана развития организма. В своих попытках
осмыслить большое число остроумных, но в конечном
счете противоречивых экспериментов по манипулирова-
нию с клетками и зародышами эмбриологи разделились
на две школы: на тех, кто думал, что каждая клетка со-
держит преформированные элементы, которые в ходе
развития лишь увеличиваются в размерах, и тех, кто
полагал, что этот процесс включает химические реакции
между растворимыми компонентами, которые и реали-
зуют сложный план развития. Эти воззрения сфокусиро-
вались на относительном значении ядра и цитоплазмы в
процессе развития. Вслед за открытием существования
хромосом, сделанным Флемингом в 1879 году, опыты,
проведенные многими исследователями, в том числе
Вильсоном и Бовери, дали надежное доказательство
того, что программа развития находится в хромосомах. В
конечном счете Томас Гент Морган (Morgan, 1911) при-
вел наиболее убедительные доказательства этой идеи,
продемонстрировав генетическое сцепление нескольких
генов Drosophila с Х-хромосомой.
Начиная с этого момента, был достигнут быстрый
прогресс в создании линейных карт хромосом, в кото-
рых отдельные гены были локализованы в специфиче-
ских сайтах на хромосомах Drosophila (Sturtevant, 1913).
Конечно, оставались без ответа классические вопросы
«эпигенеза»: какие молекулы внутри хромосом несут
генетическую информацию, каким образом они на-
правляют программу развития и как эта информация
передается при клеточном делении. Было известно, что
в хромосомах присутствуют и нуклеиновая кислота, и
белки, но их относительный вклад не был очевиден; ко-
нечно, никто не верил, что нуклеиновая кислота одна
может нести всю информацию о развитии. Более того,
оставались более старые вопросы о возможном вкладе
цитоплазмы в процессы развития. Данные генетики
Drosophila (см. ниже) заставляли считать, что насле-
дуемые изменения в фенотипе могут происходить без
соответствующих изменений в «генах». Характер этих
дискуссий резко изменился, когда ДНК была иден-
тифицирована как основной носитель генетической
3. Во всех соматических клетках организма ДНК одинакова 27
информации. В конечном счете оказалось полезным
переопределить эпигенетику таким образом, чтобы раз-
личать те наследуемые изменения, которые возникают
в результате изменений в нуклеотидной последователь-
ности ДНК, и те, которые с ними не связаны.
2 К лючи от генетики и развития
Что бы ни происходило с этим определением, с начала
20-го столетия неуклонно накапливались идеи и научные
данные, лежащие в основе современного понятия «эпиге-
нетика». В 1930 году Герман Мёллер (Muller, 1930) описал
у Drosophila класс мутаций, которые он назвал «eversporting
displacements» («eversporting» в данном случае обозна-
чает высокую частоту фенотипического изменения). Эти
мутанты были связаны с хромосомными транслокациями
(displacements), но «даже тогда, когда все части хромати-
на, по всей видимости, были представлены в нормальной
дозе — хотя и были ненормально расположены отно-
сительно друг друга, — фенотипический результат не
всегда был нормальным». В некоторых из этих случаев
Мёллер наблюдал мух, у которых были пятнистые глаза.
Он думал, что это, вероятно, обусловлено «генетическим
разнообразием различных клеток, формирующих глаз»,
но дальнейший генетический анализ привел его к тому,
чтобы связать необычные свойства с хромосомной пере-
стройкой; он сделал вывод, что «с этим как-то связаны,
скорее, хромосомные участки, влияющие одновременно
на различные признаки, чем отдельные гены или гипо-
тетические ”генные элементы”». На протяжении после-
дующих 10–20 лет убедительные данные, полученные во
многих лабораториях (см. Hannah, 1951), подтвердили,
что эта пятнистость, мозаичность возникает тогда, когда
перестройки ставят рядом ген белых глаз и гетерохрома-
тиновые районы.
В течение этого периода хромосомные перестройки
всех типов были объектом огромного внимания. Было
очевидно, что гены не являются полностью независи-
мыми сущностями; на их функционирование может
влиять их локализация в геноме — как было многократ-
но продемонстрировано на многих мутантах Drosophila,
которые приводили к мозаицизму, а также на других му-
тантах, связанных с транслокациями в эухроматиновые
районы, у которых можно было наблюдать эффекты
положения более общего типа (не мозаичного). Стала
также ясной — главным образом благодаря работам
МакКлинток (McClintock, 1965) — роль перемещаемых
элементов в генетике растений.
Вторая линия доказательств берет свое начало в ис-
следованиях процессов развития. Было очевидно, что во
время развития имеет место дивергенция фенотипов сре-
ди дифференцирующихся клеток и тканей, и оказалось,
что такие различные особенности фенотипа, однажды
установившись, могут клонально наследоваться делящи-
мися клетками. Хотя на этом этапе стало понятно, что
существует клеточноспецифичное программирование и
что оно может быть передано дочерним клеткам, было не
столь очевидно, каким образом это происходит.
Был придуман и рассмотрен целый ряд механизмов.
В частности, для исследователей-биохимиков клетка
характеризовалась многочисленными взаимозависи-
мыми биохимическими реакциями, которые поддер-
живают её идентичность. Например, в 1949 году Макс
Дельбрюк (Delbrück, цит. в Jablonka and Lamb, 1995)
предположил, что простая пара биохимических цепей
реакций, каждая из которых продуцирует в качестве
промежуточного вещества ингибитор другого пути,
могла бы в результате давать систему, способную пере-
ключаться между двумя устойчивыми состояниями.
Несколько позже были обнаружены реальные примеры
таких систем — в Lac-опероне Escherichia coli (Novick
and Weiner, 1957) и в переключении фага между лизоген-
ным и литическим состояниями (Ptashne, 1992). Функ-
ционально эквивалентные модели можно придумать и
для эукариот. Предметом живого интереса и дискуссий
был, конечно, сравнительный вклад ядра и цитоплазмы
в передачу дифференцированного состояния в развива-
ющемся эмбрионе; самостабилизирующаяся цепь био-
химических реакций предположительно должна была
поддерживаться при делении клетки. Второй тип эпи-
генетической передачи был четко продемонстрирован
у Paramecium и других инфузорий, у которых картина
расположения ресничек могла варьировать у отдельных
особей и наследоваться клонально (Beisson and Sonneborn,
1965). Результатом изменения этого кортикаль-
ного паттерна с помощью микрохирургии была пере-
дача нового паттерна последующим поколениям. Было
высказано предположение, что сходные механизмы ра-
ботают и у многоклеточных организмов, у которых ло-
кальные цитоплазматические детерминанты влияют на
организацию клеточных компонентов таким образом,
что эта организация может передаваться при клеточном
делении (Grimes and Aufderheide, 1991).
3 В о всех соматических клетках
организма ДНК одинакова
Хотя морфология хромосом показывала, что все сома-
тические клетки обладают полным набором хромосом,
было далеко не очевидно, что все соматические клетки
сохраняют полный набор ДНК, присутствующий в
оплодотворенном яйце. Не было даже ясно, вплоть до
работ Эвери, МакЛеода и МакКарти в 1944 году (Avery
et al., 1944) и Херши и Чейза (Hershey and Chase, 1952),
что свободная от белков молекула ДНК может нести
генетическую информацию; последний вывод получил
очень сильную поддержку, когда в 1953 году Уотсон и
Крик (Watson and Crick, 1953) расшифровали структуру
ДНК. Работы Бриггса и Кинга (Briggs and King, 1952)
на Rana pipiens и Ласки и Гёрдона (Laskey and Gurdon,
1970) на Xenopus продемонстрировали, что результатом
введения ядра из ранних эмбриональных клеток в дену-
клеированные ооциты может быть развитие эмбриона.
Но даже в 1970 году Ласки и Гёрдон могли говорить, что
«предстоит еще доказать, что соматические клетки взрос-
лого животного имеют гены помимо тех, которые необ-
ходимы для их собственного роста и дифференцировки».
В статье, содержавшей это утверждение, они продолжали
показывать, что в первом приближении ДНК ядра со-
матической клетки при введении в денуклеированную
28 Глава 2. Краткая история эпигенетики
яйцеклетку способна направлять эмбриогенез. Теперь
было ясно, что программа развития и специализация
репертуара экспрессии, наблюдаемая в соматических
клетках, должны включать сигналы, которые не являются
результатом какой-то делеции или мутации в нуклеотид-
ной последовательности ДНК зародышевого пути, когда
эта ДНК передается соматическим клеткам.
Конечно, существуют способы, посредством кото-
рых ДНК соматических клеток может стать отличаю-
щейся от ДНК зародышевого пути с соответствующими
последствиями для фенотипа клетки: например, как
показали работы Барбары МакКлинток и других гене-
тиков растений, мобильные элементы могут изменять
картину экспрессии в соматических клетках. Аналогич-
ным образом, генерация разнообразия антител связана
с перестройками ДНК в линии соматических клеток.
Эта перестройка (или, точнее, ее последствия) могут
рассматриваться как своего рода эпигенетическое со-
бытие, сопоставимое с ранними наблюдениями эффек-
та положения мозаичного типа, описанного Мёллером.
Однако значительная часть работ по эпигенетике в по-
следние годы была сосредоточена на системах, в кото-
рых не происходило никаких перестроек ДНК, и, следо-
вательно, акцент делался на модификациях оснований
и на белках, образующих комплексы с ДНК в ядре.
4 Р оль метилирования ДНК
Инактивация Х-хромосомы явилась одной из первых
моделей эпигенетического механизма этого рода (Ohno et
al., 1959; Lyon, 1961); в соматических клетках «молчащая»
Х-хромосома явно выбиралась случайным образом, и не
было никаких данных об изменениях в самой нуклеотид-
ной последовательности ДНК. Отчасти для объяснения
этого типа инактивации Риггс (Riggs, 1975) и Холлидей
и Пью (Holliday and Pugh, 1975) предположили, что в
качестве эпигенетической метки могло бы выступать
метилирование ДНК. Ключевыми моментами этой моде-
ли были представления о том, что сайты метилирования
являются палиндромными и что за метилирование не-
модифицированной ДНК и ДНК, уже метилированной
по одной нити, отвечают разные ферменты. Постули-
ровали, что первое событие метилирования происходит
значительно труднее, чем второе; однако, коль скоро
первая нить модифицирована, комплементарная нить
будет быстро модифицирована в том же палиндромном
сайте. Метильная метка, имевшаяся на родительской
нити, после репликации могла бы копироваться на до-
чернюю нить, и в результате происходила бы надежная
передача метилированного состояния следующему поко-
лению. Вскоре после этого Берд воспользовался тем, что
главной мишенью метилирования у животных является
последовательность CpG (Doskocil and Sorm, 1962), для
того чтобы предложить использовать чувствительные к
метилированию ферменты рестрикции как способ вы-
явления метилированного состояния. Последующие ис-
следования (Bird, 1978; Bird and Southern, 1978) показали
затем, что эндогенные сайты CpG были либо полностью
неметилированы, либо полностью метилированы. Пред-
сказания, сделанные на основе этой модели, были, таким
образом, подтверждены; тем самым был установлен
механизм эпигенетической передачи метильной метки
посредством полуконсервативного воспроизведения
картины метилирования.
В годы, последовавшие за этими открытиями, огром-
ное внимание было уделено эндогенным паттернам ме-
тилирования ДНК, возможной передаче этих паттернов
через зародышевый путь, роли метилирования ДНК в
сайленсинге генной экспрессии, возможным механиз-
мам инициации или ингибирования метилирования в
полностью неметилированном сайте и идентификации
энзимов, ответственных за метилирование de novo и за
поддержание метилирования на уже метилированных
сайтах. Хотя значительный объем метилирования ДНК,
наблюдаемый у позвоночных, связан с повторяющими-
ся и ретровирусными последовательностями и может
служить для поддержания этих последовательностей в
перманентно «молчащем» состоянии, не может быть
никаких сомнений в том, что во многих случаях эта мо-
дификация обеспечивает основу для эпигенетической
передачи состояния генной активности. Наиболее четко
это продемонстрировано на таких импринтированных
локусах (Cattanach and Kirk, 1985), как локус Igf2/H19
мыши или человека, где одна аллель маркирована мети-
лированием ДНК, которое в свою очередь контролирует
экспрессию с обоих генов (Bell and Felsenfeld, 2000; Hark
et al., 2000). В то же самое время было ясно, что это не
может быть единственным механизмом для эпигенети-
ческой передачи информации. Например, как отмечено
выше, эффект положения мозаичного типа наблюдали
за много лет до этого у Drosophila —организма, который
обладает крайне низким уровнем метилирования ДНК.
Более того, в последующие годы генетики, работавшие
с Drosophila, идентифицировали группы генов Polycomb
и Trithorax, которые, по-видимому, участвуют в посто-
янном «запирании» («locking in») состояния активности
кластеров генов в ходе развития (либо «выключеного»,
либо «включенного», соответственно). Тот факт, что эти
состояния стабильно передавались в ходе клеточного
деления, позволял предполагать, что в основе этого ле-
жит эпигенетический механизм.
5 Р оль хроматина
Многие годы признавалось, что белки, связанные с ДНК
в эукариотном ядре, особенно гистоны, могут участвовать
в модификации свойств ДНК. Задолго до начала работ по
метилированию ДНК Стедман и Стедман (Stedman and
Stedman, 1950) предположили, что гистоны могут дей-
ствовать как общие репрессоры экспрессии генов. Они
писали, что поскольку все соматические клетки организ-
ма имеют одно и то же число хромосом, они имеют оди-
наковый генетический набор (хотя, как отмечается выше,
это оставалось не доказанным еще несколько лет). По-
нимание тонкой природы модификаций гистонов было
в далекой перспективе, так что Стедманы оперировали
предположением, что разные типы клеток в организме,
чтобы генерировать наблюдаемые различия в фенотипе,
должны обладать различными типами гистонов. Гистоны
действительно могут снижать содержание транскриптов
5. Роль хроматина 29
до уровней гораздо ниже тех, что наблюдаются для не-
активных генов у прокариот. Последующая работа была
направлена на способность хроматина служить матрицей
для транскрипции и на решение вопроса о том, ограни-
чена ли эта способность специфичным для клеточного
типа образом. В работе 1963 года Боннер (Bonner et al.,
1963) приготовил хроматин из продуцирующей глобулин
ткани растения гороха и показал, что, когда добавляли
РНК-полимеразу из E. coli и получающийся в результате
транскрипт транслировали в системе in vitro, можно было
выявить глобулин. Такой результат был специфичен для
данной ткани. С пришествием методов гибридизации в
таких экспериментах in vitro можно было исследовать
популяции транскриптов (Paul and Gilmour, 1968); они
оказались специфичными для той конкретной ткани,
из которой был получен хроматин. Другие результаты
позволяли предполагать, что эта специфичность от-
ражает ограничения в доступе к сайтам инициации
транскрипции (Cedar and Felsenfeld, 1973). Тем не менее,
был период, когда все полагали, что гистоны являются
супрессорными белками, которые пассивно подавляют
экспрессию генов. С этой точки зрения, активация гена
означает просто «сдирание» с него гистонов; считалось,
что коль скоро это сделано, транскрипция будет осущест-
вляться почти как у прокариот. Имелись, однако, неко-
торые данные о том, что в эукариотических клетках нет
более или менее протяженных районов открытой ДНК
(Clark and Fesenfeld, 1971). Более того, даже если модель
«голой» ДНК является правильной, было неясно, каким
образом принимается решение о том, какие из покрытых
гистонами участков должны быть очищены.
Решение этой проблемы началось еще в 1964 году,
когда Олфри (Allfrey et al., 1964) высказал спекулятив-
ное соображение, что с активацией генов могло бы кор-
релировать ацетилирование гистонов и что «активный»
хроматин не обязательно должен быть лишен гистонов.
В последующее за этим десятилетие наблюдался огром-
ный интерес к изучению взаимоотношений между мо-
дификациями гистонов и экспрессией генов. Были
идентифицированы иные, чем ацетилирование, моди-
фикации (метилирование и фосфорилирование), но их
функциональное значение оставалось неясным. Иссле-
довать эту проблему стало гораздо легче после откры-
тия Корнбергом и Томасом (Kornberg and Thomas, 1974)
структуры нуклеосомы, фундаментальной субъедини-
цы хроматина. Определение кристаллической струк-
туры нуклеосомы, сначала с разрешением 7 Å, а потом
с разрешением 2.8 Å также дало важную структурную
информацию, в частности данные о вытягивании ами-
нотерминальных «хвостов» гистонов за пределы кора
«ДНК — белковый октамер», что делало очевидной их
доступность для модификаций (Richmond et al., 1984;
Luger et al., 1997). Начав в 1980 году и продолжив свои
исследования на протяжении еще нескольких лет, Грун-
штейн (Grunstein) и его сотрудники (Wallis et al., 1980;
Durrin et al., 1991), применив генетический анализ на
дрожжах, смогли показать, что аминотерминальные
«хвосты» гистонов имеют важное значение для регуля-
ции экспрессии генов и для формирования «молчащих»
доменов хроматина.
Окончательная привязка к детальным механизмам
началась с того, что Эллис (Allis) (Brownell et al., 1996)
показал, что ацетилтрансфераза гистонов из Tetrahymena
гомологична регулятору транскрипции у дрожжей,
белку Gcn5; это явилось прямым доказательством того,
что ацетилирование гистонов связано с контролем экс-
прессии генов. С тех пор, конечно, произошел букваль-
но взрыв открытий модификаций гистонов, а также пе-
реоценка роли тех из них, которые уже были известны
прежде.
Все это еще не было ответом на вопрос о том, каким
образом сайты для модификации выбираются in vivo.
Было показано, например (Pazin et al., 1994), что Gal4-
VP16 может активировать транскрипцию с реконструи-
рованной хроматиновой матрицы зависимым от АТФ
образом. Активация сопровождалась репозициониро-
ванием нуклеосом, и было высказано предположение,
что это является критическим событием в обеспечении
доступности промотора. Для более полного понимания
значения этих открытий потребовалась идентификация
АТФ-зависимых комплексов ремоделинга нуклеосом,
таких как SWI/SNF и NURF (Peterson and Herskowitz,
1992; Tsuiyama and Wu, 1995), и понимание того, что в
подготовке хроматиновой матрицы к транскрипции
участвуют и модификации гистонов, и ремоделинг ну-
клеосом.
Оставалось неясным, каким образом, с использова-
нием этих механизмов, информация о состоянии актив-
ности могла бы передаваться при клеточном делении;
была, таким образом, неясна их роль в эпигенетической
передаче информации. Следующим важным шагом ста-
ло понимание того, что модифицированные гистоны
рекрутируют, специфичным в отношении данной мо-
дификации образом, белки, которые могут влиять на
локальные структурные и функциональные состояния
хроматина. Было, например, обнаружено, что метили-
рование лизина 9 в гистоне Н3 приводит к рекрутирова-
нию белка НР1 гетерохроматина (Bannister et al., 2001;
Lachner et al., 2001; Nakayama et al., 2001). Более того,
НР1 мог рекрутировать энзим (Suv39h1), отвечающий
за метилирование. Это привело к созданию модели вос-
произведения сайленсированного состояния хромати-
на по всему данному участку посредством процессив-
ного [processive] механизма (рис. 1а). В равной степени
важно, что это обеспечило разумное объяснение того,
каким образом это состояние может быть передано и
сохранено в цикле репликации (рис. 1b). Были пред-
ложены аналогичные механизмы для воспроизведения
активного состояния, включающие метилирование ли-
зина 4 в гистоне Н3 и рекрутирование белков группы
Trithorax (Wysocka et al., 2005).
Были предложены различные типы механизмов вос-
произведения, которые зависели не от модифициро-
ванных, а от вариантных гистонов (Ahmad and Henikoff,
2002; McKittrick et al., 2004). Гистон Н3 включается в
хроматин только во время репликации ДНК. Напротив,
вариант этого гистона, Н3.3, отличающийся от Н3 че-
тырьмя аминокислотами, включается в нуклеосомы не
зависящим от репликации образом и имеет тенденцию
накапливаться в активном хроматине, где он обогащает-
30 Глава 2. Краткая история эпигенетики
нить А
нить В
нить А нить В
репликация
ДНК
поддерживающее
метилирование
ДНК
а. b.
ся «активными» модификациями гистонов (McKittrick
et al., 2004). Предположили, что для поддержания ак-
тивного состояния достаточно присутствия Н3.3 и что
после репликации остается достаточно Н3.3 для под-
держания активного состояния, хотя он и разбавляется
вдвое. Последующая транскрипция приводила бы к за-
мещению нуклеосом, содержащих Н3, вариантом Н3.3,
воспроизводя таким образом это активное состояние в
следующем поколении.
6 В се механизмы
взаимосвязаны
В этих моделях в конечном счете начала замыкаться связь
между модифицированными или вариантными гистона-
ми, активацией специфических генов и эпигенетикой,
хотя, конечно, многое еще остается сделать. В то время
как эти механизмы дают нам какие-то представления
о том, как состояние гетерохроматина может поддер-
живаться, они не объясняют, каким образом структуры
«молчащего» хроматина устанавливаются впервые.
Лишь недавно стало ясно, что это связано с продукцией
РНК-транскриптов, особенно с повторяющихся по-
следовательностей, которые подвергаются процессингу
в малые РНК благодаря действию таких белков, как
Dicer, Argonaute и РНК-зависимая РНК-полимераза.
Впоследствии эти РНК рекрутируются в гомологич-
ные сайты ДНК как часть комплексов, включающих
компоненты группы белков Polycomb, инициируя та-
ким образом формирование гетерохроматина. Сейчас
имеются также данные о том, что для поддержания по
крайней мере некоторых гетерохроматиновых районов
требуются те же механизмы. В известном смысле эти
устойчивые циклические цепи реакций напоминают
предложенную Дельбрюком модель 50-летней давности —
модель устойчивого биохимического цикла, поддержи-
вающего данное состояние организма.
Мы знаем теперь бесчисленные примеры эпиге-
нетических механизмов, работающих в организме.
Кроме импринтинга во многих локусах и описанной
выше аллель-специфичной и случайной инактива-
ции Х-хромосомы существуют эпигенетические явле-
ния, связанные с экспрессией антител, где селективно
подавляется перестройка генов иммуноглобулина в
одной хромосоме, и с выбором для экспрессии генов
рецепторов индивидуальных одорантов в обонятель-
ных нейронах (Chess et al., 1994; Shykind et al., 2004).
У Drosophila гены группы Polycomb ответственны за
установление домена «молчащего» хроматина, кото-
рый поддерживается на протяжении всех последующих
клеточных делений. Эпигенетические изменения от-
вечают также за парамутации у растений, при которых
одна аллель может вызывать наследуемое изменение
в экспрессии гомологичной аллели (Stam et al., 2002).
Это пример эпигенетического состояния, которое
наследуется как митотически, так и мейотически —
феномен, хорошо документированный у растений, но
лишь изредка встречающийся у животных (Jorgensen,
Рис. 1. Механизмы поддержания паттерна метилирования ДНК и модификаций гистонов в ходе репликации ДНК
(а) Механизм поддержания паттерна метилирования ДНК в ходе репликации ДНК. Во время репликации отдельные нити ДНК,
со специфическим паттерном метилирования в остатках CpG или CpXpG, спариваются с нитью вновь синтезированной, не-
метилированной ДНК. CpG на одной нити имеет соответствующий CpG на другой. Поддерживающая ДНК-метилтрансфераза
распознает полуметилированный сайт и метилирует цитозин на новой нити, так что паттерн метилирования не нарушается. (b)
Общий механизм для поддержания модификаций гистонов в ходе репликации. Модифицированный гистоновый «хвост» (m)
взаимодействует со белком-связкой (pb — a protein binder), имеющим сайт связывания, специфичный для данной модификации.
pb, в свою очередь, имеет специфический сайт для энзима (е), который выполняет эту модификацию гистона. е, в свою очередь,
может затем модифицировать соседнюю нуклеосому. Во время репликации вновь откладывающиеся гистоны, которые переме-
жаются с родительскими гистонами, могут таким образом приобретать данную родительскую модификацию. Сходный механизм
мог бы обеспечить воспроизведение, распространение модификаций гистонов с модифицированного на немодифицированный
участок на любой стадии клеточного цикла.
Литература 31
1993). Значительная часть доказательств существова-
ния описанных выше механизмов получена в работах
по сайленсированию локуса типа спаривания и цен-
тромерных последовательностей у Schizosaccharomyces
pombe (Hall et al., 2002). Кроме того, было показано, что
структура конденсированного хроматина, характерная
для центромер у таких разных организмов, как мухи и
люди, может быть передана через ассоциированные с
центромерой белки, а не через нуклеотидную последо-
вательность ДНК. Во всех этих случаях нуклеотидная
последовательность ДНК остается интактной, но ее
способность к экспрессии подавляется. Весьма вероят-
но, что во всех случаях это опосредуется метилировани-
ем ДНК, модификациями гистонов или обоими этими
механизмами; в некоторых случаях мы уже знаем, что
это действительно так. Наконец, представление об
эпигенетической передаче кортикальных «паттернов»,
описанных выше для парамеций, распространилось те-
перь на прионные белки, которые поддерживают и вос-
производят свое альтернативное состояние фолдинга в
дочерних клетках.
Хотя все это было представлено в виде последова-
тельного рассказа, более правильным был бы взгляд
на эти события как на ряд параллельных и перекры-
вающихся попыток определить и объяснить эпигене-
тические явления. Определение термина «эпигенети-
ка» изменилось, но вопросы относительно механизмов
развития, поставленные более ранними поколениями
ученых, остались прежними. Современная эпигенети-
ка все еще обращается к этим центральным вопросам.
Семьдесят лет прошло с тех пор, как Мёллер описал
явление, называемое сейчас эффектом положения мо-
заичного типа. Доставляет удовольствие проследить
этот медленный прогресс от наблюдения фенотипов,
через элегантные генетические исследования, к совре-
менному анализу и решению проблем на молекулярном
уровне. Вместе с этими знаниями пришло понимание
того, что в действительности эпигенетические меха-
низмы могут отвечать за значительную часть фенотипа
сложных организмов. Как нередко случается, наблюде-
ние, показавшееся вначале хотя и интересным, но, воз-
можно, маргинальным по отношению к главным про-
блемам, оказывается центральным, хотя для осознания
этого может понадобиться много времени.
Литература
Ahmad K. and Henikoff S. 2002. The histone variant H3.3 marks active
chromatin by replication-independent nucleosome assembly.
Mol. Cell. 9: 1191-1200.
Allfrey V.G., Faulkner R., and Mirsky A.E. 1964. Acetylation and
methylation of histones and their possible role in the regulation
of RNA synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 51: 786-794.
Avery O.T., MacLeod CM., and McCarty M. 1944. Studies on the
chemical nature of the substance inducing transformation of
pneumococcal types. J. Exp. Med. 79: 137-158.
Bannister A., Zegerman P., Partridge J., Miska E., Thomas J., Allshire
R., and Kouzarides T. 2001. Selective recognition of methylated
lysine 9 on histone H3 by the HP1 chromo domain. Nature 410:
120-124.
Beisson J. and Sonneborn T.M. 1965. Cytoplasmic inheritance of
the organization of the cell cortex in Paramecium aurelia. Proc.
Natl. Acad. Sci. 53: 275-282.
Bell A.C. and Felsenfeld G. 2000. Methylation of a CTCF-dependent
boundary controls imprinted expression of the Igf2 gene. Nature
405: 482-485.
Bird A.P. 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA
methylation. II. The symmetry of methylated sites supports
semi-conservative copying of the methylation pattern. J. Mol.
Biol. 118: 49-60.
Bird A.P. and Southern E.M. 1978. Use of restriction enzymes to
study eukaryotic DNA methylation. I. The methylation pattern in
ribosomal DNA from Xenopus laevis. J. Mol. Biol. 118: 27-47.
Bonner J., Huang R.C., and Gilden R.V. 1963. Chromosomally
directed protein synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 50: 893-900.
Briggs R. and King T.J. 1952. Transplantation of living nuclei from
blastula cells into enucleated frogs’ eggs. Proc. Natl. Acad. Sci.
38: 455-463.
Brownell J.E., Zhou J., Ranalli T, Kobayashi R., Edmondson D.G.,
Roth S.Y., and Allis C.D. 1996. Tetrahymena histone acetyltransferase
A: A homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation
to gene activation. Cell 84: 843-851.
Cattanach B.M. and Kirk M. 1985. Differential activity of maternally
and paternally derived chromosome regions in mice. Nature 315:
496-498.
Cedar H. and Felsenfeld G. 1973. Transcription of chromatin in vitro.
J. Mol. Biol. 77: 237-254.
Chess A., Simon I., Cedar H., and Axel R. 1994. Allelic inactivation
regulates olfactory receptor gene expression. Cell 78: 823-834.
Clark R.J. and Felsenfeld G. 1971. Structure of chromatin. Nat. New
Biol. 229: 101-106.
Doskocil J. and Sorm F. 1962. Distribution of 5-methylcytosine in
pyrimidine sequences of deoxyribonucleic acids. Biochim. Biophys.
Acta 55: 953-959.
Durrin L.K., Mann R.K., Kayne P.S., and Grunstein M. 1991. Yeast
histone H4 N-terminal sequence is required for promoter activation
in vivo. Cell 65: 1023-1031.
Grimes G.W. and Aufderheide K.J. 1991. Cellular aspects of pattern
formation:
The problem of assembly. Monogr. Dev. Biol.
22: 1–94.
Hall I.M., Shankaranarayana C.D., Noma K., Ayoub N., Cohen
A., and Grewal S.I. 2002. Establishment and maintenance of a
heterochromatin
domain. Science 297: 2215-2218.
Hannah A. 1951. Localization and function of heterochromatin in
Drosophila melanogaster. Adv. Genet. 4: 87-125.
Hark A.T., Schoenherr C.J., Katz D.J., Ingram R.S., Levorse J.M.,
and Tilghman S.M. 2000. CTCF mediates methylation-sensitive
enhancer-blocking activity at the H19/Igf2 locus. Nature 405:
486-489.
Hershey A.D. and Chase M. 1952. Independent functions of viral
protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. J. Gen.
Physiol. 36: 39-56.
Holliday R. and Pugh J.E. 1975. DNA modification mechanisms and
gene activity during development. Science 187: 226-232.
Jablonka E. and Lamb M.J. 1995. Epigenetic inheritance and evolution:
The Lamarckian dimension. Oxford University Press, New
York, p. 82.
Jorgensen R. 1993. The germinal inheritance of epigenetic information
in plants. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 339:
173-181.
32 Глава 2. Краткая история эпигенетики
Kornberg R.D. and Thomas J.O. 1974. Chromatin structure; oligomers
of the histones. Science 184: 865-868.
Lachner M., O’Carroll D., Rea S., Mechtler K., and Jenuwein T.
2001. Methylation of histone H3 lysine 9 creates a binding site
for HP1 proteins. Nature 410: 116-120.
Laskey R.A. and Gurdon J.B. 1970. Genetic content of adult somatic
cells tested by nuclear transplantation from cultured cells. Nature
228: 1332-1334.
Luger K., Mader A.W., Richmond R.K., Sargent D.F., and Richmond
T.J. 1997. Crystal structure of the nucleosome core particle
at 2.8 Å resolution.
Nature 389: 251-260.
Lyon M.F. 1961. Gene action in the X-chromosome of the mouse.
Nature 190: 372-373.
McClintock B. 1965. The control of gene action in maize. Brookhaven
Symp. Biol. 18: 162-184.
McKittrick E., Gafken P.R., Ahmad K., and Henikoff S. 2004. Histone
H3.3 is enriched in covalent modifications associated with
active chromatin. Proc. Natl. Acad. Sci. 101: 1525-1530.
Morgan T. 1911. An attempt to analyze the constitution of the chromosomes
on the basis of sex-linked inheritance in Drosophila. J.
Exp. Zool. 11: 365-414. Muller H.J. 1930. Types of visible variations
induced by X-rays in Drosophila. J. Genet. 22: 299-334.
Nakayama J., Rice J.C., Strahl B.D., Allis C.D., and Grewal S.I.
2001. Role of histone H3 lysine 9 methylation in epigenetic
control of heterochromatin assembly. Science 292: 110-113.
Novick A. and Weiner M. 1957. Enzyme induction as an all-or-none
phenomenon. Proc. Natl. Acad. Sci. 43: 553-566.
Ohno S., Kaplan W.D., and Kinosita R. 1959. Formation of the
sex chromatin by a single X-chromosome in liver cells of Rattus
norvegicus. Exp. Cell Res. 18: 415-418.
Paul J. and Gilmour R.S. 1968. Organ-specific restriction of transcription
in mammalian chromatin. J. Mol. Biol. 34: 305-316.
Pazin M.J., Kamakaka R.T., and Kadonaga J.T. 1994. ATP-dependent
nucleosome reconfiguration and transcriptional activation from
preassembled chromatin templates. Science 266: 2007-2011.
Peterson C.L. and Herskowitz I. 1992. Characterization of the yeast
SWI1, SWI2, and SWI3 genes, which encode a global activator
of transcription. Cell 68: 573-583.
Ptashne M. 1992. A genetic switch: Phage l and higher organisms,
2nd edition. Blackwell Science, Maiden, Massachusetts and Cell
Press, Cambridge, Massachusetts.
Richmond T.J., Finch J.T., Rushton B„ Rhodes D., and Klug A.
1984. Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution.
Nature 311:532-537.
Riggs A.D. 1975. X inactivation, differentiation, and DNA methylation.
Cytogenet. Cell Genet. 14: 9-25.
Riggs A.D. and Porter T.N. 1996. Overview of epigenetic mechanisms.
In Epigenetic mechanisms of gene regulation (ed. V.E.A. Russo
et al.), pp. 29-45. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold
Spring Harbor,
New York.
Riggs A.D., Martienssen R.A., and Russo V.E.A. 1996. Introduction.
In Epigenetic mechanisms of gene regulation (ed. V.E.A. Russo et
al.), pp. 1-4. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring
Harbor, New York.
Shykind B.M., Rohani S.C., O’Donnell S., Nemes A., Mendelsohn
M., Sun Y., Axel R., and Barnea G. 2004. Gene switching and the
stability
of odorant receptor gene choice. Cell 117: 801 -815.
Stam M., Belele C, Dorweiler J., and Chandler V. 2002. Differential
chromatin structure with a tandem array 100 kb upstream of the
maize bl locus is associated with paramutation. Genes Dev. 16:
1906-1918.
Stedman E. and Stedman E. 1950. Cell specificity of histones. Nature
166: 780-781.
Sturtevant A. 1913. The linear arrangement of six sex-linked factors
in Drosophila, as shown by their mode of association. J. Exp.
Zool. 14: 43-59.
Tsukiyama T. and Wu C. 1995. Purification and properties of an ATPdependent
nucleosome remodeling factor. Cell 83: 1011-1020.
Waddington C.H. 1953. Epigenetics and evolution. Symp. Soc. Exp.
Biol. 7: 186-199.
Wallis J.W., Hereford L., and Grunstein M. 1980. Histone H2B genes
of yeast encode two different proteins. Cell 22: 799-805.
Wysocka J., Swigut T., Milne T. Dou Y., Zhang X., Burlingame A.,
Roeder R., Brivanlou A., and Allis CD. 2005. WDR5 associates
with histone H3 methylated at K4 and is essential for H3 K4
methylation and vertebrate development. Cell 121: 859-872.
Глубокоуважаемый читатель !
Перед Вами русскоязычное издание первой в мире обстоя-
тельной научной книги об эпигенетике. Под эпигенетикой
обычно понимают область знаний о совокупности свойств
организма, которые не прямо, а опосредованно закодиро-
ваны в геноме и, по определению, должны передаваться по
наследству. По сути дела в первую очередь эта наука имеет
дело с механизмами, контролирующими экспрессию генов
и клеточную дифференцировку. У организмов существуют
мощные регуляторные элементы (в самом геноме и даже
целые системы в клетках), которые контролируют работу
генов, в том числе и в зависимости от разных внутренних
и внешних сигналов биологической и абиотической при-
роды. Эти сигналы накладываются на генетику и часто
по-своему решают коренной вопрос – быть или не быть?
Действительно, даже самая отличная генетика может вовсе
и не реализоваться, если эпигенетика неблагополучна. По
образному выражению Нобелевского лауреата П. Медавара
«генетика полагает, а эпигенетика располагает».
Долгое время эпигенетику многие не признавали со-
всем, а часто стыдливо или даже намеренно умалчивали
о ней. В основном, это происходило потому, что знания о
природе эпигенетических сигналов и путях их реализации в
организме были очень расплывчатыми. Сегодня стало ясно,
что одним из таких эпигенетических сигналов в клетке яв-
ляется энзиматическая модификация (метилирование) са-
мой генетической матрицы, то-есть метилирование ДНК.
С раскрытием и описанием исключительной роли метили-
рования ДНК в жизни организмов, по сути дела, впервые
по-настоящему произошли становление и материализация
эпигенетики, как науки. Именно в России были открыты
тканевая и возрастная специфичность метилирования ДНК
у эукариотических организмов, в том числе у животных и
высших растений, и было впервые обоснованно заявлено,
что эта энзиматическая модификация генома может быть
одним из механизмов регуляции экспрессии генов и кле-
точной дифференцировки. Здесь же были получены первые
данные о том, что метилирование ДНК контролируется гор-
монально, а искажение метилирования ДНК – путь к раку.
Набор и природа эпигенетических сигналов в клетке
весьма разнообразны, таких сигналов много и сегодня они
разделяются, по- крайней мере, на несколько групп - мети-
лирование и деметилирование ДНК, «гистоновый код» (эн-
зиматическая модификация гистонов – ацетилирование,
метилирование, убиквитинирование, фосфорилирование
и другие), транскрипционное и трансляционное замалчи-
вание генов малыми РНК, позиционирование элементов
хроматина. Любопытно, что многие из этих процессов пе-
реплетены между собой и взаимозависимы. Это во многом
обеспечивает и гарантирует надежность эпигенетического
контроля за избирательным функционированием генов.
Детальное описание разных эпигенетических сигналов и
механизмов их реализации можно найти в соответствующих
главах этой любопытной книги. В ней детально описаны
собственно феномен, история и концепции эпигенетики,
ее отдельные механизмы и пути реализации эпигенети-
ческих сигналов в клетке. Особое место занимают главы,
описывающие роль малых РНК в замалчивании генов, ре-
моделирование хроматина, его разные энзиматичеcкие мо-
дификации, транскрипционное замалчивание генов белка-
ми групп поликомб и триторакс, инактивацию Х хромосом
и половую дифференцировку у нематод и млекопитающих,
механизмы дозовой компенсации генов у дрозофилы и мле-
копитающих, метилирование ДНК и механизмы геномного
импринтинга у млекопитающих, эпигенетические механиз-
мы дифференцировки стволовых клеток, эпигенетический
контроль за лимфопоэзом, пересадку ядер и репрограмми-
рование ядра, эпигенетику рака, эпигенетические болезни
человека. По отдельности в соответствующих главах до-
вольно детально рассматривается так называемая частная
эпигенетика разных групп организмов: дрожжей и других
грибов, насекомых (дрозофила), реснитчатых простейших
(Ciliata), высших растений.
Каждая из глав этой книги написана крупными, веду-
щими в мире специалистами в эпигенетике, которые, как
правило, являются и основоположниками ее отдельных об-
ластей. К сожалению, работы наших соотечественников,
внесших достойный вклад в становление и развитие эпигене-
тики, остались практически без внимания. Жаль также, что в
этой книге не приняли участие и такие всемирно известные
родоначальники эпигенетики, как Робин Холлидей, Артур
Риггс, Вальтер Дёрфлер и другие. Эта многообещающая об-
ласть знаний развивается очень быстро и бурно, и уже сегод-
ня эта книга могла бы быть изрядно дополнена принципи-
ально новыми и важными научными сведениями.
Книга дает очень хорошее и обширное представление
об эпигенетике в целом, ее отдельных областях и молеку-
лярных механизмах.
Наука эпигенетика уже успела основательно прорасти
в технологии. В одном из последних бюллетеней (Technology
Review) Массачуссетского технологического института
(США) эпигенетика названа среди десяти важнейших тех-
нологий, которые в ближайшее время могут изменить мир
и оказать наибольшее влияние на человечество. И это дей-
ствительно так. С ней безусловно связан прогресс биологии,
медицины, сельского хозяйства и разных биотехнологий.
Разумеется, эта книга, ярко и наглядно повествующая о но-
вой науке нашего века общебиологического значения - эпи-
генетике, очень полезна для широкого круга читателей, живо
интересующихся коренными и острыми современными про-
блемами живого, сущности жизни и молекулярных механизмов
ее проявлений. Поэтому появление этой книги в России следу-
ет всячески приветствовать, она не только пробудит интерес к
эпигенетике, расширит и углубит наши знания, но и послужит
развитию этой важной научной дисциплины в стране.
Книга переведена на русский язык и издана по иници-
ативе известного Российского ученого – Николая Викто-
ровича Томилина. Перевод сделан к.б.н. В.В.Ашапкиным
(глава 4), чл.-корр. РАН Б.Ф.Ванюшиным (глава 9),
к.б.н. Ю.И.Подлипаевым (главы 21, 23 и 24), к.б.н.
И.И.Фридлянской (глава 20) и д.б.н. А.Л.Юдиным.
Член-корреспондент РАН
Б.Ф. Ванюшин
Глава 1
Эпигенетика: от явления к области науки
Daniel E. Gottschling
Fred Hutchinson Cancer Research Center, Seattle, Washington 98109
Содержание:
1. Введение
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд
Спринг Харбор
3. 69-й симпозиум
3.1. Гипотеза гистонового кода
3.2. Динамический «молчащий» хроматин
3.3. Ядерная организация
3.4. Прионы
3.5. Новое явление
4. Заключительные соображения
Литература
1 Введение
Состоявшийся летом 2004 года 69-й симпозиум (Cold
Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology) был по-
священ теме «Эпигенетика», и многие авторы этой книги
были в числе его участников. Как наблюдатель на этом
симпозиуме я знал, что это должна была быть интерес-
ная встреча. Совещание началось достаточно просто — с
попыток определения эпигенетики. После недельных
распросов участников на эту тему стало ясно, что задавать
такой вопрос — всё равно что просить кого-то определить,
что такое «семейные ценности»: каждый знает, что это
такое, но для каждого это имеет разный смысл. Как объ-
яснил Дэвид Хейг [David Haig], отчасти причину такого
широкого спектра мнений можно понять исходя из этимо-
логии слова «эпигенетика»: это слово имеет двойное про-
исхождение в биологической литературе прошлого века, и
значение этого термина продолжает эволюционировать.
Уоддингтон [Waddington] первым изобрел этот термин для
обозначения исследований «каузальных механизмов»,
посредством которых «гены генотипа осуществляют фе-
нотипические эффекты» (см. Haig, 2004). Позже Нэнни
[Nanney] использовал этот термин для объяснения своих
представлений о том, как клетки с одним и тем же гено-
типом могут иметь разные фенотипы, сохраняющиеся на
протяжении многих поколений.
Я определяю эпигенетическое явление как измене-
ние в фенотипе, которое является наследуемым, но не
связано с мутацией в ДНК. Более того, это изменение
в фенотипе должно быть похожим на переключение,
типа «ВКЛЮЧЕНО» или «ВЫКЛЮЧЕНО», а не гра-
дуальной реакцией, и оно должно наследоваться даже
если первоначальные условия, вызвавшие это переклю-
чение, исчезают. Таким образом, в число эпигенетиче-
ских явлений я включаю переключение между лизосом
и лизогенией у бактериофага лямбда (Ptashne, 2004),
переключение пилей у уропатогенной Escherichia coli
(Hernday et al., 2003), эффект положения нестабильного
типа у Drosophila (Henikoff, 1990), наследуемые изме-
нения в кортикальном паттерне у Tetrahymena (Frankel
1990), прионные болезни (Wickner et al., 2004a) и инак-
тивацию Х-хромосомы (Lyon, 1993).
69-й Симпозиум состоялся в 100-ю годовщину ге-
нетики как области исследований в Лаборатории Колд
Спринг Харбор, что делает очень своевременным рас-
смотрение эпигенетики. Учитывая этот исторический
контекст, я счел уместным рассмотреть изучение эпиге-
нетики в свете предыдущих Симпозиумов Колд Спринг
Харбор. Хотя 69-й Симпозиум был первым, посвящён-
ными специально этой теме, эпигенетические явления
и их изучение оказались представленными на протя-
жении всей истории этой выдающейся серии симпо-
зиумов. Предлагаемая мною история сужается далее
моими собственными ограничениями и предпочтения-
ми. Для более полной и академической картины я могу
порекомендовать свыше 1000 обзоров по эпигенетике,
написанных за последние пять лет.
Представляя этот хронологический отчет, я надеюсь
передать свое ощущение от того, как коллекция внеш-
14 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
не несопоставимых явлений слилась воедино в область
исследований, затрагивающую все разделы биологии, а
также показать, что изучение эпигенетики основывает-
ся на стремлении объяснить неожиданное — возможно,
в большей степени, чем любая другая область биологи-
ческих исследований.
2 И стория эпигенетики
на симпозиумах Колд Спринг
Харбор
В 1941 году, во время 9-го симпозиума, великий генетик-
дрозофилист Герман Мёллер (H.J. Muller) описал резуль-
таты дальнейшей разработки явления, первоначально
названного им «eversporting displacement», — явления,
когда крупные хромосомные перестройки приводили
к мутантной мозаичной экспрессии генов вблизи точ-
ки разрыва (Muller, 1941). Ко времени симпозиума он
называл это «мозаицизмом, обусловленным эффектом
положения» («position effect variegation»). Было надёжно
установлено, что затрагиваемые гены были перенесены
«в соседство с гетерохроматиновым районом», что пере-
несённые эухроматиновые участки «были частично, но
в разной степени, трансформированы в состояние гете-
рохроматина — ‘гетерохроматинизированы’» и что добав-
ление экстракопий гетерохроматиновых хромосом «по-
зволяло затронутому гену становиться более нормальным
в своем функционировании». В то время это последнее
наблюдение вызывало недоумение и было неожиданным,
хотя теперь мы знаем, что это результат титрования ли-
митирующих компонентов гетерохроматина.
На 16-м симпозиуме (1951) высший приоритет име-
ло детальное понимание гена. Этим можно объяснить,
почему в понимании мозаицизма, обусловленного эф-
фектом положения (PEV), имел место незначительный
прогресс, хотя и были открыты новые примеры этого
явления. Однако первый докладчик отметил, что PEV
станет захватывающей областью будущих исследова-
ний (Goldschmidt, 1951). Барбара МакКлинток отме-
тила, что хромосомные эффекты положения являются
основой различий в «мутабильных локусах» кукурузы,
и высказала предположение, что наблюдавшаяся ею
изменчивость мутабильности, возможно, коренится в
тех же механизмах, что лежат в основе PEV у Drosophila
(McClintock, 1951).
Ко времени 21-го симпозиума идеи МакКлинток о
«контролирующих элементах» получили дальнейшее
развитие (McClintock, 1956). Две из них имели особо
близкое отношение к эпигенетике. В системе контро-
лирующего элемента Spm она обнаружила варианты,
позволившие ей различать trans-действующие факторы,
которые могут «подавлять» ген (уменьшать или устра-
нять его фенотипическое выражение), а не заставлять
его мутировать. Она также отметила, что некоторые
контролирующие элементы могли подавлять действие
гена не только в том локусе, куда они вставлены, но и в
локусах, которые расположены на некотором расстоя-
нии с той или другой стороны от него. Другие исследо-
ватели также обнаруживали этот «эффект распростране-
ния». Шульц представил биохимические и физические
характеристики целых Drosophila, содержащих разные
количества гетерохроматина (Schultz, 1956). Хотя эта
работа была весьма примитивной, а сделанные на ее
основе выводы имели ограниченное значение, она яви-
лась примером первых попыток расчленить структуру
гетерохроматина и продемонстрировала, насколько
трудной окажется эта проблема.
Два сообщения на 23-м симпозиуме явились вехами
в свете нашего сегодняшнего симпозиума. Во-первых,
Бринк описал свои ошеломляющие наблюдения «пара-
мутаций» в локусе R у кукурузы. Если две аллели (Rst и
Rr) с разными фенотипами в гомозиготном состоянии
комбинируются и образуют гетерозиготу, и это растение
Rst/Rr, в свою очередь, снова скрещивается, получающе-
еся в результате потомство, которое содержит аллель Rr,
всегда будет иметь фенотип Rst, хотя аллель Rst больше
не присутствует (Brink, 1958). Однако этот фенотип яв-
ляется метастабильным — в последующих скрещивани-
ях он ревертирует к нормальному фенотипу Rr. Бринк
предполагал, что слово «парамутация» «должно исполь-
зоваться в этом контексте в своем буквальном смысле,
как указывающее на явление, отличное от мутации, но
и не полностью непохожее на нее». Во-вторых, Нэн-
ни пошел очень далеко в попытках сформулировать
«концептуальные и операциональные различия между
генетическими и эпигенетическими системами» (Nanney,
1958). По существу он определил эпигенетику
иначе, чем первоначально предполагалось Уоддингто-
ном (Waddington) (детали см. Haig, 2004). Он счел не-
обходимым поступить таким образом, для того чтобы
описать явления, наблюдавшиеся им у Tetrahymena. Он
получил данные о том, что происхождение цитоплазмы
конъюгирующих родительских клеток влияет на детер-
минацию типа спаривания получающегося потомства.
Данное им определение охватывало и наблюдения,
сделанные другими исследователями, включая работу
Бринка по локусу R и работу МакКлинток, отмеченную
на 21-м симпозиуме.
На 29-м симпозиуме значительный интерес вызвала
гипотеза инактивации Х-хромосомы у самок млекопи-
тающих, незадолго до этого предложенная Мэри Лай-
он (Lyon, 1961). Гартлер, Бойтлер и Нанс представили
новые данные в ее поддержку (Beutler, 1964; Gartler and
Linder, 1964; Nance, 1964). Бойтлер дал обзор многочис-
ленных примеров мозаичной экспрессии сцепленных с
Х генов у женщин, которые свидетельствовали в пользу
случайной природы Х-инактивации. Основываясь на
тщательном количественном анализе продукта гена,
сцепленного с Х, Нанс заключил, что инактивация
Х-хромосомы происходит до наступления 32-клеточной
стадии эмбриона.
38-й симпозиум на тему «Структура и функция хро-
мосом» явился возвратом к изучению эукариотических
хромосом — к этому времени значительный прогресс
был достигнут в изучении прокариотических и фаговых
систем, и, как следствие, в расцветающей области мо-
лекулярной биологии в мышлении в основном домини-
ровала экспрессия бактериальных генов. Однако росло
и понимание роли хроматина (ДНК с гистонами и не-
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд Спринг Харбор 15
гистоновыми белками) у эукариот, но было неясно, свя-
зана ли его роль со структурой хромосомы, с ее функци-
ями или же и с тем, и другим (Swift, 1974). Тем не менее,
несколько групп начали высказывать предположения,
что с транскрипцией генов или с общей структурой
хромосом связана посттрансляционная модификация
белков хроматина, в том числе гистонов (Allfrey et al.,
1974; Louie et al., 1974; Weintraub, 1974). В воздухе витал
лишь намек на эпигенетические явления. Высказыва-
лись гипотезы о том, что у эукариот большинство генов
регулируются повторяющейся ДНК — отчасти исходя
из того факта, что открытые МакКлинток контроли-
рующие элементы повторены в геноме. Сообщалось,
однако, что бОльшая часть повторяющихся нуклеотид-
ных последовательностей ДНК не сцеплена с генами
(Peacock et al., 1974; Rudkin and Tartof, 1974). C учетом
этих наблюдений идея о том, что повторяющиеся эле-
менты регулируют экспрессию генов, в значительной
мере утратила поддержку со стороны присутствовав-
ших. Что, однако, более важно, в этих же самых иссле-
дованиях обнаружилось, что бОльшая часть повторяю-
щейся ДНК локализована в гетерохроматине.
42-й симпозиум продемонстрировал, что за четы-
ре года поразительное количество технических и ин-
теллектуальных достижений полностью преобразили
изучение эукариотических хромосом (Chambon 1978).
К их числу относились использование ферментов ре-
стрикции ДНК, разработка технологии рекомбинант-
ных ДНК, рутинное разделение белков и нуклеиновых
кислот, возможность проведения Саузерн- и Норзерн-
анализа, быстрое секвенирование ДНК и РНК и имму-
нофлуоресценция на хромосомах. Была представлена
нуклеосомная гипотеза и был открыт сплайсинг иРНК.
Основной интерес на этом симпозиуме привлекли био-
химические и цитологические различия в структуре
хроматина, особенно между активно транскрибируе-
мыми и неактивными генами. Если, однако, говорить
о том, что имело наиболее близкое отношение к эпиге-
нетике, то Вайнтрауб с сотрудниками представли свои
соображения относительно того, каким образом хрома-
тин может обусловливать мозаичную экспрессию генов
у организма (Weintraub et al., 1978).
45-й симпозиум явился торжеством открытий Бар-
бары МакКлинток — подвижных генетических элемен-
тов (Yarmolinsky, 1981). Выполненные в механистиче-
ском плане исследования бактериальной транспозиции
продемонстрировали чрезвычайный прогресс и вполне
оправданно составили около половины всех представ-
ленных сообщений, в то время как другие доклады со-
держали данные о том, что транспозиция и регулируемая
реорганизация генома происходят не только у кукурузы,
но и у других эукариот, в том числе у мух, львиного зева,
трипаносом, гриба Ascobolus и почкующихся дрожжей. В
контексте этого совещания все наблюдавшиеся случаи
мозаичной экспрессии были отнесены на счет транс-
позиций. Более того, имела место скрытая тенденция
всерьез считать, что контролирующие элементы ответ-
ственны за большую часть регуляции генов (Сampbell,
1981), что привело некоторых участников к предполо-
жению, что «единственной функцией этих элементов
является стимулирование генетической изменчивости».
В сущности, идея о том, что за регулируемую экспрес-
сию в мозаицизме, обусловленном эффектом положе-
ния, ответствен гетерохроматин, была поставлена под
сомнение. По отношению к будущим эпигенетическим
исследованиям, вероятно, наибольшее внимание заслу-
живало твердое обоснование наличия «молчащих» кас-
сет типов спаривания («silent mating cassetttes») у Saccharomyces
cerevisiae (Haber et al., 1981; Klar et al., 1981;
Nasmyth et al. 1981; Rine et al., 1981).
В порядке подготовки к 47-му симпозиуму у позво-
ночных была установлена общая корреляция, согласно
которой общий уровень метилирования цитозинов в
ДНК-последовательностях CpG ниже для генов, кото-
рые транскрибируются, чем для тех, которые не транс-
крибируются. Однако имелись исключения из этого
общего правила, и более детальный анализ показал, что
наиболее важным является метилирование специфиче-
ских участков промотора гена (Cedar et al., 1983; Doerfler
et al., 1983; La Volpe et al., 1983). Базируясь на системах
рестрикции-модификации у бактерий, полагали, что
метилирование ДНК предотвращает связывание клю-
чевых регуляторных белков. К тому же было показано,
что паттерны метилирования ДНК у позвоночных мо-
гут наследоваться через митоз, что приводило к гипоте-
зе о том, что метилирование ДНК может служить сред-
ством транскрипционной «памяти»в процессе деления
клеток в ходе развития (Shapiro and Mohandas, 1983).
Еще одним главным открытием, имеющим отношение
к эпигенетике, была идентификация нуклеотидных по-
следовательностей ДНК по ту или другую сторону от
«молчащих кассет типов спаривания» у почкующихся
дрожжей, которые отвечают за транскрипционную ре-
прессию генов, находящихся внутри этих кассет; они,
таким образом, оказались первыми нуклеотидными по-
следовательностями ДНК, необходимыми для хромо-
сомных эффектов положения (Abraham et al., 1983).
«Молекулярная биология развития» была темой
50-го симпозиума, и на нем тоже был представлен ряд
важных достижений. Возможно, одним из самых вол-
нующих успехов было осознание всеми того факта, что
фундаментальные молекулярные свойства являются
консервативными в ходе эволюции — например, RAS
человека функционирует в почкующихся дрожжах, го-
меобоксные белки консервативны у мух и человека (Rubin
et al., 1985). Новые попытки понять хромосомный
импринтинг начались с разработки техники ядерных
пересадок у мышей (Solter et al., 1985). Эти исследова-
ния показали, что в отцовском и материнском геномах
новой зиготы хранится информация о происхождении
от того или другого родителя; важна не просто ДНК
сама по себе; хромосомы содержат дополнительную
информацию, через кого из родителей они прошли, и
эта информация необходима для успешного развития
эмбриона. Полагали, что частично ответ лежит в том
факте, что от происхождения хромосомы от того или
другого родителя зависит дифференциальная экспрес-
сия генов (Cattanach and Kirk, 1985).
Имелся ряд исследований, направленных на пони-
мание сложной регуляции комплекса bithorax; особен-
16 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
но следует отметить сообщение Льюиса, который спе-
циально остановился на странной природе известных
trans-регуляторов этого локуса; почти все они являют-
ся репрессорами данного локуса (Lewis, 1985). Таким
образом, поддержание гена в «молчащем» состоянии
на протяжении многих клеточных удвоений является
обязательным для нормального развития. Это противо-
речило весьма распространенному в то время мнению,
согласно которому там, где будут приниматься крити-
ческие регуляторные решения, касающиеся развития,
имеет место активация/индукция гена.
К тому времени для ряда организмов была разрабо-
тана техника ДНК-трансформации и инсерционного
мутагенеза. Один из примеров особенно продуктивного
и имеющего отношение к эпигенетике использования
этой технологии был получен на Drosophila. Был создан
транспозон P-элемент с геном white (цвет глаз) на нем
и он «прыгал» по всему геному (Rubin et al., 1985). Это
дало возможнсть картировать во всем геноме Drosophila
сайты, где мог происходить PEV.
Этот симпозиум высветил также первые генетические
подходы к расчленению (dissection) явлений детермина-
ции пола и компенсации дозы половых хромосом у Drosophila
(Belote et al., 1985; Maine et al., 1985) и Caenorhabditis
elegans (Hodgkin et al., 1985; Wood et al., 1985).
58-й симпозиум отвел главное место празднованию
40-й годовщины открытия, сделанного Уотсоном и
Криком. Частью этого торжества была выездная «тусов-
ка», посвященная эпигенетическим явлениям: говори-
лось об идентификации новых явлений, начале моле-
кулярного анализа других явлений, на ряде систем был
достигнут существенный прогресс, позволяющий пред-
лагать гипотезы и тестировать их.
У трипаносом гены семейства Генов Вариабельных По-
верхностных антигенов (VSG — Variable Surface antigene
Genes), локализованных возле теломер, в основном «мол-
чат», и в каждый данный момент экспрессируется только
один VSG. Хотя этот организм, по-видимому, не содер-
жит метилированной ДНК, сообщалось, что «молчащие»
гены VSG содержат новое минорное основание, b-D-
глюкозилгидроксиметилурацил (Borst et al., 1993). Это
основание, по-видимому, занимает в ДНК место тими-
дина. Нетрудно провести параллели между этим основа-
нием и метилированием цитозина у других организмов —
эти модификации важны для поддержания «молчащего»
гена. Но как это основание вводится в ДНК или как оно
осуществляет такую функцию, было неясно.
Прогресс был также достигнут в изучении эпигенети-
ческих явлений у позвоночных, в том числе хромосом-
ного импринтинга и инактивации Х-хромосомы (Ariel et
al., 1993; Li et al., 1993; Tilghman et al., 1993; Willard et al.,
1993). К этому времени стало ясно, что у млекопитающих
многие локусы подвержены импринтингу; в диплоидных
клетках экспрессируется лишь одна аллель, и экспрессия
зависит от ее происхождения от того или другого родителя.
Особый интерес представлял локус Igf2-H19, главным об-
разом потому, что он содержал два соседних гена, которые
регулировались противоположным образом. Igf2 экспрес-
сируется в отцовской хромосоме, тогда как материнская
копия репрессирована; в то же время отцовская аллель
H19 репрессирована, а материнская аллель этого гена
экспрессируется. Интересно, что метилированные CpG
наблюдались на отцовской хромосоме непосредственно
«вверх по течению» от обоих генов. Предположили, что
дифференциальное метилирование регулирует доступ
этих двух генов к близлежащему энхансерному элемен-
ту — этот энхансер расположен ближе к H19 и непосред-
ственно «вниз по течению» от него (Tilghman et al., 1993).
Можно было представить себе взаимоисключающую кон-
куренцию между этими двумя генами за энхансер; когда
ген H19 метилирован, энхансер свободен и активирует бо-
лее удаленный ген Igf2. В пользу идеи, что метилирование
ДНК играет регуляторную роль в этом процессе, свиде-
тельствовали эксперименты с мышами. Мутация первого
гена позвоночных, кодирующего 5-метилцитозин-ДНК-
метилтрансферазу в ES-клетках, показала, что по мере
развития эмбрионов отцовская копия H19 становилась
гипометилированной, и этот ген становился транскрип-
ционно активным (Li et al., 1993).
Важным шагом в расшифровке того, как 5MeCpG
опосредует свои эффекты, явилась очистка первого
комплекса, связывающегося с 5MeCpG в ДНК (MeCP1 —
5MeCpG DNA-binding complex) (Bird 1993). MeCP1 не
только связывается с ДНК, но и, связавшись «вверх по
течению» от репортерного гена, вызывает репрессию
этого гена. Хотя это и не объясняло регуляцию в локусе
Igf2-H19, но давало возможный механизм для объясне-
ния общей корреляции между метилированием ДНК и
репрессией гена.
Генетическое картирование на протяжении ряда лет
позволило идентифицировать ту часть Х-хромосомы
человека, которая является критичной для инакти-
вации Х-хромосомы. Исследования этого центра
Х-инактивации с использованием молекулярного кло-
нирования привели к открытию гена Xist (Willard et al.,
1993), некодирующей РНК размером ~17 т.о., который
экспрессируется только на неактивной Х-хромосоме.
Мышиная версия Xist оказалась на удивление гомоло-
гичной по структуре и нуклеотидной последовательно-
сти и обещала стать прекрасной модельной системой для
«расчленения» того пути, на котором эта РНК функци-
онирует и репрессирует большую часть Х-хромосомы.
Два заслуживающих внимания открытия были опи-
саны у Neurospora (Selker et al., 1993). Во-первых, было
показано, что метилирование цитозинов в ДНК не огра-
ничено динуклеотидами CpG, а может происходить как
будто бы в любом ДНК-контексте. Вторым открытием
стало описание удивительного явления индуцируемых
повторами точечных мутаций (RIP — repeat-induced
point mutation). Когда в гаплоидном геноме имеется ду-
пликация некой последовательности (сцепленная или
несцепленная), и этот геном посредством конъюгации
проводится через половой цикл, нуклеотидные после-
довательности становятся «RIPованными». Происходят
два события: Обе копии дуплицированной ДНК приоб-
ретают мутации типа G:C " A:T, а ДНК в пределах не-
скольких сотен пар оснований «RIPованных» последо-
вательностей становится метилированной. Эта двойная
атака на геном весьма эффективна — 50 % несцеплен-
ных локусов подвержены RIP, тогда как тесно сцеплен-
2. История эпигенетики на симпозиумах Колд Спринг Харбор 17
ные локусы достигают 100 % — и легко подавляет функ-
цию генов.
Ген brown у Drosophila, будучи транслоцирован в со-
седство с гетерохроматином, демонстрирует доминант-
ный PEV; транслоцированная копия может вызвать ре-
прессию копии дикого типа. В ходе поисков энхансеров
и супрессоров этого явления trans-инактивации Хени-
коф (Henikoff) открыл, что дупликация гена, локали-
зованного вблизи гетерохроматина, повышает уровень
репрессии на нормальной копии (Martin-Morris et al.,
1993). Хотя механизм, лежащий в основе этого события,
оставался загадочным, постулировали, что это явление
могло бы быть аналогичным RIP у Neurospora, хотя оно
должно происходить в отсутствие метилирования ДНК,
которое у Drosophila не происходит.
Пол Шедл (Paul Schedl) изложил концепцию хромо-
сомных «граничных элементов» (Vazquez et al., 1993).
Первые такие элементы были локализованы с той или
другой стороны района «пуфа» в локусе теплового шока
у Drosophila и были определены по необычной струк-
туре их хроматина — устойчивому к нуклеазе кору ве-
личиной ~300 п.н., ограниченному гиперчувствитель-
ными к нуклеазе сайтами. Постулировали, что такие
элементы разделяют домены хроматина вдоль по длине
хромосомы. Два теста in vivo свидетельствовали в поль-
зу этой гипотезы: (1) Ограничивая ту или другую сто-
рону репортерного гена, граничные элементы эффек-
тивно устраняли хромосомные эффекты положения,
когда этот конструкт случайным образом вставлялся в
геном. (2) Граничный элемент определялся также по его
способности блокировать функцию энхансера. Будучи
вставлен между промотором гена и его энхансером, гра-
ничный элемент блокировал экспрессию данного гена.
Хотя и не в столь определенном виде, эта концепция
граничных элементов была разработана и для других
организмов, особенно на глобиновом локусе у млеко-
питающих (Clark et al., 1993).
Исследования на почкующихся дрожжах высветили
развивающийся механистический подход [a mechanistic
inroad] к связанным с хроматином эпигенетическим яв-
лениям. Было уже установлено, что сайленсеры в «мол-
чащих» локусах типа спаривания являются сайтами для
нескольких связывающихся с ДНК белков. Их связыва-
ние оказалось зависимым от контекста, примером чего
может быть белок Rap1, который не только играет важ-
ную роль в сайленсинге, но и связывается «вверх по те-
чению» от ряда генов, активируя транскрипцию (обзор
см. Laurenson and Rine, 1992).
На протяжении ряда лет были установлены много-
численные связи между репликацией ДНК и транс-
крипционно «молчащими» районами генома. Неак-
тивная Х-хромосома, гетерохроматин и «молчащие»
импринтированные локусы — все они, как сообщалось,
поздно реплицируются в фазе S по сравнению с транс-
крипционно активными районами генома. Кроме того,
было показано, что установление сайленсинга в «мол-
чащих» локусах типа спаривания требует прохождения
через фазу S, что заставлет предполагать, что «молча-
щий» хроматин должен быть построен на недавно ре-
плицированной ДНК. Так, огромный интерес вызывал
тот факт, что один из сайленсеров оказался точкой на-
чала репликации ДНК («ориджином»), а его активность
в этом качестве нельзя было отделить от функции сай-
ленсинга (Fox et al., 1993). Более того, мутанты в не-
давно идентифицированном комплексе распознавания
«ориджина» (ORC — origin recognition complex) «порти-
ли» сайленсинг (Bell et al., 1993; Fox et al., 1993).
Еще один подход к «расчленению» структуры гетерох-
роматина и её влияния на экспрессию генов обусловило
открытие, показавшее, что теломеры у Saccharomyces cerevisiae
приводят в действие PEV, аналогичный наблюдае-
мому у Drosophila. Репортерные гены, вставленные около
теломер, обнаруживают мозаичную экспрессию в коло-
нии дрожжей. Репрессированное состояние зависит от
многих генов (SIR2, SIR3, SIR4) из тех, что необходимы
для сайленсинга в «молчащих» локусах типа спаривания.
Были описаны несколько ключевых аспектов, касаю-
щихся структуры «молчащего» хроматина и регуляции
мозаичной экспрессии. Заслуживает упоминания тот
факт, что цитологически гетерохроматин определяется
как конденсированный хроматин, но «молчащий» хро-
матин у S. cerevisiae никогда не удавалось визуализиро-
вать таким образом. Тем не менее, из-за сходства с PEV у
Drosophila, «молчащий» хроматин у дрожжей всегда были
склонны рассматривать как функциональный эквива-
лент гетерохроматина (описано в Weintraub, 1993).
На основе исследований на дрожжах начал форми-
роваться ряд фундаментальных концепций. Во-первых,
стало очевидным важное значение гистонов Н3 и Н4. В
частности, аминотерминальный «хвост» гистонов Н3 и
Н4 оказался непосредственным участником формиро-
вания «молчащего» гетерохроматина (Thompson et al.,
1993). Специфические мутации в «хвостах» этих гисто-
нов облегчали или портили сайленсинг и позволяли ду-
мать, что и общий заряд остатков на «хвостах», и спец-
ифические остатки в составе «хвостов» вносят вклад в
сайленсинг. Кроме того, на заре использования имму-
нопреципитации хроматина (ChIP) было продемон-
стрировано, что лизины в аминотерминальном «хвосте»
гистона Н4 гипоацетилированы в районах «молчащего»
хроматина по сравнению с остальной частью генома.
Более того, одна из гистоновых мутаций позволила
идентифицировать H4K16 гистонов (который может
быть ацетилирован) как критичный для формирования
«молчащего» хроматина.
Теломеры оказались простейшей системой для бо-
лее глубокого понимания того, каким образом белки Sir
опосредуют сайленсинг. Была разработана концепция
рекрутирования белков сайленсинга. Говоря коротко,
оказалось, что белок Rap1, связывающийся с теломер-
ной ДНК, взаимодействует с Sir3 и Sir4 двугибридным
способом (by two-hybrid methods — описано в Palladino
et al. 1993). Таким образом, Rap1 может «рекрутировать»
эти белки Sir к теломерному району генома. Имелись
данные о том, что Sir3 и Sir4 могут связываться друг с
другом и что (и это особенно важно) Sir3 и, возможно,
Sir4 взаимодействуют с «хвостами» гстонов Н3 и Н4
(Thompson et al., 1993). Более того, сверхэкспрессия
Sir3 заставляет его «распространяться» по хроматино-
вой фибрилле внутрь от теломеры, позволяя предпо-
18 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
лагать, что он является лимитирующим компонентом
«молчащего» хроматина и может «полимеризоваться»
вдоль хроматина (Renauld et al., 1993). Все вместе по-
казывало, что существует, оказывается, обширная сеть
взаимодействий, важная для сайленсинга, — белки Sir
инициируют сборку на теломерной ДНК, благодаря
их взаимодействию с Rap1, а затем полимеризуются от
теломеры вдоль хроматинового волокна, предположи-
тельно связываясь с «хвостами» гистонов Н3 и Н4.
Переключение между транскрипционными состоя-
ниями при мозаичной теломерной экспрессии оказа-
лось результатом конкуренции в отношении экспрес-
сии между «молчащими» и активными генами (Aparicio
and Gottschling, 1994; описано в Weintraub, 1993). Если
транскрипционный активатор для теломерного гена де-
летирован, базовый механизм транскрипции этого гена
оказывается недостаточным для экспрессии, и этот ген
оказывается конститутивно сайленсированным. Нао-
борот, сверхэкспрессия активатора заставляла теломер-
ный ген экспрессироваться постоянно — это ген никог-
да не был сайленсирован. В отсутствие SIR3 (или SIR2
или SIR4) базальная экспрессия гена была достаточной,
тогда как увеличенная доза SIR3 повышала долю кле-
ток, которые были сайленсированы. Хотя транскрип-
ционный активатор мог преодолеть сайленсинг на
протяжении всего клеточного цикла, он был наиболее
эффективным, когда клетки были остановлены в фазе
S — предположительно, когда хроматин реплицируется
и, отсюда, оказывается наиболее чувствительным к кон-
куренции. Несколько удивляет, что клетки, остановлен-
ные на G2/M, также можно было легко переключить,
что заставляло предполагать, что «молчащий» хроматин
еще не был полностью собран к этому времени.
Было показано, что «молчащий» хроматин у дрож-
жей не поддается действию нуклеаз и ферментов мо-
дификации ДНК; это позволяет предположить, что ле-
жащая в его основе ДНК гораздо менее доступна, чем
бОльшая часть генома (описано в Thompson et al. 1993).
Оказалось также, что имеет место иерархия сай-
ленсинга в геноме дрожжей: наиболее чувствителны к
пертурбациям теломеры, затем идет HML, а наименее
чувствителен HMR. Действительно, когда ген SIR1 му-
тировал, локусы HM, в норме полностью сайленсиро-
ванные, обнаруживали мозаичную экспрессию (Pillus
and Rine, 1989).
Наконец, Sir3 и Sir4 были локализованы на пери-
ферии ядра, как и теломеры. Предположили, что ядро
организовано таким образом, что ядерная оболочка
обеспечивает специальную среду для сайленсинга (Palladino
et al., 1993).
Schizosaccharomyces pombe тоже имеют «молчащие»
кассеты типов спаривания, которые, как подозревают,
ведут себя аналогично кассетам типов спаривания у
S. cerevisiae. Однако у S. pombe в истории с переключе-
нием типов спаривания был дополнительный поворот.
В элегантной серии экспериментов Эймар Клар (Amar
Klar) выдвинул предположение о том, каким образом
в клетке «метка» импринтируется на одной нити ДНК
(Klar and Bonaduce, 1993). Эта метка проявляется, после
двух клеточных делений, в одной из четырех «внучатых»
клеток как двунитевой разрыв, облегчающий переклю-
чение типа спаривания. У этих дрожжей отсутствуют
какие-либо известные модификации ДНК (метилиро-
вание и т.п.); отсюда, постулируется, что на нити ДНК
оставляется метка какого-то иного типа.
Темой 59-го симпозиума была «Молекулярная гене-
тика рака». Концепция эпигенетической регуляции в
онкогенезе начала развиваться после того, как утверди-
лась идея генов-супрессоров опухолей. Была опублико-
вана пара исследований в пользу таких представлений,
но интересный поворот в этой истории возник в иссле-
дованиях пациентов с синдромом Бэквита-Видеманна
и опухолями Уилмса. Мутации у пациентов обоих ти-
пов были картированы в локусе, включавшем имприн-
тированные гены H19-IGF2. Фейнберг с соавторами
(Feinberg et al., 1994) открыли у таких больных «утрату
импринтинга» (LOI — loss of imprinting) для этих генов —
материнский локус утрачивал свой импринт, H19 был
репрессирован, а IGF2 экспрессирован. Таким образом,
LOI, которая в принципе могла бы происходить в дру-
гих местах генома, могла вызывать либо биаллельную
экспрессию, либо исчезновение генов, критичных для
онкогенеза, либо и то и другое.
Через пару лет на пути к 63-му симпозиуму на тему
«Механизмы транскрипции» произошли важные со-
бытия, которые впоследствии повлияют на понимание
молекулярных механизмов нескольких эпигенетиче-
ских феноменов. Были идентифицированы ферменты,
модифицирующие гистоны, а именно, ацетилазы и деа-
цетилазы гистонов. Некоторые из этих энзимов играли
критическую роль в регулировании экспрессии генов
и позволили подойти к генным продуктам, непосред-
ственно влияющим на PEV и сайленсинг. На симпозиуме
была представлена верхушка этого айсберга (см. Losick,
1998). Молекулярное «расчленение» сайленсирующих
белков Sir3 и Sir4 у дрожжей выявило поливалентную
природу их взаимодействий и показало, каким образом
сеть взаимодействий между всеми белками Sir, гистона-
ми и разнообразными факторами, связывающимися с
ДНК, формирует «молчащий» хроматин. Кроме того,
были показаны молекулярные детали того, как разноо-
бразные локусы (теломеры, рДНК, локусы НМ и двуни-
тевые разрывы) могут конкурировать за ограниченные
ресурсы белков Sir. При нарушении способности спец-
ифического локуса рекрутировать факторы сайленсин-
га уровни содержания белков Sir в других локусах по-
вышались (Cockell et al., 1998). Это прямо доказывало,
что работает принцип действия масс и что сайленсинг
в одном локусе может влиять на эпигенетический сай-
ленсинг в других локусах (идея, первоначально выдви-
нутая в исследованиях PEV у Drosophila, но всё еще не
проверенная) (Locke et al., 1988). Еще одно открытие
позволило объяснить, каким образом метилирование
ДНК может регулировать экспрессию генов через хро-
матин. Были идентифицированы белковые комплексы,
состоящие из MeCP2, которые связываются и с мети-
лированной ДНК, и с деацетилазой гистонов (Wade et
al., 1998). Метилированная ДНК могла служить точкой
рекрутирования деацетилаз к локусу и таким образом
облегчать сайленсинг близлежащих генов.
3. 69 симпозиум 19
Концепция граничных элементов была распростра-
нена с Drosophila на млекопитающих (четкие данные
были получены на локусе b-глобина), показывая таким
образом, что границы хроматина, вероятно, действи-
тельно консервативны у многоклеточных и, возможно,
у всех эукариот (Bell et al., 1998).
На 64-м симпозиуме, темой которого был «Сигна-
линг и экспрессия в иммунной системе», были приве-
дены данные о том, как возникает моноаллельная экс-
прессия, и о том, что она может быть распространена
более широко, чем думали раньше. Моноаллельная экс-
прессия в локусах иммуноглобулинов на протяжении
некоторого времени была очевидна для лимфоцитов —
она гарантировала продукцию единственного типа ре-
цепторов в каждой лимфоидной клетке (Mostoslavsky et
al., 1999). Аллель, которая будет экспрессироваться, вы-
бирается на ранних стадиях развития, очевидно случай-
ным образом: обе аллели вначале находятся в репресси-
рованном состоянии, но через некоторое время одна из
них деметилируется. Было неясно, как происходит вы-
бор одной из аллелей, но это явление обнаруживается
и в других локусах, где необходимость моноаллелизма
была не столь очевидна. Например, экспрессируется
только одна аллель генов, кодирующих цитокины IL-2
и IL-4 (Pannetier et al., 1999).
Наиболее значительное сообщение на 65-м симпо-
зиуме, имеющее отношение к эпигенетике, касалось
открытия того, что белок Sir2 является деацетилазой ги-
стонов (Imai et al., 2000). Это был единственный белок
Sir, у которого были очевидные гомологи у всех других
эукариот и который регулировал PEV. Создавалось впе-
чатление, что этот фермент в основном отвечает за уда-
ление ацетильных компонентов гистонов в «молчащем»
хроматине. Кроме того, поскольку это был фермент, за-
висимый от NAD, он связывал регуляцию сайленсинга
(гетерохроматина) с клеточной физиологией.
68-й симпозиум на тему «Геном Homo sapiens» явился
важной вехой в генетике, и хотя всё еще остается про-
делать большую генетическую работу, полное секвени-
рование этого и других геномов означало, что пришло
время переходить на «надгенетический» уровень — в
буквальном значении слова «эпигенетика».
Этот исторический отчет высвечивает несколько
тем, общих со многими другими областями исследо-
вания. Во-первых, он демонстрирует эпизодическую
природу достижений в эпигенетике. Во-вторых, по
мере постижения молекулярных механизмов, лежащих
в основе эпигенетических явлений, стало легче связы-
вать эпигенетику с биологической регуляцией в целом.
В-третьих, он показал, что исследователи, которых мы
в настоящее время считаем корифеями науки, устано-
вили эти связи очень рано — потребовалось лишь неко-
торое время, чтобы большинство остальных «увидели»
очевидное.
3 69-й симпозиум
С годами выявилось несколько универсальных прин-
ципов, общих для всех эпигенетических явлений, и эти
принципы определяют экспериментальные подходы в
наших попытках понять детали. Во-первых, различия
между двумя фенотипическими состояниями («ВКЛЮ-
ЧЕНО» и «ВЫКЛЮЧЕНО») всегда коррелируют с со-
ответствующим различием структуры в ключевой ре-
гуляторной точке — форма транслируется в функцию.
Отсюда, основная задача заключается в идентификации
этих двух различных структур, компонентов, из которых
эти структуры состоят, и композиционных различий
между ними. Во-вторых, эти различающиеся структуры
должны обладать способностью поддерживать и вос-
производить себя в окружении конкурирующих факто-
ров и сил энтропии. Таким образом, каждая структура
нуждается в самоусилении, или в контурах положитель-
ной обратной связи, обеспечивающих ее поддержание
и воспроизведение на протяжении многих клеточных
делений; в некоторых случаях, таких как инактивация
Х-хромосомы, это время оказывается сравнимым со вре-
менем жизни.
На 69-м симпозиуме продолжалось уточнение мно-
гих механистических принципов, установленные на
предыдущих симпозиумах, но были и новые разработ-
ки. Чтобы поместить эти новые разработки в наш кон-
текст, важно отметить, что важное влияние на эпигене-
тику оказали еще два открытия. Одним было открытие
РНК-интерференции и родственных, базирующихся на
РНК, механизмах регуляции. Другим было открытие
механизмов, лежащих в основе гипотезы прионов. За
последнее десятилетие обе эти области быстро развива-
лись, и некоторые из этих исследований внесли вклад в
наши знания об эпигенетике, базирующейся на хрома-
тине, тогда как другие наметили новые перспективы в
проблеме наследственной передачи фенотипов.
Многие достижения, представленные на этом сим-
позиуме, детально описываются в разных главах этой
книги, поэтому я воздержусь здесь от обсуждения этих
тем. Однако я затрону несколько успешных и перспек-
тивных исследований, которые привлекли мое вооб-
ражение и которые не освещаются на этих страницах.
В конце я попытаюсь сформулировать наиболее важные
концепции, вынесенные мною из этого симпозиума.
3.1 Г ипотеза гистонового кода
В ходе рассмотрения модификаций гистонов и их по-
тенциального информационного содержания состоялось
много дискуссий относительно «гипотезы гистонового
кода» (Jenuwein and Allis 2001). Большинство этих споров,
в которых я принимал участие или о которых мне расска-
зывали, были неформальными и довольно оживленны-
ми. Сторонники «кода» приводили такие примеры, как
триметилирование гистона Н3 по K9 и его повышенное
сродство к классу НР1 белков гетерохроматина (Jenuwein
and Allis, 2001). Их противники приводили биохимиче-
ские и генетические данные о том, что на связывание с
ДНК или на фенотип существенно влияет суммарный
заряд на аминотерминальном «хвосте» гистона Н4, не-
зависимо от того, где этот заряд расположен (Megee et
al., 1995; Zheng and Hayes, 2003).
Грюнштейн (Grunstein) представил данные, вклю-
чавшие анализ модификаций (ацетилирования) гисто-
20 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
нов и связанных с хроматином белков во всем геноме
S. cerevisiae с использованием специфических антител и
метода ChIP-Chip (Millar et al., 2004). Он сделал акцент
на ассоциированном с ацетилированием H4K16 эпиге-
нетическом переключении к связыванию или несвязы-
ванию определенных белков хроматина, поддерживая
таким образом гипотезу гистонового кода. Некоторые
из его данных, хотя они и не обсуждались, по-видимому,
свидетельствуют в пользу сообщений других исследова-
телей о том, что для большой части генома нет корреля-
ции между специфичесикми модификациями гистонов
и экспрессией генов (т.е. все активные гены имеют оди-
наковые метки, и эти метки отсутствуют на неактивных
генах) (Schubert et al., 2004; Dion et al., 2005). Учитывая
всю совокупность этих результатов, я подозреваю, что в
качестве механизмов регулирования структуры хрома-
тина и экспрессии генов обычно используются и спец-
ифические модификации, и влияние общего заряда.
3.2 Д инамический «молчащий» хроматин
Я должен признаться, что, основываясь на статических
изображениях гетерохроматина и на рефрактерной
природе «молчащего» хроматина, я был убежден, что,
однажды установившись, гетерохроматиновое состояние
остается прочным, как гранит. Только когда наступает
время репликации ДНК, эта непробиваемая структура
становится релаксированной. Думая таким образом, я не-
разумно игнорировал принципы равновесной динамики,
с которыми я познакомился в курсе химии. Однако к этим
урокам заставили возвратиться исследования «молчащего»
хроматина и гетерохроматина, где было показано, что
белки сайленсинга у дрожжей (Sir3) и белки гетерохро-
матина в клетках млекопитающих (НР1) находятся в со-
стоянии динамического равновесия — эти белки быстро
обмениваются между гетерохроматином и растворимым
компартментом — даже когда хроматин находится в своем
наиболее непроницаемом состоянии (Cheng and Gartenberg,
2000; Cheutin et al., 2003). Осознание динамических
качеств хроматина вынудило меня иначе взглянуть на то,
каким образом поддерживается и воспроизводится его
эпигенетическое состояние. Этот взгляд предполагает,
что в некоторых системах эпигенетическое состояние
может быть ревертировано в любое время, а не только в
ходе репликации ДНК. Отсюда, мы можем заключить, что
для «молчащего» хроматина механизмы усиления и вос-
произведения должны функционировать постоянно.
Широко распространено мнение, что метилирование
гистонов является модификацией, накладывающей на
хроматин «перманентную» метку (обзор см. Kubicek and
Jenuwein, 2004). В противоположность всем другим мо-
дификациям гистонов (например, фосфорилированию,
ацетилированию, убиквитинированию) нет известных
ферментов, которые могли бы обратимо удалять метиль-
ную группу с аминогруппы лизина или аргинина. Более
того, считается, что удаление метильной группы про-
стым гидролизом в физиологических условиях невыгод-
но и, таким образом, вряд ли происходит спонтанно.
Несколько сообщений слегка поколебали систему
верований тех, кто думал, что метки метилирования
являются перманентными. Во-первых, было показано,
что ядерная пептидиларгининдеиминаза (PAD4) мо-
жет удалять монометилирование с остатков аргинина
(R) гистона Н3 (Cuthbert et al., 2004; Wang et al., 2004).
Хотя результатом этого процесса удаления метильного
компонента является конвертация остатка аргинина в
цитруллин, и, следовательно, это не является истин-
ной реверсией данной модификации, он, тем не менее,
представляет собой механизм элиминации перманент-
ной метильной метки.
Робин Олшайр (Robin Allshire) привел провоцирую-
щий генетический аргумент, согласно которому ген tis2
из S. pombe ревертирует диметилирование по K9 в ги-
стоне Н3 (R. Allshire, личное сообщение). Возможно, он
был на верном пути, поскольку через несколько меся-
цев после симпозиума было показано, что неродствен-
ный фермент LSD1 из млекопитающих специфически
деметилирует ди- и монометилы на гистоне Н3 по K4
(Shi et al., 2004), ревертируя «активную» метку хромати-
на. Весьма интересно, что LSD1 не работает на триме-
тилированном H3K4 — таким образом, метилирование
может быть ревертировано в ходе процесса маркиров-
ки, но реверсия невозможна, коль скоро метка полно-
стью созрела.
Однако Стив Хеникоф (Steve Henikoff) описал спо-
соб, которым могла бы элиминироваться перманентная
триметил-лизиновая метка. Он показал, что вариант-
ный гистон Н3.3 может замещать канонический ги-
стон Н3 независимым от репликации и сопряженным с
транскрипцией образом (Henikoff et al., 2004). По суще-
ству гистон, содержащий метильные метки для сайлен-
синга, мог бы быть удален и заменен гистоном, более
подходящим для транскрипции. Когда был изолирован
суммарный хроматин, оказалось, что гистон Н3.3 имел
на себе намного больше меток метилирования хромати-
на (например, K79me), чем канонический гистон Н3.
При рассмотрении всех этих результатов создается
впечатление, что может и не быть простой молекуляр-
ной модификации гистонов, которая служит как метка
памяти для воспроизведения состояния «молчащего»
хроматина в ходе клеточного деления. Скорее, должен
иметь место тонкий набор взаимодействий, увеличи-
вающих вероятность того, что «молчащее» состояние
будет поддерживаться, хотя и не гарантирующих это.
3.3 Я дерная организация
Корреляции между ядерной локализацией и экспрессией
генов были установлены уже много лет назад (Mirkovitch
et al., 1987). На основе этих наблюдений начало формиро-
ваться мнение, что в клетке имеются специальные ком-
партменты, которыми ограничены экспрессия генов или
сайленсинг. Приводили доводы в пользу того, что такая
организация необходима для поддержания сложности
генома и его регуляции в работоспособном состоянии.
Эта идея была поддержана исследованиями на S. cerevisiae,
где теломеры преимущественно локализовались
на периферии ядра, как и ключевые компоненты ком-
плекса сайленсинга, такие как Sir4 (Palladino et al., 1993).
Результатом мутаций, высвобождающих теломеры или
3. 69 симпозиум 21
Sir4 с ядерной периферии, является утрата теломерного
сайленсинга (Laroche et al., 1998; Andrulis et al., 2002).
Более того, искусственная привязка частично сайленси-
рованного гена к этой периферии делала его полностью
сайленсированным (Andrulis et al., 1998).
В очень информативном эксперименте Гассер по-
казал, что если теломеры и сайленсирующий комплекс
оба высвобождаются с периферии и могут свободно
перемещаться по всему ядру, легко устанавливается
теломерный сайленсинг (Gasser et al., 2004). Таким об-
разом, по-видимому, нет особой нужды локализовать
локусы в компартменте. Это в большей мере согласует-
ся с данными о том, что быстрое перемещение белков
хроматина на хромосомы и с хромосом может, кроме
того, опосредовать такую эффективную регуляцию, как
сайленсинг. Возможно, чтобы поддерживать высокие
локальные концентрации связанных с этим факторов
в специальных (стрессовых?) условиях, какая-то лока-
лизация и необходима. Или же это может быть комби-
нацией доменов, собранных вместе в ходе эволюции,
которая давно работает без всякой конечной цели.
3.4 Прионы
Викнер дал обзор прионов и критерии для их опреде-
ления, и из его описания становится ясным, что они
(прионы) — это часть эпигенетического ландшафта
(Wickner et al., 2004a,b). В простейшем молекулярном
смысле прионы — это белки, которые могут вызывать
наследуемые фенотипические изменения, действуя на
родственный этим белкам генный продукт и изменяя
его. Никаких изменений нуклеотидной последователь-
ности ДНК не происходит; скорее, прион, в общем
случае, навязывает своему субстрату некое структур-
ное изменение. Прионы, относящиеся к лучше всего
изученному и понятому классу, заставляют растворимые
формы белка преобразовываться в амилоидные волокна.
Во многих случаях эта амилоидная форма снижает или
вовсе устраняет нормальную активность данного белка,
вызывая таким образом изменение в фенотипе. Викнер
определил еще один класс прионов, которые не форми-
руют амилоидных нитей. Это ферменты, для активации
которых требуется своя же ферментативная активность.
Если клетка обладает лишь неактивными формами этого
энзима, тогда необходим внешний источник активного
энзима, чтобы положить начало тому, что затем станет
самовоспроизводящимся признаком, пока по крайней
мере одна активная молекула передается каждой клетке.
Он привел два примера и выразил уверенность в том, что
этот класс белков составит новую группу эпигенетиче-
ских механизмов для исследования.
Ши представил предварительные данные о том,
прионная модель может объяснить научение и память
у Aplysia (Si et al., 2004). В нейрональных клетках этого
моллюска трансляция ряда запасенных иРНК в белки
важна для поддержания кратковременной памяти. Он
обнаружил, что регулятор белковой трансляции, CPEB,
может существовать в двух формах и что активирован-
ная форма CPEB действует доминантно, воспроизводя
себя. Проверка этой идеи все еще находится в самом
начале, но обещает фантастические новые подходы на
тему о том, каким образом мы помним.
3.5 Н овое явление
Описание нового и неожиданного феномена всегда по-
ражает наше воображение. Одно сообщение в особен-
ности занимало мои мысли на протяжении нескольких
недель после симпозиума. Стандартный генетический
анализ мутантных аллелей гена HOTHEAD, регулирую-
щего слияние органов у Arabidopsis, показал, что обычные
правила менделевской генетики здесь не выполняются
(Lolle et al., 2005). Оказалось, что если гетерозиготные
(HOTHEAD/hothead) растения самоопыляются и произво-
дят гомозиготное растение hothead/hothead, а затем этому
гомозиготному растению hothead/hothead дают самоопы-
литься, потомство от этого гомозиготного родителя
ревертирует к генотипу HOTHEAD/hothead с частотой до
15 %. Этот потрясающе высокий уровень реверсии к дико-
му типу давал, на нуклеотидном уровне, точный дубликат
гена дикого типа, наблюдавшегося в предшествующих
поколениях. Эта реверсия не ограничивалась локусом
HOTHEAD — несколько других локусов обнаруживали
сходные частоты реверсии к аллелям дикого типа. Однако
для всех этих реверсий требовалось, чтобы родитель был
гомозиготным hothead/hothead. Продукт гена HOTHEAD
не дает никакого очевидного объяснения, как такое мо-
жет происходить, но прошедшие обсуждения определен-
но заставляют предполагать, что некая архивная копия
гена дикого типа передавалась в ряду последовательных
поколений, возможно через РНК. Хотя можно возраз-
ить, что это явление лежит вне сферы «эпигенетики» —
поскольку связано с изменениями в нуклеотидной по-
следовательности ДНК, — наследственная передача
этой предполагаемой архивной копии не подчиняется
нормальным генетическим правилам. Так или иначе, этот
феномен чреват огромными последствиями для генети-
ки, особенно в области эволюционного мышления.
4 З аключительные
соображения
Итак, что еще нужно сделать, чтобы понять эпигенетиче-
ские механизмы? По большей части мы всё ещё собираем
(открываем) их отдельные компоненты. Точно так же,
как полная последовательность генома чрезвычайно об-
легчила прогресс в области генетики, так и более ясное
понимание эпигенетики придет, вероятно, тогда, когда
станут известными все составные части. Успехи, достиг-
нутые за последнее десятилетие, очень вдохновляют.
Признаюсь, я не в состоянии различить, близки ли
мы или далеки от точного, в механистическом плане,
понимания того, каким образом поддерживаются и
воспроизволятся эпигенетические состояния. Первым,
возможно, придет понимание феноменов, базирую-
щихся на прионах; те же явления, которые базируются
на хроматине, по-видимому, наиболее далеки от это-
го. Поливалентная природа взаимодействий, которые,
по-видимому, необходимы для установления сайлен-
сированного состояния на хромосоме, увеличивает
22 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
сложность проблемы. Последняя еще более усложня-
ется динамической природой «молчащего» хроматина.
Возможность узнать больше о движении компонентов
в хроматиновые структуры и из них требует для окон-
чательного понимания применения усовершенствован-
ных или совсем новых методов. Иммунопреципитация
хроматина, оказавшаяся важной в установлении того,
какие компоненты находятся в составе структуры, вре-
менно заслонила от нас динамику.
Я подозреваю, что, учитывая эту сложность, простое
измерение констант связывания и равновесия для всех
компонентов и попытки получить систему дифферен-
циальных уравнений для имитации эпигенетических
переключателей могут оказаться неэффективной тратой
ресурсов и не обязательно приведут к лучшему понима-
нию. Скорее, я предполагаю, что потребуется разработ-
ка математического подхода нового типа в комбинации
с новыми экспериментальными методами измерения,
для окончательного понимания эпигенетических со-
бытий. В частности, может потребоваться разработка
систем in vitro, надежно воспроизводящих эпигенети-
ческое переключение между состояниями.
Идея конкуренции между двумя состояниями в боль-
шинстве эпигенетических явлений, вероятно, отражает
«гонку вооружений», происходящую на многих уровнях
клетки, за которой следуют попытки исправить «сопут-
ствующий ущерб». Например, белки сайленсинга воз-
никли, возможно, для защиты генома от транспозонов.
Однако, поскольку белки сайленсинга работают через по-
средство вездесущих нуклеосом, становятся репрессиро-
ванными некоторые критичные гены. Чтобы преодолеть
это, возникли модификации гистонов (например, мети-
лирование H3K4 и H3K79) и замещение вариантными
гистонами, чтобы предотвращать связывание белков сай-
ленсинга с критичными генами. В зависимости от после-
дующих событий эти изменения могут быть кооптированы
для других процессов — например, может стать полезной
репрессия некоторых генов белками сайленсинга («мол-
чащие» локусы типа спаривания). Механизмы сайленсин-
га могут кооптироваться и для других функций, таких как
стимуляция расхождения хромосом. И так далее…
Я жду секвенирования геномов новых организмов,
поскольку это может привести нас к пониманию по-
следовательности эволюционных событий, приведших
к возникновению эпигенетических процессов, которые
мы наблюдаем сегодня. Например, у S. cerevisiae отсут-
ствует аппарат RNAi, но у многих других грибов он есть.
Заполняя некоторые филогенетические пробелы между
видами, мы можем выяснить, какие события привели к
тому, что S. cerevisiae больше не «нуждаются» в этой си-
стеме.
Изучение эпигенетики, возможно, более чем какая-
либо другая область биологических исследований,
основывается на стремлении понять неожиданные на-
блюдения, начиная с мозаицизма, обусловленного эф-
фектом положения, до полярной сверхдоминантности
в фенотипе callipyge (Georges et al., 2004). Надежда по-
нять что-то необычное служит для нас приманкой, но
скоро мы приходим в восторг при виде разумности ис-
пользуемых механизмов. Этим можно объяснить, по-
чему эта область привлекла непропорционально много
веселых и светлых умов. Я подозреваю, что так и будет
продолжаться по мере достижения нами более высоко-
го уровня мастерства и открытия новых и неожиданных
эпигенетических явлений.
Благодарности
Я благодарю моих коллег в Университете Чикаго и
Раковом исследовательском центре Фреда Хатчинсо-
на, которые сделали мои собственные исследования
по эпигенетике столь приятными; я благодарен также
Национальным институтам здоровья за финансовую
поддержку.
Литература
(глава 01):
Abraham J., Feldman J., Nasmyth K.A., Strathern J.N., Klar A.J.,
Broach J.R., and Hicks J.B. 1983. Sites required for positioneffect
regulation of mating-type information in yeast. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 989-998.
Allfrey V.G., Inoue A., Karn J., Johnson E.M., and Vidali
G. 1974. Phosphorylation of DNA-binding nuclear
acidic proteins and gene activation in the HeLa cell
cycle. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 785-801.
Andrulis E.D., Neiman A.M., Zappulla D.C., and Sternglanz
R. 1998. Perinuclear localization of chromatin facilitates
transcriptional silencing. Nature 394: 592-595.
Andrul i s E.D. , Zappul l a D.C., Ans a r i A., Per -
rod S., Laiosa C.V., Gartenberg M.R., and Sternglanz
R. 2002. Esc1, a nuclear periphery protein required for
Sir4-based plasmid anchoring and partitioning. Mol. Cell. Biol.
22: 8292-8301.
Aparicio O.M. and Gottschling D.E. 1994. Overcoming
telomeric silencing: A trans-activator competes
to establish gene expression in a cell cycle-dependent
way. Genes Dev. 8: 1133-1146.
Ariel M., Selig S., Brandeis M., Kitsberg D., Kafri T., Weiss A., Keshet
I., Razin A., and Cedar H. 1993. Allele-specific structures
in the mouse Igf2-H19 domain. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 58: 307-313.
Bell A., Boyes J., Chung J., Pikaart M., Prioleau M.N., Recillas F.,
Saitoh N., and Felsenfeld G. 1998. The establishment of active
chromatin domains. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol 63:
509-514.
Bell S.P., Marahrens Y., Rao H., and Stillman B. 1993. The replicon
model and eukaryotic chromosomes. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 58: 435-442.
Belote J.M., McKeown M.B., Andrew D.J., Scott T.N., Wolfner
M.F., and Baker B.S. 1985. Control of sexual differentiation
in Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 50: 605-614.
Beutler E. 1964. Gene inactivation: The distribution of gene products
among populations of cells in heterozygous humans. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 29: 261-271.
Bird A.P. 1993. Functions for DNA methylation in vertebrates. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 281-285.
Borst P., Gommers-Ampt J.H., Ligtenberg M.J., Rudenko G., Kieft
R., Taylor M.C., Blundell P.A., and van Leeuwen F. 1993. ConЛитература
23
trol of antigenic variation in African trypanosomes. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 105-114.
Brink R.A. 1958. Paramutation at the R locus in maize. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 23: 379-391.
Campbell A. 1981. Some general questions about movable elements
and their implications. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
45: 1-9.
Cattanach B.M. and Kirk M. 1985. Differential activity of maternally
and paternally derived chromosome regions in mice. Nature 315:
496-498.
Cedar H., Stein R., Gruenbaum Y., Naveh-Many T., Sciaky-Gallili
N., and Razin A. 1983. Effect of DNA methylation on gene expression.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 605-609.
Chambon P. 1978. Summary: The molecular biology of the eukaryotic
genome is coming of age. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
42: 1209-1234.
Cheng T.H. and Gartenberg M.R. 2000. Yeast heterochromatin is
a dynamic structure that requires silencers continuously. Genes
Dev. 14: 452-463.
Cheutin T, McNairn A.J., Jenuwein T, Gilbert D.M., Singh P.B., and
Misteli T. 2003. Maintenance of stable heterochromatin domains
by dynamic HP1 binding. Science 299: 721-725.
Clark D., Reitman M., Studitsky V., Chung J., Westphal H., Lee E.,
and Felsenfeld G. 1993. Chromatin structure of transcriptionally
active genes. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 1-6.
Cockell M., Gotta M., Palladino P., Martin S.G., and Gasser S.M.
1998. Targeting Sir proteins to sites of action: A general mechanism
for regulated repression. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 63:401-412.
Cuthbert G.L., Daujat S., Snowden A.W., Erdjument-Bromage H.,
Hagiwara T, Yamada M., Schneider R., Gregory P.D., Tempst
P., Bannister A.J., and Kouzarides T. 2004. Histone deimination
antagonizes arginine methylation. Cell 118: 545-553.
Dion M.F., Altschuler S.J., Wu L.F., and Rando O.J. 2005. Genomic
characterization reveals a simple histone H4 acetylation code.
Proc. Natl. Acad. Sci. 102: 5308-5309.
Doerfler W., Kruczek I., Eick D., Vardimon L, and Kron B. 1983.
DNA methylation and gene activity: The adenovirus system as a
model. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 593-603.
Feinberg A.P., Kalikin L.M., Johnson L.A., and Thompson J.S. 1994.
Loss of imprinting in human cancer. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 59: 357-364.
Fox C.A., Loo S., Rivier D.H., Foss M.A., and Rine J. 1993. A
transcriptional silencer as a specialized origin of replication that
establishes functional domains of chromatin. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 58: 443-455.
Frankel J. 1990. Positional order and cellular handedness. J. Cell
Sci. 97:205-211.
Gartler S.M., and Linder D. 1964. Selection In mammalian mosaic
cell populations. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 29:
253-260.
Gasser S.M., Hediger R., Taddei A., Neumann F.R., and Gartenberg
M.R. 2004. The function of telomere clustering in yeast: The circe
effect. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 327-337.
Georges M., Charlier C, Smit M., Davis E., Shay T., Tordoir X.,
Takeda H., Caiment R, and Cockett N. 2004. Toward molecular
understanding of polar overdominance at the ovine callipyge
locus. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 477-483.
Goldschmidt R.B. 1951. The theory of the gene: Chromosomes and
genes. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16: 1-11.
Haber J.E., Weiffenbach B., Rogers D.T., McCusker J., and Rowe
L.B. 1981. Chromosomal rearrangements accompanying yeast
mating-type switching: Evidence for a gene-conversion model.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 45: 991-1002.
Haig D. 2004. The (dual) origin of epigenetics. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 67.
Henikoff S. 1990. Position-effect variegation after 60 years. Trends
Genet. 6: 422-426.
Henikoff S., McKittrick E., and Ahmad K. 2004. Epigenetics, histone
H3 variants, and the inheritance of chromatin states. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 235-243.
Hernday A.D., Braaten B.A., and Low D.A. 2003. The mechanism
by which DNA adenine methylase and PapI activate the pap
epigenetic switch. Mol. Cell 12: 947-957.
Hodgkin J., Doniach T., and Shen M. 1985. The sex determination
pathway in the nematode Caenorhabditis elegans: Variations on a
theme. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 585-593.
Imai S., Johnson F.B., Marciniak R.A., McVey M., Park P.U., and
Guarente L. 2000. Sir2: An NAD-dependent histone deacetylase
that connects chromatin silencing, metabolism, and aging. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 65: 297-302.
Jenuwein T. and Allis CD. 2001. Translating the histone code. Science
293: 1074-1080.
Klar A.J., and Bonaduce M.J. 1993. The mechanism of fission
yeast mating-type interconversion: Evidence for two types of
epigenet-ically inherited chromosomal imprinted events. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 457-465.
Klar A.J., Hicks J.B., and Strathern J.N. 1981. Irregular transpositions
of mating-type genes in yeast. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 45: 983-990.
Kubicek S. and Jenuwein T. 2004. A crack in histone lysine methylation.
Cell 119: 903-906.
La Volpe A., Taggart ML, Macleod D., and Bird A. 1983. Coupled
demethylation of sites in a conserved sequence of Xenopus
ribosomal DNA. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47:
585-592.
Laroche X., Martin S.G., Gotta M., Gorham H.C., Pryde F.E., Louis
E.J., and Gasser S.M. 1998. Mutation of yeast Ku genes disrupts
the subnuclear organization of telomeres. Curr. Biol. 8: 653-656.
Laurenson P. and Rine J. 1992. Silencers, silencing, and heritable
transcriptional states. Microbiol. Rev. 56: 543-560.
Lewis E.B. 1985. Regulation of the genes of the bithorax complex in
Drosophila. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 155-164.
Li E., Beard C, Forster A.C., Bestor T.H., and Jaenisch R. 1993. DNA
methylation, genomic imprinting, and mammalian development.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 297-305.
Locke J., Kotarski M.A., and Tartof K.D. 1988. Dosage-dependent
modifiers of position effect variegation in Drosophila and a mass
action model that explains their effect. Genetics 120: 181-198.
Lolle S.J., Victor J.L., Young J.M., and Pruitt R.E. 2005. Genomewide
non-mendelian inheritance of extra-genomic information in
Arabidopsis. Nature 434: 505-509.
Losick R. 1998. Summary: Three decades after sigma. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 63: 653-666.
Louie A.J., Candido E.P., and Dixon G.H. 1974. Enzymatic modifications
and their possible roles in regulating the binding of basic
proteins to DNA and in controlling chromosomal structure. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 803-819.
Lyon M.R. 1961. Gene action in the X-chromosome of the mouse
(Mus musculus L.). Nature 190: 372-373.
24 Глава 1. Эпигенетика: от явления к области науки
Lyon M.R. 1961. Epigenetic inheritance in mammals. Trends Genet.
9: 123-128.
Maine E.M., Salz H.K., Schedl P., and Cline T.W. 1985. Sex-lethal,
a link between sex determination and sexual differentiation in
Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
50: 595-604.
Martin-Morris L.E., Loughney K., Kershisnik E.O., Poortinga G.,
and Henikoff S. 1993. Characterization of sequences responsible
for trans-inactivation of the Drosophila brown gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 577-584.
McClintock B. 1951. Chromosome organization and genic expression.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16: 13-47.
McClintock B. 1956. Controlling elements and the gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 21: 197-216.
Megee P.C., Morgan B.A., and Smith M.M. 1995. Histone H4 and
the maintenance of genome integrity. Genes Dev. 9: 1716-1727.
Millar C.B., Kurdistani S.K., and Grunstein M. 2004. Acetylation
of yeast histone H4 lysine 16: A switch for protein interactions
in heterochromatin and euchromatin. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 69: 193-200.
Mirkovitch J., Gasser S.M., and Laemmli U.K. 1987. Relation of
chromosome structure and gene expression. Philos. Trans. R. Soc.
Lond. B Biol. Sci. 317: 563-574.
Mostoslavsky R., Kirillov A., Ji Y.H., Goldmit M., Holzmann M.,
Wirth T., Cedar H., and Bergman Y. 1999. Demethylation and
the establishment of k allelic exclusion. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 64: 197-206.
Muller H.J. 1941. Induced mutations in Drosophila. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 9: 151-167.
Nance W.E. 1964. Genetic tests with a sex-linked marker: Glucose-
6-phosphate dehydrogenase. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 29: 415-425.
Nanney D.L. 1958. Epigenetic factors affecting mating type expression
in certain ciliates. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
23: 327-335.
Nasmyth K.A., Tatchell K., Hall B.D., Astell C., and Smith M. 1981.
Physical analysis of mating-type loci in Saccharomyces cerevisiae.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 45: 961-981.
Palladino F., Laroche T., Gilson E., Pillus L., and Gasser S.M.
1993. The positioning of yeast telomeres depends on SIR3,
SIR4, and the integrity of the nuclear membrane. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 733-746.
Pannetier C., Hu-Li J., and Paul W.E. 1999. Bias in the expression
of IL-4 alleles: The use of T cells from a GFP knock-in mouse.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 64: 599-602.
Peacock W.J., Brutlag D., Goldring E., Appels R., Hinton C.W., and
Lindsley D.L. 1974. The organization of highly repeated DNA
sequences in Drosophila melanogaster chromosomes. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 405-416.
Pillus L. and Rine J. 1989. Epigenetic inheritance of transcriptional
states in S. cerevisiae. Cell 59: 637-647.
Ptashne M. 2004. A genetic switch: Phage lambda revisited, 3rd edition.
Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,
New York.
Renauld H., Aparicio O.M., Zierath P.D., Billington B.L., Chhablani
S.K., and Gottschling D.E. 1993. Silent domains are assembled
continuously from the telomere and are defined by promoter distance
and strength, and by SIR3 dosage. Genes Dev. 7: 1133-1145.
Rine J., Jensen R., Hagen D., Blair L., and Herskowitz I. 1981.
Pattern of switching and fate of the replaced cassette in yeast
mating-type interconversion. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 45: 951-960.
Rubin G.M. 1985. Summary. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
50: 905-908.
Rubin G.M., Hazelrigg T., Karess R.E., Laski F.A., Laverty T., Levis
R., Rio D.C., Spencer F.A., and Zuker C.S. 1985. Germ line
specificity of P-element transposition and some novel patterns
of expression of transduced copies of the white gene. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 329-335.
Rudkin G.T. and Tartof K.D. 1974. Repetitive DNA in polytene
chromosomes of Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 38: 397-403.
Schubeler D., MacAlpine D.M., Scalzo D., Wirbelauer C., Kooperberg
C, van Leeuwen R, Gottschling D.E., O’Neill L.P., Turner
B.M., Delrow J., et al. 2004. The histone modification pattern of
active genes revealed through genome-wide chromatin analysis
of a higher eukaryote. Genes Dev. 18: 1263-1271.
Schultz J. 1956. The relation of the heterochromatic chromosome
regions to the nucleic acids of the cell. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 21: 307-328.
Selker E.U., Richardson G.A., Garrett-Engele P.W., Singer M.J., and
Miao V. 1993. Dissection of the signal for DNA methylation in
the z-h region of Neurospora. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 58: 323-329.
Shapiro L.J. and Mohandas T. 1983. DNA methylation and the
control of gene expression on the human X chromosome. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 47: 631-637.
Shi Y., Lan E., Matson C., Mulligan P., Whetstine J.R., Cole P.A.,
and Casero R.A. 2004. Histone demethylation mediated by the
nuclear amine oxidase homolog LSD1. Cell 119: 941-953.
Si K„ Lindquist S., and Kandel E. 2004. A possible epigenetic
mechanism for the persistence of memory. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 497-498.
Solter D., Aronson J., Gilbert S.F., and McGrath J. 1985. Nuclear
transfer in mouse embryos: Activation of the embryonic genome.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 45-50.
Swift H. 1974. The organization of genetic material in eukaryotes:
Progress and prospects. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.
38: 963-979.
Thompson J.S., Hecht A., and Grunstein M. 1993. Histones and the
regulation of heterochromatin in yeast. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 58: 247-256.
Tilghman S.M., Bartolomei M.S., Webber A.L., Brunkow M.E.,
Saam J., Leighton PA., Pfeifer K., and Zemel S. 1993. Parental
imprinting of the H19 and Igf2 genes in the mouse. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 287-295.
Vazquez J., Farkas G., Gaszner M., Udvardy A., Muller M., Hagstrom
K., Gyurkovics H., Sipos L., Gausz J., Galloni M., et al.
1993. Genetic and molecular analysis of chromatin domains.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 45-54.
Wade P.A., Jones P.L., Vermaak D., Veenstra G.J., Imhof A., Sera
T., Tse C., Ge H., Shi Y.B., Hansen J.C., and Wolffe A.P. 1998.
Histone deacetylase directs the dominant silencing of transcription
in chromatin: Association with MeCP2 and the Mi-2
chromodomain SWI/SNF ATPase. Cold Spring Harbor Symp.
Quant. Biol. 63: 435-445.
Wang Y., Wysocka J., Perlin J.R., Leonelli L., Allis C.D., and
Coonrod S.A. 2004. Linking covalent histone modifications to
epigenetics: The rigidity and plasticity of the marks. Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol. 69: 161-169.
Литература 25
Weintraub H. 1974. The assembly of newly replicated DNA into
chromatin. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38: 247-256.
Weintraub H. 1993. Summary: Genetic tinkering local problems,
local solutions. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 819-
836.
Weintraub H., Flint S.J., Leffak I.M., Groudine M., and Grainger
R.M. 1978. The generation and propagation of variegated chromosome
structures. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 42:
401-407.
Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D., Pierce M.M., Baxa U.,
Brachmann A., and Shewmaker F. 2004a. Prion genetics: New
rules for a new kind of gene. Annu. Rev. Genet. 38: 681-707.
Wickner R.B., Edskes H.K., Ross E.D., Pierce M.M., Shewmaker
P., Baxa U., and Brachmann A. 2004b. Prions of yeast are genes
made of protein: Amyloids and enzymes. Cold Spring Harbor
Symp. Quant. Biol. 69: 489-496.
Willard H.F., Brown C.J., Carrel L., Hendrich B., and Miller A.P.
1993. Epigenetic and chromosomal control of gene expression:
Molecular
and genetic analysis of X chromosome inactivation.
Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 58: 315-322.
Wood W.B., Meneely P., Schedin P., and Donahue L. 1985. Aspects
of dosage compensation and sex determination in Caenorhabditis
elegans. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 575-583.
Yarmolinsky M.B. 1981. Summary. Cold Spring Harbor Symp. Quant.
Biol. 45: 1009-1015.
Zheng C., and Hayes J.J. 2003. Structures and interactions of the
core histone tail domains. Biopolymers 68: 539–546.
Глава 2
Краткая история эпигенетики
Gary Felsenfeld
National Institute of Diabets and Digestive andKidney, National Institute of Heath,
Bethesda, Maryland 20892-0540
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Введение
2. Ключи от генетики и биологии развития
3. Во всех соматических клетках организма ДНК
одинакова
4. Роль метилирования ДНК
5. Роль хроматина
6. Все механизмы взаимосвязаны
Литература
1 В ведение
История эпигенетики связана с исследованиями эво-
люции и развития. Но за последние 50 лет значение
самого термина «эпигенетика» претерпело эволюцию,
сопоставимую с резко возросшим пониманием молеку-
лярных механизмов, лежащих в основе регуляции экс-
прессии генов у эукариот. Наше современное рабочее
определение выглядит следующим образом: «Изучение
митотически и (или) мейотически наследуемых изме-
нений в генной функции, которые нельзя объяснить
изменениями в нуклеотидной последовательности ДНК»
(Riggs et al., 1996). Однако до 1950-х годов слово «эпи-
генетика» использовали в совершенно другом смысле,
для обозначения всех событий развития, ведущих от
оплодотворенной зиготы к зрелому организму, — то
есть всех регуляторных процессов, которые, начиная с
генетического материала, формируют конечный продукт
(Waddington 1953). Эта концепция берет свое начало в
гораздо более ранних исследованиях в области клеточной
биологии и эмбриологии, начиная с конца XIX столетия,
которые заложили фундамент нашего сегодняшнего по-
нимания взаимоотношений между генами и развитием.
Долгое время среди эмбриологов шли горячие споры о
природе и локализации компонентов, ответственных за
реализацию плана развития организма. В своих попытках
осмыслить большое число остроумных, но в конечном
счете противоречивых экспериментов по манипулирова-
нию с клетками и зародышами эмбриологи разделились
на две школы: на тех, кто думал, что каждая клетка со-
держит преформированные элементы, которые в ходе
развития лишь увеличиваются в размерах, и тех, кто
полагал, что этот процесс включает химические реакции
между растворимыми компонентами, которые и реали-
зуют сложный план развития. Эти воззрения сфокусиро-
вались на относительном значении ядра и цитоплазмы в
процессе развития. Вслед за открытием существования
хромосом, сделанным Флемингом в 1879 году, опыты,
проведенные многими исследователями, в том числе
Вильсоном и Бовери, дали надежное доказательство
того, что программа развития находится в хромосомах. В
конечном счете Томас Гент Морган (Morgan, 1911) при-
вел наиболее убедительные доказательства этой идеи,
продемонстрировав генетическое сцепление нескольких
генов Drosophila с Х-хромосомой.
Начиная с этого момента, был достигнут быстрый
прогресс в создании линейных карт хромосом, в кото-
рых отдельные гены были локализованы в специфиче-
ских сайтах на хромосомах Drosophila (Sturtevant, 1913).
Конечно, оставались без ответа классические вопросы
«эпигенеза»: какие молекулы внутри хромосом несут
генетическую информацию, каким образом они на-
правляют программу развития и как эта информация
передается при клеточном делении. Было известно, что
в хромосомах присутствуют и нуклеиновая кислота, и
белки, но их относительный вклад не был очевиден; ко-
нечно, никто не верил, что нуклеиновая кислота одна
может нести всю информацию о развитии. Более того,
оставались более старые вопросы о возможном вкладе
цитоплазмы в процессы развития. Данные генетики
Drosophila (см. ниже) заставляли считать, что насле-
дуемые изменения в фенотипе могут происходить без
соответствующих изменений в «генах». Характер этих
дискуссий резко изменился, когда ДНК была иден-
тифицирована как основной носитель генетической
3. Во всех соматических клетках организма ДНК одинакова 27
информации. В конечном счете оказалось полезным
переопределить эпигенетику таким образом, чтобы раз-
личать те наследуемые изменения, которые возникают
в результате изменений в нуклеотидной последователь-
ности ДНК, и те, которые с ними не связаны.
2 К лючи от генетики и развития
Что бы ни происходило с этим определением, с начала
20-го столетия неуклонно накапливались идеи и научные
данные, лежащие в основе современного понятия «эпиге-
нетика». В 1930 году Герман Мёллер (Muller, 1930) описал
у Drosophila класс мутаций, которые он назвал «eversporting
displacements» («eversporting» в данном случае обозна-
чает высокую частоту фенотипического изменения). Эти
мутанты были связаны с хромосомными транслокациями
(displacements), но «даже тогда, когда все части хромати-
на, по всей видимости, были представлены в нормальной
дозе — хотя и были ненормально расположены отно-
сительно друг друга, — фенотипический результат не
всегда был нормальным». В некоторых из этих случаев
Мёллер наблюдал мух, у которых были пятнистые глаза.
Он думал, что это, вероятно, обусловлено «генетическим
разнообразием различных клеток, формирующих глаз»,
но дальнейший генетический анализ привел его к тому,
чтобы связать необычные свойства с хромосомной пере-
стройкой; он сделал вывод, что «с этим как-то связаны,
скорее, хромосомные участки, влияющие одновременно
на различные признаки, чем отдельные гены или гипо-
тетические ”генные элементы”». На протяжении после-
дующих 10–20 лет убедительные данные, полученные во
многих лабораториях (см. Hannah, 1951), подтвердили,
что эта пятнистость, мозаичность возникает тогда, когда
перестройки ставят рядом ген белых глаз и гетерохрома-
тиновые районы.
В течение этого периода хромосомные перестройки
всех типов были объектом огромного внимания. Было
очевидно, что гены не являются полностью независи-
мыми сущностями; на их функционирование может
влиять их локализация в геноме — как было многократ-
но продемонстрировано на многих мутантах Drosophila,
которые приводили к мозаицизму, а также на других му-
тантах, связанных с транслокациями в эухроматиновые
районы, у которых можно было наблюдать эффекты
положения более общего типа (не мозаичного). Стала
также ясной — главным образом благодаря работам
МакКлинток (McClintock, 1965) — роль перемещаемых
элементов в генетике растений.
Вторая линия доказательств берет свое начало в ис-
следованиях процессов развития. Было очевидно, что во
время развития имеет место дивергенция фенотипов сре-
ди дифференцирующихся клеток и тканей, и оказалось,
что такие различные особенности фенотипа, однажды
установившись, могут клонально наследоваться делящи-
мися клетками. Хотя на этом этапе стало понятно, что
существует клеточноспецифичное программирование и
что оно может быть передано дочерним клеткам, было не
столь очевидно, каким образом это происходит.
Был придуман и рассмотрен целый ряд механизмов.
В частности, для исследователей-биохимиков клетка
характеризовалась многочисленными взаимозависи-
мыми биохимическими реакциями, которые поддер-
живают её идентичность. Например, в 1949 году Макс
Дельбрюк (Delbrück, цит. в Jablonka and Lamb, 1995)
предположил, что простая пара биохимических цепей
реакций, каждая из которых продуцирует в качестве
промежуточного вещества ингибитор другого пути,
могла бы в результате давать систему, способную пере-
ключаться между двумя устойчивыми состояниями.
Несколько позже были обнаружены реальные примеры
таких систем — в Lac-опероне Escherichia coli (Novick
and Weiner, 1957) и в переключении фага между лизоген-
ным и литическим состояниями (Ptashne, 1992). Функ-
ционально эквивалентные модели можно придумать и
для эукариот. Предметом живого интереса и дискуссий
был, конечно, сравнительный вклад ядра и цитоплазмы
в передачу дифференцированного состояния в развива-
ющемся эмбрионе; самостабилизирующаяся цепь био-
химических реакций предположительно должна была
поддерживаться при делении клетки. Второй тип эпи-
генетической передачи был четко продемонстрирован
у Paramecium и других инфузорий, у которых картина
расположения ресничек могла варьировать у отдельных
особей и наследоваться клонально (Beisson and Sonneborn,
1965). Результатом изменения этого кортикаль-
ного паттерна с помощью микрохирургии была пере-
дача нового паттерна последующим поколениям. Было
высказано предположение, что сходные механизмы ра-
ботают и у многоклеточных организмов, у которых ло-
кальные цитоплазматические детерминанты влияют на
организацию клеточных компонентов таким образом,
что эта организация может передаваться при клеточном
делении (Grimes and Aufderheide, 1991).
3 В о всех соматических клетках
организма ДНК одинакова
Хотя морфология хромосом показывала, что все сома-
тические клетки обладают полным набором хромосом,
было далеко не очевидно, что все соматические клетки
сохраняют полный набор ДНК, присутствующий в
оплодотворенном яйце. Не было даже ясно, вплоть до
работ Эвери, МакЛеода и МакКарти в 1944 году (Avery
et al., 1944) и Херши и Чейза (Hershey and Chase, 1952),
что свободная от белков молекула ДНК может нести
генетическую информацию; последний вывод получил
очень сильную поддержку, когда в 1953 году Уотсон и
Крик (Watson and Crick, 1953) расшифровали структуру
ДНК. Работы Бриггса и Кинга (Briggs and King, 1952)
на Rana pipiens и Ласки и Гёрдона (Laskey and Gurdon,
1970) на Xenopus продемонстрировали, что результатом
введения ядра из ранних эмбриональных клеток в дену-
клеированные ооциты может быть развитие эмбриона.
Но даже в 1970 году Ласки и Гёрдон могли говорить, что
«предстоит еще доказать, что соматические клетки взрос-
лого животного имеют гены помимо тех, которые необ-
ходимы для их собственного роста и дифференцировки».
В статье, содержавшей это утверждение, они продолжали
показывать, что в первом приближении ДНК ядра со-
матической клетки при введении в денуклеированную
28 Глава 2. Краткая история эпигенетики
яйцеклетку способна направлять эмбриогенез. Теперь
было ясно, что программа развития и специализация
репертуара экспрессии, наблюдаемая в соматических
клетках, должны включать сигналы, которые не являются
результатом какой-то делеции или мутации в нуклеотид-
ной последовательности ДНК зародышевого пути, когда
эта ДНК передается соматическим клеткам.
Конечно, существуют способы, посредством кото-
рых ДНК соматических клеток может стать отличаю-
щейся от ДНК зародышевого пути с соответствующими
последствиями для фенотипа клетки: например, как
показали работы Барбары МакКлинток и других гене-
тиков растений, мобильные элементы могут изменять
картину экспрессии в соматических клетках. Аналогич-
ным образом, генерация разнообразия антител связана
с перестройками ДНК в линии соматических клеток.
Эта перестройка (или, точнее, ее последствия) могут
рассматриваться как своего рода эпигенетическое со-
бытие, сопоставимое с ранними наблюдениями эффек-
та положения мозаичного типа, описанного Мёллером.
Однако значительная часть работ по эпигенетике в по-
следние годы была сосредоточена на системах, в кото-
рых не происходило никаких перестроек ДНК, и, следо-
вательно, акцент делался на модификациях оснований
и на белках, образующих комплексы с ДНК в ядре.
4 Р оль метилирования ДНК
Инактивация Х-хромосомы явилась одной из первых
моделей эпигенетического механизма этого рода (Ohno et
al., 1959; Lyon, 1961); в соматических клетках «молчащая»
Х-хромосома явно выбиралась случайным образом, и не
было никаких данных об изменениях в самой нуклеотид-
ной последовательности ДНК. Отчасти для объяснения
этого типа инактивации Риггс (Riggs, 1975) и Холлидей
и Пью (Holliday and Pugh, 1975) предположили, что в
качестве эпигенетической метки могло бы выступать
метилирование ДНК. Ключевыми моментами этой моде-
ли были представления о том, что сайты метилирования
являются палиндромными и что за метилирование не-
модифицированной ДНК и ДНК, уже метилированной
по одной нити, отвечают разные ферменты. Постули-
ровали, что первое событие метилирования происходит
значительно труднее, чем второе; однако, коль скоро
первая нить модифицирована, комплементарная нить
будет быстро модифицирована в том же палиндромном
сайте. Метильная метка, имевшаяся на родительской
нити, после репликации могла бы копироваться на до-
чернюю нить, и в результате происходила бы надежная
передача метилированного состояния следующему поко-
лению. Вскоре после этого Берд воспользовался тем, что
главной мишенью метилирования у животных является
последовательность CpG (Doskocil and Sorm, 1962), для
того чтобы предложить использовать чувствительные к
метилированию ферменты рестрикции как способ вы-
явления метилированного состояния. Последующие ис-
следования (Bird, 1978; Bird and Southern, 1978) показали
затем, что эндогенные сайты CpG были либо полностью
неметилированы, либо полностью метилированы. Пред-
сказания, сделанные на основе этой модели, были, таким
образом, подтверждены; тем самым был установлен
механизм эпигенетической передачи метильной метки
посредством полуконсервативного воспроизведения
картины метилирования.
В годы, последовавшие за этими открытиями, огром-
ное внимание было уделено эндогенным паттернам ме-
тилирования ДНК, возможной передаче этих паттернов
через зародышевый путь, роли метилирования ДНК в
сайленсинге генной экспрессии, возможным механиз-
мам инициации или ингибирования метилирования в
полностью неметилированном сайте и идентификации
энзимов, ответственных за метилирование de novo и за
поддержание метилирования на уже метилированных
сайтах. Хотя значительный объем метилирования ДНК,
наблюдаемый у позвоночных, связан с повторяющими-
ся и ретровирусными последовательностями и может
служить для поддержания этих последовательностей в
перманентно «молчащем» состоянии, не может быть
никаких сомнений в том, что во многих случаях эта мо-
дификация обеспечивает основу для эпигенетической
передачи состояния генной активности. Наиболее четко
это продемонстрировано на таких импринтированных
локусах (Cattanach and Kirk, 1985), как локус Igf2/H19
мыши или человека, где одна аллель маркирована мети-
лированием ДНК, которое в свою очередь контролирует
экспрессию с обоих генов (Bell and Felsenfeld, 2000; Hark
et al., 2000). В то же самое время было ясно, что это не
может быть единственным механизмом для эпигенети-
ческой передачи информации. Например, как отмечено
выше, эффект положения мозаичного типа наблюдали
за много лет до этого у Drosophila —организма, который
обладает крайне низким уровнем метилирования ДНК.
Более того, в последующие годы генетики, работавшие
с Drosophila, идентифицировали группы генов Polycomb
и Trithorax, которые, по-видимому, участвуют в посто-
янном «запирании» («locking in») состояния активности
кластеров генов в ходе развития (либо «выключеного»,
либо «включенного», соответственно). Тот факт, что эти
состояния стабильно передавались в ходе клеточного
деления, позволял предполагать, что в основе этого ле-
жит эпигенетический механизм.
5 Р оль хроматина
Многие годы признавалось, что белки, связанные с ДНК
в эукариотном ядре, особенно гистоны, могут участвовать
в модификации свойств ДНК. Задолго до начала работ по
метилированию ДНК Стедман и Стедман (Stedman and
Stedman, 1950) предположили, что гистоны могут дей-
ствовать как общие репрессоры экспрессии генов. Они
писали, что поскольку все соматические клетки организ-
ма имеют одно и то же число хромосом, они имеют оди-
наковый генетический набор (хотя, как отмечается выше,
это оставалось не доказанным еще несколько лет). По-
нимание тонкой природы модификаций гистонов было
в далекой перспективе, так что Стедманы оперировали
предположением, что разные типы клеток в организме,
чтобы генерировать наблюдаемые различия в фенотипе,
должны обладать различными типами гистонов. Гистоны
действительно могут снижать содержание транскриптов
5. Роль хроматина 29
до уровней гораздо ниже тех, что наблюдаются для не-
активных генов у прокариот. Последующая работа была
направлена на способность хроматина служить матрицей
для транскрипции и на решение вопроса о том, ограни-
чена ли эта способность специфичным для клеточного
типа образом. В работе 1963 года Боннер (Bonner et al.,
1963) приготовил хроматин из продуцирующей глобулин
ткани растения гороха и показал, что, когда добавляли
РНК-полимеразу из E. coli и получающийся в результате
транскрипт транслировали в системе in vitro, можно было
выявить глобулин. Такой результат был специфичен для
данной ткани. С пришествием методов гибридизации в
таких экспериментах in vitro можно было исследовать
популяции транскриптов (Paul and Gilmour, 1968); они
оказались специфичными для той конкретной ткани,
из которой был получен хроматин. Другие результаты
позволяли предполагать, что эта специфичность от-
ражает ограничения в доступе к сайтам инициации
транскрипции (Cedar and Felsenfeld, 1973). Тем не менее,
был период, когда все полагали, что гистоны являются
супрессорными белками, которые пассивно подавляют
экспрессию генов. С этой точки зрения, активация гена
означает просто «сдирание» с него гистонов; считалось,
что коль скоро это сделано, транскрипция будет осущест-
вляться почти как у прокариот. Имелись, однако, неко-
торые данные о том, что в эукариотических клетках нет
более или менее протяженных районов открытой ДНК
(Clark and Fesenfeld, 1971). Более того, даже если модель
«голой» ДНК является правильной, было неясно, каким
образом принимается решение о том, какие из покрытых
гистонами участков должны быть очищены.
Решение этой проблемы началось еще в 1964 году,
когда Олфри (Allfrey et al., 1964) высказал спекулятив-
ное соображение, что с активацией генов могло бы кор-
релировать ацетилирование гистонов и что «активный»
хроматин не обязательно должен быть лишен гистонов.
В последующее за этим десятилетие наблюдался огром-
ный интерес к изучению взаимоотношений между мо-
дификациями гистонов и экспрессией генов. Были
идентифицированы иные, чем ацетилирование, моди-
фикации (метилирование и фосфорилирование), но их
функциональное значение оставалось неясным. Иссле-
довать эту проблему стало гораздо легче после откры-
тия Корнбергом и Томасом (Kornberg and Thomas, 1974)
структуры нуклеосомы, фундаментальной субъедини-
цы хроматина. Определение кристаллической струк-
туры нуклеосомы, сначала с разрешением 7 Å, а потом
с разрешением 2.8 Å также дало важную структурную
информацию, в частности данные о вытягивании ами-
нотерминальных «хвостов» гистонов за пределы кора
«ДНК — белковый октамер», что делало очевидной их
доступность для модификаций (Richmond et al., 1984;
Luger et al., 1997). Начав в 1980 году и продолжив свои
исследования на протяжении еще нескольких лет, Грун-
штейн (Grunstein) и его сотрудники (Wallis et al., 1980;
Durrin et al., 1991), применив генетический анализ на
дрожжах, смогли показать, что аминотерминальные
«хвосты» гистонов имеют важное значение для регуля-
ции экспрессии генов и для формирования «молчащих»
доменов хроматина.
Окончательная привязка к детальным механизмам
началась с того, что Эллис (Allis) (Brownell et al., 1996)
показал, что ацетилтрансфераза гистонов из Tetrahymena
гомологична регулятору транскрипции у дрожжей,
белку Gcn5; это явилось прямым доказательством того,
что ацетилирование гистонов связано с контролем экс-
прессии генов. С тех пор, конечно, произошел букваль-
но взрыв открытий модификаций гистонов, а также пе-
реоценка роли тех из них, которые уже были известны
прежде.
Все это еще не было ответом на вопрос о том, каким
образом сайты для модификации выбираются in vivo.
Было показано, например (Pazin et al., 1994), что Gal4-
VP16 может активировать транскрипцию с реконструи-
рованной хроматиновой матрицы зависимым от АТФ
образом. Активация сопровождалась репозициониро-
ванием нуклеосом, и было высказано предположение,
что это является критическим событием в обеспечении
доступности промотора. Для более полного понимания
значения этих открытий потребовалась идентификация
АТФ-зависимых комплексов ремоделинга нуклеосом,
таких как SWI/SNF и NURF (Peterson and Herskowitz,
1992; Tsuiyama and Wu, 1995), и понимание того, что в
подготовке хроматиновой матрицы к транскрипции
участвуют и модификации гистонов, и ремоделинг ну-
клеосом.
Оставалось неясным, каким образом, с использова-
нием этих механизмов, информация о состоянии актив-
ности могла бы передаваться при клеточном делении;
была, таким образом, неясна их роль в эпигенетической
передаче информации. Следующим важным шагом ста-
ло понимание того, что модифицированные гистоны
рекрутируют, специфичным в отношении данной мо-
дификации образом, белки, которые могут влиять на
локальные структурные и функциональные состояния
хроматина. Было, например, обнаружено, что метили-
рование лизина 9 в гистоне Н3 приводит к рекрутирова-
нию белка НР1 гетерохроматина (Bannister et al., 2001;
Lachner et al., 2001; Nakayama et al., 2001). Более того,
НР1 мог рекрутировать энзим (Suv39h1), отвечающий
за метилирование. Это привело к созданию модели вос-
произведения сайленсированного состояния хромати-
на по всему данному участку посредством процессив-
ного [processive] механизма (рис. 1а). В равной степени
важно, что это обеспечило разумное объяснение того,
каким образом это состояние может быть передано и
сохранено в цикле репликации (рис. 1b). Были пред-
ложены аналогичные механизмы для воспроизведения
активного состояния, включающие метилирование ли-
зина 4 в гистоне Н3 и рекрутирование белков группы
Trithorax (Wysocka et al., 2005).
Были предложены различные типы механизмов вос-
произведения, которые зависели не от модифициро-
ванных, а от вариантных гистонов (Ahmad and Henikoff,
2002; McKittrick et al., 2004). Гистон Н3 включается в
хроматин только во время репликации ДНК. Напротив,
вариант этого гистона, Н3.3, отличающийся от Н3 че-
тырьмя аминокислотами, включается в нуклеосомы не
зависящим от репликации образом и имеет тенденцию
накапливаться в активном хроматине, где он обогащает-
30 Глава 2. Краткая история эпигенетики
нить А
нить В
нить А нить В
репликация
ДНК
поддерживающее
метилирование
ДНК
а. b.
ся «активными» модификациями гистонов (McKittrick
et al., 2004). Предположили, что для поддержания ак-
тивного состояния достаточно присутствия Н3.3 и что
после репликации остается достаточно Н3.3 для под-
держания активного состояния, хотя он и разбавляется
вдвое. Последующая транскрипция приводила бы к за-
мещению нуклеосом, содержащих Н3, вариантом Н3.3,
воспроизводя таким образом это активное состояние в
следующем поколении.
6 В се механизмы
взаимосвязаны
В этих моделях в конечном счете начала замыкаться связь
между модифицированными или вариантными гистона-
ми, активацией специфических генов и эпигенетикой,
хотя, конечно, многое еще остается сделать. В то время
как эти механизмы дают нам какие-то представления
о том, как состояние гетерохроматина может поддер-
живаться, они не объясняют, каким образом структуры
«молчащего» хроматина устанавливаются впервые.
Лишь недавно стало ясно, что это связано с продукцией
РНК-транскриптов, особенно с повторяющихся по-
следовательностей, которые подвергаются процессингу
в малые РНК благодаря действию таких белков, как
Dicer, Argonaute и РНК-зависимая РНК-полимераза.
Впоследствии эти РНК рекрутируются в гомологич-
ные сайты ДНК как часть комплексов, включающих
компоненты группы белков Polycomb, инициируя та-
ким образом формирование гетерохроматина. Сейчас
имеются также данные о том, что для поддержания по
крайней мере некоторых гетерохроматиновых районов
требуются те же механизмы. В известном смысле эти
устойчивые циклические цепи реакций напоминают
предложенную Дельбрюком модель 50-летней давности —
модель устойчивого биохимического цикла, поддержи-
вающего данное состояние организма.
Мы знаем теперь бесчисленные примеры эпиге-
нетических механизмов, работающих в организме.
Кроме импринтинга во многих локусах и описанной
выше аллель-специфичной и случайной инактива-
ции Х-хромосомы существуют эпигенетические явле-
ния, связанные с экспрессией антител, где селективно
подавляется перестройка генов иммуноглобулина в
одной хромосоме, и с выбором для экспрессии генов
рецепторов индивидуальных одорантов в обонятель-
ных нейронах (Chess et al., 1994; Shykind et al., 2004).
У Drosophila гены группы Polycomb ответственны за
установление домена «молчащего» хроматина, кото-
рый поддерживается на протяжении всех последующих
клеточных делений. Эпигенетические изменения от-
вечают также за парамутации у растений, при которых
одна аллель может вызывать наследуемое изменение
в экспрессии гомологичной аллели (Stam et al., 2002).
Это пример эпигенетического состояния, которое
наследуется как митотически, так и мейотически —
феномен, хорошо документированный у растений, но
лишь изредка встречающийся у животных (Jorgensen,
Рис. 1. Механизмы поддержания паттерна метилирования ДНК и модификаций гистонов в ходе репликации ДНК
(а) Механизм поддержания паттерна метилирования ДНК в ходе репликации ДНК. Во время репликации отдельные нити ДНК,
со специфическим паттерном метилирования в остатках CpG или CpXpG, спариваются с нитью вновь синтезированной, не-
метилированной ДНК. CpG на одной нити имеет соответствующий CpG на другой. Поддерживающая ДНК-метилтрансфераза
распознает полуметилированный сайт и метилирует цитозин на новой нити, так что паттерн метилирования не нарушается. (b)
Общий механизм для поддержания модификаций гистонов в ходе репликации. Модифицированный гистоновый «хвост» (m)
взаимодействует со белком-связкой (pb — a protein binder), имеющим сайт связывания, специфичный для данной модификации.
pb, в свою очередь, имеет специфический сайт для энзима (е), который выполняет эту модификацию гистона. е, в свою очередь,
может затем модифицировать соседнюю нуклеосому. Во время репликации вновь откладывающиеся гистоны, которые переме-
жаются с родительскими гистонами, могут таким образом приобретать данную родительскую модификацию. Сходный механизм
мог бы обеспечить воспроизведение, распространение модификаций гистонов с модифицированного на немодифицированный
участок на любой стадии клеточного цикла.
Литература 31
1993). Значительная часть доказательств существова-
ния описанных выше механизмов получена в работах
по сайленсированию локуса типа спаривания и цен-
тромерных последовательностей у Schizosaccharomyces
pombe (Hall et al., 2002). Кроме того, было показано, что
структура конденсированного хроматина, характерная
для центромер у таких разных организмов, как мухи и
люди, может быть передана через ассоциированные с
центромерой белки, а не через нуклеотидную последо-
вательность ДНК. Во всех этих случаях нуклеотидная
последовательность ДНК остается интактной, но ее
способность к экспрессии подавляется. Весьма вероят-
но, что во всех случаях это опосредуется метилировани-
ем ДНК, модификациями гистонов или обоими этими
механизмами; в некоторых случаях мы уже знаем, что
это действительно так. Наконец, представление об
эпигенетической передаче кортикальных «паттернов»,
описанных выше для парамеций, распространилось те-
перь на прионные белки, которые поддерживают и вос-
производят свое альтернативное состояние фолдинга в
дочерних клетках.
Хотя все это было представлено в виде последова-
тельного рассказа, более правильным был бы взгляд
на эти события как на ряд параллельных и перекры-
вающихся попыток определить и объяснить эпигене-
тические явления. Определение термина «эпигенети-
ка» изменилось, но вопросы относительно механизмов
развития, поставленные более ранними поколениями
ученых, остались прежними. Современная эпигенети-
ка все еще обращается к этим центральным вопросам.
Семьдесят лет прошло с тех пор, как Мёллер описал
явление, называемое сейчас эффектом положения мо-
заичного типа. Доставляет удовольствие проследить
этот медленный прогресс от наблюдения фенотипов,
через элегантные генетические исследования, к совре-
менному анализу и решению проблем на молекулярном
уровне. Вместе с этими знаниями пришло понимание
того, что в действительности эпигенетические меха-
низмы могут отвечать за значительную часть фенотипа
сложных организмов. Как нередко случается, наблюде-
ние, показавшееся вначале хотя и интересным, но, воз-
можно, маргинальным по отношению к главным про-
блемам, оказывается центральным, хотя для осознания
этого может понадобиться много времени.
Литература
Ahmad K. and Henikoff S. 2002. The histone variant H3.3 marks active
chromatin by replication-independent nucleosome assembly.
Mol. Cell. 9: 1191-1200.
Allfrey V.G., Faulkner R., and Mirsky A.E. 1964. Acetylation and
methylation of histones and their possible role in the regulation
of RNA synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 51: 786-794.
Avery O.T., MacLeod CM., and McCarty M. 1944. Studies on the
chemical nature of the substance inducing transformation of
pneumococcal types. J. Exp. Med. 79: 137-158.
Bannister A., Zegerman P., Partridge J., Miska E., Thomas J., Allshire
R., and Kouzarides T. 2001. Selective recognition of methylated
lysine 9 on histone H3 by the HP1 chromo domain. Nature 410:
120-124.
Beisson J. and Sonneborn T.M. 1965. Cytoplasmic inheritance of
the organization of the cell cortex in Paramecium aurelia. Proc.
Natl. Acad. Sci. 53: 275-282.
Bell A.C. and Felsenfeld G. 2000. Methylation of a CTCF-dependent
boundary controls imprinted expression of the Igf2 gene. Nature
405: 482-485.
Bird A.P. 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA
methylation. II. The symmetry of methylated sites supports
semi-conservative copying of the methylation pattern. J. Mol.
Biol. 118: 49-60.
Bird A.P. and Southern E.M. 1978. Use of restriction enzymes to
study eukaryotic DNA methylation. I. The methylation pattern in
ribosomal DNA from Xenopus laevis. J. Mol. Biol. 118: 27-47.
Bonner J., Huang R.C., and Gilden R.V. 1963. Chromosomally
directed protein synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 50: 893-900.
Briggs R. and King T.J. 1952. Transplantation of living nuclei from
blastula cells into enucleated frogs’ eggs. Proc. Natl. Acad. Sci.
38: 455-463.
Brownell J.E., Zhou J., Ranalli T, Kobayashi R., Edmondson D.G.,
Roth S.Y., and Allis C.D. 1996. Tetrahymena histone acetyltransferase
A: A homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation
to gene activation. Cell 84: 843-851.
Cattanach B.M. and Kirk M. 1985. Differential activity of maternally
and paternally derived chromosome regions in mice. Nature 315:
496-498.
Cedar H. and Felsenfeld G. 1973. Transcription of chromatin in vitro.
J. Mol. Biol. 77: 237-254.
Chess A., Simon I., Cedar H., and Axel R. 1994. Allelic inactivation
regulates olfactory receptor gene expression. Cell 78: 823-834.
Clark R.J. and Felsenfeld G. 1971. Structure of chromatin. Nat. New
Biol. 229: 101-106.
Doskocil J. and Sorm F. 1962. Distribution of 5-methylcytosine in
pyrimidine sequences of deoxyribonucleic acids. Biochim. Biophys.
Acta 55: 953-959.
Durrin L.K., Mann R.K., Kayne P.S., and Grunstein M. 1991. Yeast
histone H4 N-terminal sequence is required for promoter activation
in vivo. Cell 65: 1023-1031.
Grimes G.W. and Aufderheide K.J. 1991. Cellular aspects of pattern
formation:
The problem of assembly. Monogr. Dev. Biol.
22: 1–94.
Hall I.M., Shankaranarayana C.D., Noma K., Ayoub N., Cohen
A., and Grewal S.I. 2002. Establishment and maintenance of a
heterochromatin
domain. Science 297: 2215-2218.
Hannah A. 1951. Localization and function of heterochromatin in
Drosophila melanogaster. Adv. Genet. 4: 87-125.
Hark A.T., Schoenherr C.J., Katz D.J., Ingram R.S., Levorse J.M.,
and Tilghman S.M. 2000. CTCF mediates methylation-sensitive
enhancer-blocking activity at the H19/Igf2 locus. Nature 405:
486-489.
Hershey A.D. and Chase M. 1952. Independent functions of viral
protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. J. Gen.
Physiol. 36: 39-56.
Holliday R. and Pugh J.E. 1975. DNA modification mechanisms and
gene activity during development. Science 187: 226-232.
Jablonka E. and Lamb M.J. 1995. Epigenetic inheritance and evolution:
The Lamarckian dimension. Oxford University Press, New
York, p. 82.
Jorgensen R. 1993. The germinal inheritance of epigenetic information
in plants. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 339:
173-181.
32 Глава 2. Краткая история эпигенетики
Kornberg R.D. and Thomas J.O. 1974. Chromatin structure; oligomers
of the histones. Science 184: 865-868.
Lachner M., O’Carroll D., Rea S., Mechtler K., and Jenuwein T.
2001. Methylation of histone H3 lysine 9 creates a binding site
for HP1 proteins. Nature 410: 116-120.
Laskey R.A. and Gurdon J.B. 1970. Genetic content of adult somatic
cells tested by nuclear transplantation from cultured cells. Nature
228: 1332-1334.
Luger K., Mader A.W., Richmond R.K., Sargent D.F., and Richmond
T.J. 1997. Crystal structure of the nucleosome core particle
at 2.8 Å resolution.
Nature 389: 251-260.
Lyon M.F. 1961. Gene action in the X-chromosome of the mouse.
Nature 190: 372-373.
McClintock B. 1965. The control of gene action in maize. Brookhaven
Symp. Biol. 18: 162-184.
McKittrick E., Gafken P.R., Ahmad K., and Henikoff S. 2004. Histone
H3.3 is enriched in covalent modifications associated with
active chromatin. Proc. Natl. Acad. Sci. 101: 1525-1530.
Morgan T. 1911. An attempt to analyze the constitution of the chromosomes
on the basis of sex-linked inheritance in Drosophila. J.
Exp. Zool. 11: 365-414. Muller H.J. 1930. Types of visible variations
induced by X-rays in Drosophila. J. Genet. 22: 299-334.
Nakayama J., Rice J.C., Strahl B.D., Allis C.D., and Grewal S.I.
2001. Role of histone H3 lysine 9 methylation in epigenetic
control of heterochromatin assembly. Science 292: 110-113.
Novick A. and Weiner M. 1957. Enzyme induction as an all-or-none
phenomenon. Proc. Natl. Acad. Sci. 43: 553-566.
Ohno S., Kaplan W.D., and Kinosita R. 1959. Formation of the
sex chromatin by a single X-chromosome in liver cells of Rattus
norvegicus. Exp. Cell Res. 18: 415-418.
Paul J. and Gilmour R.S. 1968. Organ-specific restriction of transcription
in mammalian chromatin. J. Mol. Biol. 34: 305-316.
Pazin M.J., Kamakaka R.T., and Kadonaga J.T. 1994. ATP-dependent
nucleosome reconfiguration and transcriptional activation from
preassembled chromatin templates. Science 266: 2007-2011.
Peterson C.L. and Herskowitz I. 1992. Characterization of the yeast
SWI1, SWI2, and SWI3 genes, which encode a global activator
of transcription. Cell 68: 573-583.
Ptashne M. 1992. A genetic switch: Phage l and higher organisms,
2nd edition. Blackwell Science, Maiden, Massachusetts and Cell
Press, Cambridge, Massachusetts.
Richmond T.J., Finch J.T., Rushton B„ Rhodes D., and Klug A.
1984. Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution.
Nature 311:532-537.
Riggs A.D. 1975. X inactivation, differentiation, and DNA methylation.
Cytogenet. Cell Genet. 14: 9-25.
Riggs A.D. and Porter T.N. 1996. Overview of epigenetic mechanisms.
In Epigenetic mechanisms of gene regulation (ed. V.E.A. Russo
et al.), pp. 29-45. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold
Spring Harbor,
New York.
Riggs A.D., Martienssen R.A., and Russo V.E.A. 1996. Introduction.
In Epigenetic mechanisms of gene regulation (ed. V.E.A. Russo et
al.), pp. 1-4. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring
Harbor, New York.
Shykind B.M., Rohani S.C., O’Donnell S., Nemes A., Mendelsohn
M., Sun Y., Axel R., and Barnea G. 2004. Gene switching and the
stability
of odorant receptor gene choice. Cell 117: 801 -815.
Stam M., Belele C, Dorweiler J., and Chandler V. 2002. Differential
chromatin structure with a tandem array 100 kb upstream of the
maize bl locus is associated with paramutation. Genes Dev. 16:
1906-1918.
Stedman E. and Stedman E. 1950. Cell specificity of histones. Nature
166: 780-781.
Sturtevant A. 1913. The linear arrangement of six sex-linked factors
in Drosophila, as shown by their mode of association. J. Exp.
Zool. 14: 43-59.
Tsukiyama T. and Wu C. 1995. Purification and properties of an ATPdependent
nucleosome remodeling factor. Cell 83: 1011-1020.
Waddington C.H. 1953. Epigenetics and evolution. Symp. Soc. Exp.
Biol. 7: 186-199.
Wallis J.W., Hereford L., and Grunstein M. 1980. Histone H2B genes
of yeast encode two different proteins. Cell 22: 799-805.
Wysocka J., Swigut T., Milne T. Dou Y., Zhang X., Burlingame A.,
Roeder R., Brivanlou A., and Allis CD. 2005. WDR5 associates
with histone H3 methylated at K4 and is essential for H3 K4
methylation and vertebrate development. Cell 121: 859-872.