Возрастные изменения в эпигенетических метках на ДНК обусловлены мутациями в генетическом тексте.

С возрастом в ДНК накапливаются разнообразные мутации. Они возникают как по внешним причинам (вещества-мутагены, ультрафиолетовое излучение и т. д.), так и по внутренним (клетки при делении должны копировать ДНК, а копировальный аппарат неизбежно совершает ошибки, пусть и редко). Мутации должны исправлять молекулярные системы репарации ДНК, но и они работают не со стопроцентной эффективностью. Возрастные изменения в ДНК-последовательности можно назвать генетическими часами, которые могут идти быстрее или медленнее: проанализировав ДНК, можно узнать биологический возраст организма.

(Иллюстрация: swiftsciencewriting / Pixabay.com) 

Ещё на ДНК есть так называемые эпигенетические метки в виде метильных групп –СН₃­. Эти метки позволяют надолго изменить активность определённого участка ДНК (или, проще говоря, гена), подгоняя её под долгоиграющие условия среды. Иными словами, эпигенетические метки представляют собой регуляторный инструмент, рассчитанный на очень длительный период времени. В отличие от мутаций, которые меняют сам генетический текст, эпигенетические модификации обратимы; с другой стороны, у некоторых живых существ они могут переходить из поколения в поколение. Возраст влияет на рисунок эпигенетических меток, а значит, по эпигенетическим часам можно понять, насколько быстро стареет организм. При этом и генетические, и эпигенетические часы не просто пассивно отражают течение времени. Мутации и метки влияют на активность генов, будучи одной из причин возрастных неприятностей со здоровьем.

И генетические, и эпигенетические часы активно изучают, но о том, как они влияют друг на друга, известно мало. А они должны влиять – в конце концов, и мутации, и метильные метки случаются в ДНК и на ДНК. Метки прикрепляются и удаляются специальными ферментами, которые должны взаимодействовать с ДНК, а взаимодействие с ДНК зависит от последовательности генетических букв в том или ином её фрагменте. Метилирование ДНК чаще всего случается на букве С, то есть азотистом основании цитозине. И не просто на цитозине, а на таком, который стоит рядом с гуанином G. Пары CG часто (но не всегда) группируются в так называемые CG-островки – эти участки не обязательно состоят только из CG, но их там много. Если мы анализируем степень метилирования ДНК, то в первую очередь нужно смотреть на CG-островки. Но ведь мутация может превратить и С, и G во что-то другое. В то же время метилированный цитозин склонен превращаться в тимин Т, то есть метилирование открывает путь для генетической мутации.

Насколько генетические и эпигенетические возрастные изменения взаимообусловлены? Насколько, например, превращение метилированного С в Т влияет на дальнейшее метилирование этого участка ДНК и соседних с ним, и насколько такое влияние заметно, если анализировать ДНК не из клеточной культуры, а из человеческих тканей? В недавней статье в Nature Aging сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего и в Сан-Франциско описывают связь генетических и эпигенетических изменений на примере данных более 9 тыс. онкобольных. У них анализировали как последовательность ДНК, так и эпигенетические узоры, причём не только в злокачественных клетках, но и в здоровых тканях. На двухбуквенные комбинации (динуклеотиды) СG пришлось 13,5% всех мутаций, связанных с отдельными генетическими буквами, что составляет довольно большую долю. Среди «CG-мутаций» более 82% были заменами С на Т – то есть, скорее всего, причина их была в метилировании С. Но потом там, где случилась замена С на Т, уровень метилирования резко падал. (Это было видно, когда сравнивали одни и те же участки ДНК у разных индивидуумов, у которых мутация либо случилась, либо нет.) Такие результаты можно было ожидать, но ожидания нужно было подтвердить количественно на «природных» человеческих геномах. Очевидно, всё происходит так: в сильно метилированных участках ДНК происходят замены С на Т, эти мутации переходят дочерним клеткам, и у дочерних клеток те же участки становятся слабо метилированными.

Но если сам участок с заменой С на Т становится слабо метилированным, то рядом с ним метилирование усиливается. Рядом – значит в пределах около 10 тысяч оснований (генетических букв) в обе стороны, хотя как минимум в одном случае гиперметилирование захватило участок в 30 тысяч оснований. Нужно подчеркнуть, что только одна мутация, одна замена С на Т влечёт за собой усиленное метилирование множества цитозинов в CG-парах, которые находятся в относительной близости к этой мутации. (Хромосомы человека имеют в длину от 50 до 300 млн оснований – точнее, пар оснований, потому что в молекуле ДНК две цепи.) В гиперметилированном участке легко может случиться новая замена С на Т – и всё повторится.

На ДНК появляются разные метильные узоры, среди них есть и тот, который сопутствует старению; возрастные эпигенетические изменения называют ещё часами метилирования. Исследователи проанализировали возрастные метильные следы в человеческих геномах с учётом того, что они узнали про взаимосвязь мутаций и модификаций. Оказалось, что возрастные метильные метки явно связаны с заменами С на Т – то есть возрастные эпигенетические модификации случаются в вышеназванном интервале вокруг мутировавшей буквы С в паре CG. Биологический возраст можно оценивать как по эпигенетическим часам, так и по генетическим: их ход сопряжён друг с другом, хотя оценка по метилированию будет точнее, чем по мутациям. И эпигенетика, и генетика наиболее точно указывают возраст мозга, а наименее точно – возраст костей и почек.

Впрочем, тут дело не в точности, а в том, что генетически и эпигенетические часы взаимосвязаны, и что их, наверно, нужно рассматривать воедино. Такой вывод напрашивался из общих соображений, но в этой работе общие соображения удалось подтвердить расчётами на материале реальных геномов. Конечно, тут хорошо бы понять, какие молекулярные механизмы обеспечивают влияние единичной мутации на метилирование соседних участков, но это задача для дальнейших экспериментов с белками и нуклеиновыми кислотами. Эпигенетические модификации не исчерпываются метилированием ДНК в CG-парах оснований. Метилируются и другие генетические буквы, кроме того, есть модификации гистонов – белков-упаковщиков ДНК, от которых тоже зависит активность генов; возможно, их тоже нужно вовлечь в систему генетическо-эпигенетических часов. Наконец, есть часы иного рода – например, связанные с работой митохондрий или белоксинтезирующего аппарата. Есть ещё знаменитые теломеры, концевые участки хромосом, которые укорачиваются с каждым делением, отмеряя срок жизни клетки. Но теломерные часы имеют значение именно для делящихся клеток, да и то не для всех: например, стволовые клетки и активированные лимфоциты способны свои теломеры наращивать.