Механизмы модификаций: эпигенетика и пластичность фенотипа

В улье живут десятки тысяч рабочих пчёл и одна матка. Матка вдвое крупнее, живёт несколько лет, а не несколько недель, и откладывает до двух тысяч яиц в сутки; рабочие пчёлы бесплодны, зато умеют строить соты, собирать нектар и выкармливать личинок. При этом и матка, и рабочие развиваются из совершенно одинаковых оплодотворённых яиц: их геномы не различаются. Всё решает корм личинки в первые дни. Как один и тот же набор генов даёт два настолько разных организма? Ответ — в механизмах, которые включают и выключают гены и запоминают это состояние. Их изучает эпигенетика.

Это четвёртая статья серии «Изменчивость: генотип, среда и мутации» (предыдущая — «Вариационный ряд и вариационная кривая: опыты Иогансена»). В ней разобрано, как среда влияет на работу генов: регуляция транскрипции, метилирование ДНК, модификации гистонов, клеточная память и дифференцировка, пчёлы и мыши агути, голодная зима в Нидерландах, инактивация X-хромосомы, геномный импринтинг, эпигенетические различия близнецов и вопрос о том, наследуются ли эпигенетические изменения. Тема выходит за рамки школьного учебника, но объясняет, почему модификации возможны и почему они не наследуются.

• 1. Главный вопрос: как среда «договаривается» с генами
• 2. Быстрая регуляция: как гены отвечают на сигнал
• 3. Что такое эпигенетика
• 4. Метилирование ДНК
• 5. Гистоны и упаковка хроматина
• 6. Регуляторные РНК
• 7. Клеточная память и дифференцировка
• 8. Матка и рабочая пчела
• 9. Мыши агути: окраска, зависящая от диеты матери
• 10. Голодная зима в Нидерландах
• 11. Материнская забота и поведение потомства
• 12. Инактивация X-хромосомы
• 13. Геномный импринтинг
• 14. Эпигенетические различия однояйцевых близнецов
• 15. Эпигенетические часы
• 16. Пластичность фенотипа: не только эпигенетика
• 17. Касты и полифенизм
• 18. Сколько живут разные изменения
• 19. Память растений о стрессе
• 20. Наследуются ли эпигенетические изменения?
• 21. Эпигенетика и болезни
• 22. Как открывали эпигенетику
• 23. Как изучают эпигенетические метки
• 24. Модификация, эпимутация, мутация: как не перепутать
• 25. Эпигенетика и эволюция
• 26. Эпигенетика в сельском хозяйстве
• 27. Мифы об эпигенетике
• 28. Итог: что важно знать
• 29. Частые ошибки
• 30. Интересные факты
• 31. Частые вопросы
• 32. ЕГЭ
• 33. Для олимпиад
• 34. Задания с разбором
• Литература

1. Главный вопрос: как среда «договаривается» с генами

В предыдущих статьях серии мы видели много примеров модификаций: загар, разные листья стрелолиста, гималайская окраска, стадная саранча. Во всех случаях генотип остаётся прежним, а признак меняется. Значит, между средой и признаком есть посредник, который не трогает последовательность ДНК, но меняет её работу.

В каждой клетке человека около 20 тысяч генов, кодирующих белки, но работает в данной клетке лишь часть из них. Клетки печени, нейроны и лимфоциты содержат одинаковую ДНК, а различаются тем, какие гены в них включены. Модификации — это, по сути, изменения того, какие гены, где, когда и насколько сильно работают. Механизмы этого переключения бывают двух типов:

• быстрые и обратимые — белки-регуляторы садятся на ДНК или отсоединяются от неё в ответ на сигнал (гормон, свет, температуру), и ген включается или выключается за минуты; так работает лактозный оперон бактерий или включение генов теплового шока;
• устойчивые, «запоминаемые» — химические метки на самой ДНК или на белках, вокруг которых она намотана; они сохраняются при делениях клеток и поддерживают состояние гена долго, иногда всю жизнь.

Второй тип механизмов называют эпигенетическими. Именно они объясняют, почему модификации, возникшие в раннем развитии, часто сохраняются всю жизнь, и почему клетки организма, однажды став разными, остаются разными.

2. Быстрая регуляция: как гены отвечают на сигнал

Прежде чем говорить о долговременной памяти, разберём, как ген вообще «узнаёт», что надо включиться. У эукариот перед каждым геном есть промотор — участок, на который садится РНК-полимераза, — и, нередко на большом расстоянии, регуляторные участки-энхансеры. На них садятся белки — факторы транскрипции. Одни из них помогают полимеразе начать работу, другие мешают. Включится ли ген, зависит от того, какие факторы есть в клетке и в активной ли они форме.

Сигналы среды меняют именно состояние факторов транскрипции. Стероидный гормон (например, кортизол при стрессе) проникает в клетку, связывается с белком-рецептором, и комплекс «гормон — рецептор» входит в ядро и включает свои гены-мишени. Свет у растений меняет форму фитохрома, и тот запускает цепь событий, приводящую к активации сотен генов фотосинтеза. При перегреве в клетках всех организмов активируется фактор теплового шока, и за минуты включаются гены белков-шаперонов, защищающих другие белки от разрушения.

Такие реакции быстрые и обратимые: когда сигнал исчезает, фактор транскрипции возвращается в неактивную форму, и ген выключается. Именно так устроены многие обратимые модификации — изменение состава ферментов печени при смене диеты, усиление синтеза эритропоэтина в горах, реакция бактерий на появление нового сахара. У бактерий этот принцип хорошо изучен на примере оперонов, о которых рассказано в статье о регуляции генов у прокариот.

3. Что такое эпигенетика

Слово «эпигенетика» предложил Конрад Уоддингтон в 1940-х гг. — для учения о том, как гены в ходе развития создают фенотип (от «эпигенез» — постепенное формирование органов зародыша) [1]. Современное значение слова уже.

Приставка «эпи-» по-гречески значит «над». Эпигенетическая информация находится «над» генетической: последовательность ДНК — это текст, а эпигенетические метки — пометки на полях, указывающие, какие страницы читать, а какие пропустить. Текст один и тот же, но разные пометки дают разное прочтение.

Основных эпигенетических механизмов три:

1. метилирование ДНК — присоединение метильных групп к цитозину;
2. модификации гистонов — химические метки на белках, вокруг которых намотана ДНК, и изменение плотности упаковки хроматина;
3. регуляторные РНК — молекулы РНК, не кодирующие белки, которые направляют выключение генов или целых хромосом.

Все три механизма связаны друг с другом и работают вместе [2]. Разберём их по порядку.

4. Метилирование ДНК

В ДНК позвоночных и растений часть цитозинов несёт метильную группу (–CH₃) в 5-м положении кольца — это 5-метилцитозин. У млекопитающих метилируются в основном цитозины, за которыми следует гуанин (динуклеотиды CG, их называют CpG). Метильная группа не меняет комплементарности: 5-метилцитозин по-прежнему образует пару с гуанином, и при репликации копируется тот же текст.

Но метки меняют работу гена. Если промотор гена — участок, где начинается транскрипция, — сильно метилирован, ген обычно молчит. Метильные группы мешают садиться на ДНК белкам, включающим транскрипцию, и, наоборот, привлекают белки, которые уплотняют хроматин [3]. Неметилированные промоторы, как правило, активны.

Особенно важно, что метилирование «запоминается» при делении клеток. Когда ДНК удваивается, новая цепь сначала не метилирована, а старая сохраняет метки. Фермент ДНК-метилтрансфераза поддержания (DNMT1) находит такие «полуметилированные» участки и метилирует цитозин новой цепи напротив метилированного цитозина старой. Так узор метилирования копируется вместе с ДНК, и дочерние клетки наследуют от материнской не только гены, но и информацию о том, какие из них выключены.

Новые метки ставят другие ферменты (DNMT3A и DNMT3B), а удаляют — ферменты семейства TET, которые окисляют метильную группу. Для работы метилтрансфераз нужен донор метильных групп — S-аденозилметионин, который образуется в обмене веществ из метионина при участии фолиевой кислоты, витамина B₁₂ и холина. Отсюда прямая связь между питанием и эпигенетикой: недостаток этих веществ может менять узор метилирования.

5. Гистоны и упаковка хроматина

ДНК в ядре эукариот намотана на белки-гистоны: каждый участок около 147 пар нуклеотидов обвивает «катушку» из восьми гистоновых белков, образуя нуклеосому. Цепочка нуклеосом складывается дальше, образуя хроматин разной плотности. Как устроена эта упаковка, подробно разобрано в статье «Хромосомы: строение и упаковка ДНК».

У гистонов есть гибкие «хвосты», выступающие из нуклеосомы. К аминокислотам этих хвостов ферменты присоединяют различные химические группы: ацетильные, метильные, фосфатные. Эти метки работают как сигналы.

• Ацетилирование гистонов ослабляет связь гистонов с ДНК: положительный заряд лизина нейтрализуется, хроматин разрыхляется, и ген становится доступным для транскрипции. Ацетилирование обычно связано с активными генами. Его ставят ферменты гистонацетилтрансферазы, а снимают — гистондеацетилазы.
• Метилирование гистонов может и включать, и выключать гены — в зависимости от того, какая аминокислота метилирована. Например, метка на 4-м лизине гистона H3 характерна для активных промоторов, а метка на 27-м лизине того же гистона — для генов, которые выключены белками группы Polycomb.

Различают две формы хроматина. Эухроматин — рыхлый, доступный для транскрипции; в нём лежит большинство работающих генов. Гетерохроматин — плотно упакованный, малоактивный. Часть гетерохроматина постоянна (около центромер и теломер), часть — факультативна: она образуется на генах, которые в данном типе клеток выключены навсегда. Пример факультативного гетерохроматина — инактивированная X-хромосома у самок млекопитающих.

Метки гистонов и метилирование ДНК поддерживают друг друга: белки, узнающие метилированную ДНК, привлекают деацетилазы гистонов, а определённые метки гистонов привлекают метилтрансферазы ДНК. Поэтому выключенное состояние гена держится устойчиво и восстанавливается после каждого деления.

6. Регуляторные РНК

Третий эпигенетический механизм — молекулы РНК, которые не кодируют белков, но управляют работой генов. Их значение стало понятно лишь в конце XX века.

В 1998 г. американские исследователи Эндрю Файер и Крейг Мелло показали, что если ввести в клетки червя C. elegans двуцепочечную РНК, совпадающую по последовательности с каким-либо геном, этот ген перестаёт работать [4]. Явление назвали РНК-интерференцией. Двуцепочечную РНК клетка разрезает на короткие фрагменты длиной около 21–23 нуклеотидов; они включаются в белковый комплекс и по принципу комплементарности находят и разрушают информационную РНК гена или мешают её трансляции. Файер и Мелло получили за это открытие Нобелевскую премию 2006 г. РНК-интерференцию использовали и в опыте с пчёлами: именно так выключили ген DNMT3 у личинок.

Похожим образом работают микроРНК — короткие РНК, которые кодируются в геноме самого организма. У человека их известно больше тысячи; каждая регулирует сотни генов, тонко снижая их активность. МикроРНК участвуют в развитии органов, работе иммунной системы, ответе клеток на стресс.

Длинные некодирующие РНК действуют иначе — служат каркасом, который привлекает белки хроматина к определённым участкам. Самый известный пример — РНК XIST, покрывающая инактивируемую X-хромосому. А в половых клетках животных особые малые РНК (пиРНК) вместе с метилированием ДНК держат в молчании мобильные генетические элементы, не давая им «прыгать» по геному и вызывать мутации у потомков.

7. Клеточная память и дифференцировка

Самое важное, что делает эпигенетика, — обеспечивает клеточную память. Клетка кожи делится и даёт клетки кожи, клетка печени — клетки печени, хотя в каждой из них есть гены всех тканей. Решение о том, кем станет клетка, принимается в зародыше под действием сигналов соседних клеток (это эмбриональная индукция). Затем это решение закрепляется эпигенетически: гены, ненужные в данной ткани, выключаются метилированием и плотной упаковкой, а нужные остаются открытыми. Эта память передаётся всем потомкам клетки.

Уоддингтон предложил для развития образ, который теперь называют эпигенетическим ландшафтом: клетка зародыша — шарик на вершине холмистой поверхности, изрезанной долинами. Скатываясь вниз, шарик на каждой развилке выбирает одну из долин, и чем ниже он скатился, тем труднее вернуть его наверх. Долины — пути дифференцировки, а их глубина — устойчивость эпигенетического состояния.

Долгое время считалось, что вернуть шарик наверх невозможно. Но в 1960-е гг. Джон Гёрдон получил взрослых лягушек из яйцеклеток, в которые пересадил ядра клеток кишечника головастика, а в 2006 г. Синъя Яманака показал, что, включив всего четыре гена-регулятора, можно превратить клетки кожи мыши в плюрипотентные стволовые клетки, похожие на клетки раннего зародыша [5]. При таком перепрограммировании стираются эпигенетические метки дифференцировки. Гёрдон и Яманака получили за эти работы Нобелевскую премию 2012 г. Клонирование животных, в том числе кошки CC из первой статьи серии, тоже основано на перепрограммировании ядра соматической клетки цитоплазмой яйцеклетки.

8. Матка и рабочая пчела

Вернёмся к пчёлам. Личинки, из которых вырастут рабочие пчёлы, первые два-три дня получают маточное молочко, а затем переходят на «пчелиный хлеб» из пыльцы и мёда. Личинок в маточниках кормят маточным молочком обильно весь период развития. Этого различия достаточно, чтобы развились два разных фенотипа.

В 2008 г. австралийские исследователи выключили у только что вылупившихся личинок пчёл ген ДНК-метилтрансферазы DNMT3 с помощью РНК-интерференции [6]. Метилирование ДНК у таких личинок снизилось, и большинство из них развились в особей с признаками маток (крупными яичниками), хотя их кормили как будущих рабочих. Значит, корм рабочих пчёл через метилирование ДНК выключает часть «маточной» программы развития, а маточное молочко этому препятствует.

Какие именно вещества маточного молочка запускают развитие матки, до конца не выяснено. В 2011 г. японский исследователь Масаки Камакура сообщил, что ключевую роль играет белок ройялактин [7], но позднее другие группы не подтвердили его результат, и вопрос остаётся открытым. Вероятно, действует сочетание факторов: количество корма, содержание сахаров, белков и микроРНК. Для нашей темы главное другое: пчёлы — прямое доказательство того, что одинаковый генотип в разной среде может реализовать две разные программы развития, а переключение и закрепление выбора идёт через эпигенетические механизмы.

9. Мыши агути: окраска, зависящая от диеты матери

Самый известный опыт, показывающий связь питания и эпигенетики у млекопитающих, поставили американские исследователи Роберт Уотерленд и Рэнди Джиртл на мышах линии с аллелем A^vy («жизнеспособный жёлтый агути») [8].

Ген агути у мышей управляет окраской шерсти: он работает в коже кратковременно и даёт жёлтую полоску на тёмном волосе — обычную «дикую» серо-коричневую окраску. В аллеле A^vy перед геном встроен мобильный генетический элемент, который может заставлять ген работать постоянно и во всех клетках. Если этот элемент не метилирован, мышь получается жёлтой, тучной и предрасположенной к диабету и опухолям. Если элемент метилирован, ген работает нормально, и мышь имеет коричневую «псевдоагути» окраску и нормальную массу. Бывают и промежуточные, пятнистые особи.

Самое удивительное, что мыши одного помёта с одинаковым генотипом бывают и жёлтыми, и коричневыми, и пятнистыми — в зависимости от того, насколько сильно метилировался элемент у каждого зародыша. Это ещё один пример «случайности развития», о которой шла речь в первой статье серии. А затем исследователи добавили в корм беременных самок доноры метильных групп — фолиевую кислоту, витамин B₁₂, холин и бетаин. У таких матерей рождалось больше коричневых потомков, а метилирование элемента было выше. Диета матери во время беременности изменила эпигенетическое состояние гена у потомства и тем самым его окраску и здоровье.

Важно понимать, что генотип потомков при этом не менялся: у всех был аллель A^vy. Изменилась только эпигенетическая «настройка» этого аллеля в раннем развитии. Это модификация, причём необратимая: окраска, установившаяся у зародыша, сохраняется всю жизнь.

10. Голодная зима в Нидерландах

Аналог опыта с мышами у людей поставила история. Зимой 1944–1945 гг. западные районы Нидерландов, оккупированные германскими войсками, оказались отрезаны от поставок продовольствия. Несколько месяцев суточный паёк составлял 400–800 ккал. Во время голода продолжали рождаться дети, а у тех, кто был тогда в утробе матери, впоследствии изучили здоровье.

Оказалось, что люди, перенёсшие голод в утробе матери, во взрослом возрасте чаще страдали ожирением, сахарным диабетом 2-го типа, сердечно-сосудистыми болезнями, причём эффект зависел от того, на каком сроке беременности был голод. В 2008 г. голландские исследователи сравнили метилирование ДНК у таких людей, когда им было уже около 60 лет, с метилированием у их братьев и сестёр, родившихся в обычное время [9]. У перенёсших голод в начале внутриутробного развития метилирование регуляторной области гена инсулиноподобного фактора роста IGF2 было ниже. Шесть десятилетий спустя на ДНК оставался «след» голода, пережитого до рождения.

Эти данные лежат в основе представления о «внутриутробном программировании»: условия раннего развития настраивают обмен веществ на всю жизнь. Если плод «готовится» к жизни в голоде, а затем попадает в условия избытка пищи, настройка оказывается невыгодной, и повышается риск болезней обмена. С точки зрения генетики — это модификация, возникшая в критический период и закреплённая эпигенетически.

11. Материнская забота и поведение потомства

Эпигенетические изменения могут вызывать не только питание и температура, но и поведение родителей. Канадские исследователи изучали крыс, матери которых по-разному заботились о детёнышах: одни часто вылизывали и вычищали крысят, другие — редко [10]. Выросшие крысята «заботливых» матерей спокойнее реагировали на стресс: в их гиппокампе было больше рецепторов к гормонам стресса (глюкокортикоидам), и выработка этих гормонов при стрессе быстрее возвращалась к норме. У крысят «невнимательных» матерей промотор гена рецептора оказался сильнее метилирован, и ген работал слабее.

Решающим был опыт с перекрёстным выкармливанием: крысят от «невнимательных» матерей подкладывали «заботливым», и наоборот. Метилирование и поведение крысят определялись тем, кто их выкармливал, а не тем, кто родил. Значит, дело не в генах, а в опыте первой недели жизни. Если взрослым крысам вводили вещество, подавляющее деацетилазы гистонов, различия частично исчезали — эпигенетическое состояние оказалось обратимым.

Интересно, что самки, выросшие у «заботливых» матерей, сами становились заботливыми матерями. Так особенность поведения передаётся из поколения в поколение без участия генов — через опыт, который каждое поколение получает от предыдущего. Это не наследование в генетическом смысле, а воспроизведение условий развития.

12. Инактивация X-хромосомы

У самок млекопитающих две X-хромосомы, у самцов — одна. Чтобы количество продуктов генов X-хромосомы было одинаковым у обоих полов, у самок в каждой клетке одна из X-хромосом почти полностью выключается. Эту гипотезу в 1961 г. выдвинула английский генетик Мэри Лайон [11].

Инактивация происходит на ранней стадии развития зародыша, вскоре после его внедрения в стенку матки. В каждой клетке случайно выбирается, какая X-хромосома — отцовская или материнская — будет выключена. Затем выбор запоминается: все потомки этой клетки выключают ту же самую хромосому. Механизм выключения — эпигенетический. С выключаемой хромосомы считывается длинная некодирующая РНК XIST, которая покрывает эту хромосому; затем на неё садятся белки, ставящие репрессивные метки на гистоны, а ДНК промоторов метилируется. Инактивированная X-хромосома сильно конденсируется и видна в ядре как тельце Барра.

Следствие — мозаицизм. Организм самки состоит из участков клеток, в одних из которых работает отцовская X, в других — материнская. Классический пример — черепаховые и трёхцветные кошки: аллели рыжей и чёрной окраски лежат в X-хромосоме, и у гетерозиготной кошки рыжие пятна — это клоны клеток с одной активной X, чёрные — с другой. Котов такой окраски почти не бывает: у кота одна X-хромосома (исключение — коты с набором XXY). У женщин-носительниц некоторых X-сцепленных болезней тоже видна мозаика: например, при одной из форм нарушения потовых желёз участки кожи без потовых желёз чередуются с нормальными.

Инактивация X — пример того, что эпигенетически выключенное состояние может держаться всю жизнь в миллиардах клеток. При этом в половых клетках самки обе X-хромосомы снова активируются, и потомству передаётся «чистая» хромосома без следа инактивации.

13. Геномный импринтинг

По законам Менделя не важно, от какого родителя получен аллель. Но для небольшой группы генов (у человека их известно около ста-двухсот) это правило нарушается: работает только аллель, полученный от отца, или только аллель, полученный от матери. Это явление называют геномным импринтингом («запечатлением»).

Механизм импринтинга — метилирование определённых регуляторных участков ДНК в половых клетках: в сперматозоидах метятся одни участки, в яйцеклетках — другие. После оплодотворения эти метки сохраняются во всех клетках организма и определяют, какой из двух аллелей гена будет работать. В половых клетках следующего поколения старые метки стираются, и ставятся новые — в соответствии с полом особи.

Самые известные примеры у человека — синдромы Прадера — Вилли и Ангельмана. Оба связаны с одним и тем же участком 15-й хромосомы. Если ребёнок не получил этот участок (из-за выпадения) от отца, развивается синдром Прадера — Вилли: сниженный тонус мышц, неутолимый голод, ожирение. Если не получил от матери — синдром Ангельмана с тяжёлыми нарушениями речи и движений и необычно частым смехом. Одинаковая хромосомная мутация даёт разные болезни в зависимости от того, от кого из родителей она получена.

Импринтинг объясняет и то, почему у млекопитающих невозможен партеногенез: зародыш с двумя материнскими геномами не развивается, потому что в нём молчат гены, которые должны работать с отцовской хромосомы, — в частности, гены роста плаценты. Мышей от двух матерей удалось получить лишь после того, как исследователи искусственно изменили несколько импринтированных участков.

14. Эпигенетические различия однояйцевых близнецов

Однояйцевые близнецы почти одинаковы по последовательности ДНК. А по эпигенетическим меткам? В 2005 г. испанские исследователи сравнили метилирование ДНК и метки гистонов у 40 пар однояйцевых близнецов разного возраста [12]. У трёхлетних близнецов эпигенетические профили были почти неразличимы. У 50-летних различия оказались многократно больше, причём особенно сильно расходились близнецы, которые дольше жили врозь и вели разный образ жизни.

Иными словами, с возрастом на одинаковом «тексте» ДНК накапливаются разные «пометки на полях». Отчасти их создаёт среда (питание, курение, болезни, стресс), отчасти — случайные ошибки при копировании меток в делящихся клетках. Это помогает понять, почему однояйцевые близнецы с возрастом становятся менее похожи друг на друга и почему один из них может заболеть болезнью, которой нет у другого.

15. Эпигенетические часы

Узор метилирования меняется с возрастом настолько закономерно, что по нему можно определить возраст человека. В 2013 г. американский биостатистик Стив Хорват предложил «эпигенетические часы» — формулу, которая по степени метилирования 353 определённых CpG-участков оценивает возраст ткани с ошибкой в несколько лет [13]. Часы работают на клетках крови, кожи, мозга и многих других тканей.

Интересно, что эпигенетический возраст не всегда совпадает с календарным. У курильщиков, людей с ожирением и некоторыми хроническими болезнями он в среднем «опережает» паспортный; при перепрограммировании клеток в стволовые часы «обнуляются». Сейчас эпигенетические часы используют в исследованиях старения и в судебной экспертизе — для оценки возраста человека по следам крови.

16. Пластичность фенотипа: не только эпигенетика

Не нужно думать, что каждая модификация — это метилирование ДНК. Механизмов фенотипической пластичности много, и эпигенетические — лишь часть из них.

• Прямое действие среды на белки. Гималайский кролик: температура меняет активность фермента, а не работу гена.
• Регуляция транскрипции факторами-регуляторами. Включение генов эритропоэтина при недостатке кислорода, лактозного оперона при появлении лактозы, генов белков теплового шока при перегреве — быстрые и обратимые реакции, не требующие долговременных меток.
• Гормоны. Сезонные формы бабочек, касты общественных насекомых, метаморфоз, половой диморфизм в значительной мере определяются гормонами, уровень которых зависит от среды (длины дня, температуры, питания).
• Альтернативный сплайсинг. Из одного гена в разных условиях могут получаться разные белки за счёт того, какие участки РНК вырезаются. Так, у некоторых видов черепах и ящериц температура меняет сплайсинг генов, участвующих в определении пола.
• Эпигенетические механизмы — для долговременных изменений, которые должны сохраняться при делении клеток.

Температурное определение пола у черепах — хороший пример того, как эти механизмы складываются в цепочку. В 2018 г. было показано, что у красноухой черепахи при «самцовой» температуре в половых зачатках активен фермент KDM6B, снимающий репрессивные метки с гистонов на гене Dmrt1, который запускает развитие семенников [14]. При «самочьей» температуре фермента мало, ген остаётся выключенным, и развиваются яичники. Если искусственно подавить KDM6B при низкой температуре, из яиц выходят самки. Температура — сигнал среды, эпигенетический фермент — посредник, ген-переключатель — исполнитель.

17. Касты и полифенизм

Пчёлы — лишь один пример полифенизма — способности одного генотипа давать несколько резко различающихся фенотипов в зависимости от условий. У муравьёв из генетически сходных личинок в зависимости от количества и качества корма, температуры и сигналов колонии развиваются мелкие рабочие, крупные солдаты с огромной головой и мощными челюстями, а также крылатые самки и самцы. У некоторых муравьёв рода Pheidole при определённых условиях развиваются даже «суперсолдаты», которых в обычной колонии нет.

У термитов судьба личинки ещё более гибкая: она может стать рабочим, солдатом или половой особью, а рабочие в случае гибели «царской пары» могут превратиться в заместительных половых особей. Во всех этих случаях переключение идёт через гормоны (прежде всего ювенильный гормон насекомых), а закрепление выбора — через изменения работы многих генов, в том числе эпигенетические.

Полифенизмом являются и стадная и одиночная формы саранчи, сезонные формы бабочек, рогатые и безрогие самцы жуков-навозников (рога вырастают только у хорошо питавшихся личинок). Для эволюции важно, что полифенизм позволяет одному виду занимать несколько экологических ниш сразу.

18. Сколько живут разные изменения

Удобно сравнить разные механизмы изменчивости по тому, как долго сохраняется вызванное ими изменение.

Таблица показывает, что граница между «ненаследственной» и «наследственной» изменчивостью проходит не по признаку «сохраняется или нет», а по признаку «меняется ли последовательность ДНК». Только мутации передаются неограниченно долго и подчиняются законам Менделя.

19. Память растений о стрессе

Растения не могут уйти от неблагоприятных условий, и у них хорошо развита «память» о пережитом. Растение, однажды пережившее засуху, при повторной засухе быстрее закрывает устьица и включает защитные гены. Растение, атакованное гусеницами, в течение многих дней отвечает на новое повреждение сильнее. В этой памяти участвуют метки гистонов на генах защиты: после первого стресса гены остаются в «полуоткрытом» состоянии и при повторном сигнале включаются быстрее.

Иногда такая подготовка частично передаётся семенам: растения дикой редьки, объеденные гусеницами, дают потомство с повышенным содержанием защитных веществ. Но эффект обычно ограничен одним поколением. Если условия у потомства другие, «предупреждение» от родителей становится бесполезной тратой ресурсов, и естественный отбор не поддерживает долгую передачу таких меток.

20. Наследуются ли эпигенетические изменения?

Это главный вопрос, вокруг которого существует много путаницы. Ответ зависит от организма и требует осторожности.

Млекопитающие: метки в основном стираются

У млекопитающих есть две волны «стирания» эпигенетических меток: при образовании первичных половых клеток у зародыша и сразу после оплодотворения. Во время этих волн метилирование большей части генома снимается и затем ставится заново. Поэтому большинство меток, приобретённых организмом за жизнь, не передаётся потомкам. Исключения — импринтированные участки (их метки специально защищены от стирания после оплодотворения, но перезаписываются в половых клетках) и некоторые мобильные элементы, такие как элемент в аллеле A^vy, у которых стирание неполное.

Нужно различать два эффекта. Межпоколенческий (материнский) эффект — когда условия матери влияют на плод, который находится в её организме, и даже на половые клетки этого плода (будущих внуков). Голод беременной женщины затрагивает и её ребёнка, и уже существующие в нём зачатки половых клеток. Это не наследование в строгом смысле: все три поколения подверглись воздействию одновременно. Трансгенерационное наследование — когда изменение сохраняется в поколениях, которые сами воздействию не подвергались. У млекопитающих надёжных доказательств такого наследования мало, а многие громкие сообщения не удалось воспроизвести.

Растения и черви: бывает устойчивое наследование

У растений стирание меток в половых клетках менее полное, и эпигенетические изменения иногда передаются многим поколениям. Самый знаменитый пример — пелория льнянки. Карл Линней в 1740-х гг. описал форму льнянки обыкновенной с радиально-симметричными цветками вместо обычных двусторонне-симметричных и назвал её «пелория» (от греч. «чудовище»). Он считал её новым видом. В 1999 г. английские генетики выяснили, что у пелорических растений не изменена последовательность гена Lcyc, отвечающего за симметрию цветка, а он сильно метилирован и выключен [15]. Такая эпимутация передаётся по наследству, но иногда «откатывается»: на пелорическом растении могут появиться ветви с нормальными цветками, если ген теряет метилирование.

У нематоды Caenorhabditis elegans малые РНК, которые выключают определённые гены, могут передаваться через половые клетки на протяжении нескольких поколений, а затем эффект обычно затухает.

Что это значит для теории изменчивости

Эпигенетическое наследование не возвращает биологию к Ламарку. Во-первых, оно касается немногих генов и чаще всего затухает за несколько поколений — это длительные модификации, описанные в предыдущей статье серии. Во-вторых, эпимутации нередко возникают случайно, а не как приспособительный ответ на среду. В-третьих, они не меняют последовательность ДНК, поэтому их судьба в ряду поколений неустойчива. Главный источник наследственной изменчивости по-прежнему — мутации и их комбинации.

21. Эпигенетика и болезни

Эпигенетические нарушения играют роль во многих болезнях, и прежде всего в раке. В опухолевых клетках часто наблюдается двойная картина: геном в целом теряет метилирование (что делает хромосомы менее стабильными и активирует мобильные элементы), а промоторы отдельных генов-супрессоров опухолей, наоборот, сильно метилируются и замолкают. Ген, который должен тормозить деление клеток или запускать их гибель при повреждении, оказывается выключен без всякой мутации. Например, при некоторых формах рака толстой кишки выключен метилированием ген MLH1, участвующий в исправлении ошибок репликации, — и в клетках опухоли быстро накапливаются мутации.

Поскольку эпигенетические изменения, в отличие от мутаций, обратимы, их можно пытаться исправить лекарствами. Уже используются препараты, подавляющие метилирование ДНК (азацитидин, децитабин), — для лечения некоторых болезней крови, и препараты, подавляющие деацетилазы гистонов, — для лечения отдельных видов лимфом. Они не «чинят» ДНК, а возвращают активность выключенным генам.

Нарушения импринтинга вызывают редкие синдромы: кроме синдромов Прадера — Вилли и Ангельмана, это, например, синдром Беквита — Видемана с ускоренным ростом ребёнка. Нарушения инактивации X-хромосомы влияют на проявление X-сцепленных болезней у женщин. Курение оставляет на ДНК клеток крови характерный узор метилирования, по которому можно с высокой точностью определить курильщика; часть меток сохраняется годами после отказа от курения.

22. Как открывали эпигенетику

История эпигенетики показывает, как постепенно складывалось понимание того, что «одного текста» ДНК недостаточно.

• 1940-е гг. Уоддингтон вводит термины «эпигенетика» и «эпигенетический ландшафт», говоря о том, как гены управляют развитием.
• 1949 г. Барр и Бертрам находят в ядрах клеток кошек тёмное тельце, которого нет у котов.
• 1961 г. Мэри Лайон предлагает гипотезу инактивации одной X-хромосомы у самок.
• 1975 г. Робин Холлидей и Джон Пью в Англии и независимо Артур Риггс в США предполагают, что метилирование цитозина в ДНК может выключать гены и копироваться при делении клеток [16]. Через несколько лет эта гипотеза подтвердилась.
• 1980-е гг. Открыт геномный импринтинг: мышиные зародыши с двумя материнскими или двумя отцовскими геномами не развиваются.
• 1990-е гг. Найдены ферменты, ставящие и снимающие метки на гистонах; показано, что пелория льнянки — эпимутация.
• 1998 г. Открыта РНК-интерференция.
• 2006 г. Яманака перепрограммирует клетки кожи в стволовые.
• 2010-е гг. Составлены карты метилирования и меток гистонов для сотен типов клеток человека, предложены эпигенетические часы.

23. Как изучают эпигенетические метки

Самый важный метод изучения метилирования ДНК — бисульфитное секвенирование. ДНК обрабатывают бисульфитом натрия: обычный цитозин при этом превращается в урацил (а после копирования — в тимин), а 5-метилцитозин остаётся цитозином. Затем ДНК читают и сравнивают с исходной последовательностью. Там, где в исходной ДНК был цитозин, а после обработки читается тимин, — цитозин был неметилированным; там, где цитозин сохранился, — метилированным. Так получают карту метилирования с точностью до отдельного нуклеотида.

Метки гистонов изучают иммунопреципитацией хроматина: хроматин разрезают на куски, антителами «вылавливают» нуклеосомы с определённой меткой и читают ДНК, которая была на них намотана. Так узнают, на каких генах стоит, например, активирующая или репрессирующая метка. Доступность хроматина определяют, обрабатывая ядра ферментами, которые режут только открытую ДНК.

24. Модификация, эпимутация, мутация: как не перепутать

В школьной классификации эпигенетические изменения относят к ненаследственной (модификационной) изменчивости: они не меняют генотип и, как правило, не передаются при половом размножении. На ЕГЭ это достаточно знать именно так. Но полезно понимать, что граница здесь не абсолютна: «наследственность» эпигенетических меток в ряду делений клеток — основа развития многоклеточного организма.

25. Эпигенетика и эволюция

Какое место занимают эпигенетические механизмы в эволюции? Здесь важно разделять несколько ролей.

Эпигенетические механизмы — продукт эволюции. Ферменты метилирования, белки Polycomb, системы малых РНК возникли и усложнились под действием естественного отбора, потому что многоклеточному организму нужна клеточная память, а геному — защита от мобильных элементов. Это такие же наследственные приспособления, как глаз или крыло; они закодированы в генах.

Эпигенетические механизмы расширяют норму реакции. Благодаря им один генотип может дать разные фенотипы (касты, сезонные формы, пол у черепах) и «запомнить» сигнал раннего развития. Отбор действует на способность так реагировать, то есть на генотипы с удачной нормой реакции.

Эпигенетические состояния влияют на мутации. Метилированный цитозин легче мутирует: при самопроизвольном отщеплении аминогруппы он превращается прямо в тимин, и такую ошибку клетке труднее заметить, чем превращение обычного цитозина в урацил. Поэтому динуклеотиды CG — «горячие точки» мутаций, и в геноме человека их в несколько раз меньше, чем ожидалось бы по случайности. Значительная часть замен нуклеотидов, вызывающих наследственные болезни и рак, — именно замены C на T в CG-участках. Подробнее об этом — в статье серии о генных мутациях.

Эпимутации как источник изменчивости пока остаются предметом споров. У растений они встречаются и могут влиять на признаки, но они нестабильны. Большинство биологов считает, что их вклад в долгую эволюцию мал по сравнению с мутациями, хотя на коротких отрезках времени они могут помочь популяции «пережить» изменение условий.

26. Эпигенетика в сельском хозяйстве

Эпигенетические явления давно известны селекционерам, хотя долгое время не имели названия. У томатов есть мутантная форма с бесцветными плодами Colorless non-ripening: плоды не созревают и остаются белёсыми, потому что сильно метилирован промотор гена, управляющего созреванием; последовательность гена нормальная. У масличной пальмы при размножении в культуре тканей часть растений давала уродливые плоды «мантлед» с низким выходом масла; лишь в 2010-е гг. выяснилось, что причина — потеря метилирования у мобильного элемента внутри одного гена развития цветка. Это дорого обходилось плантациям: деревья приносят урожай лишь через несколько лет после посадки.

Для селекционера отсюда два урока. Во-первых, растения, размноженные вегетативно или в культуре тканей, могут отличаться от исходного растения не только из-за мутаций, но и из-за эпимутаций — такую изменчивость называют сомаклональной. Во-вторых, эпимутации нестабильны, поэтому закрепить полезный эпигенетический признак в сорте труднее, чем мутацию.

27. Мифы об эпигенетике

Эпигенетика популярна, и вокруг неё много преувеличений. Разберём частые.

• «Эпигенетика доказала, что Ламарк был прав». Нет. Большинство приобретённых эпигенетических меток у животных не передаётся потомкам; там, где передача есть, она обычно кратковременна и не направлена на приспособление.
• «Мыслями и настроем можно переписать свои гены». Последовательность генов эпигенетика не меняет. Образ жизни действительно влияет на эпигенетические метки, но это влияние ограничено и не похоже на «перепрограммирование» по желанию.
• «Всё, что пережили бабушки, записано в наших генах». Достоверно показаны отдельные эффекты внутриутробных условий на здоровье ребёнка; данные о передаче через несколько поколений у людей противоречивы и не доказаны.
• «Эпигенетика отменяет генетику». Эпигенетические механизмы сами закодированы в генах: ферменты метилирования, белки хроматина, регуляторные РНК — продукты генов. Эпигенетика — часть того, как генотип реализуется в фенотипе.

28. Итог: что важно знать

• Модификации возникают из-за изменений работы генов, а не их последовательности.
• Механизмы бывают быстрые (белки-регуляторы, гормоны, прямое действие на ферменты) и долговременные — эпигенетические.
• Эпигенетические изменения — изменения активности генов без изменения последовательности ДНК, сохраняющиеся при делении клеток.
• Основные механизмы: метилирование ДНК (5-метилцитозин в CpG, выключение промоторов), модификации гистонов (ацетилирование открывает хроматин), регуляторные РНК.
• Эпигенетика обеспечивает клеточную память и дифференцировку; перепрограммирование клеток стирает метки.
• Примеры: касты пчёл (метилирование и корм), мыши агути (диета матери), голодная зима (след на гене IGF2), инактивация X-хромосомы (мозаицизм, черепаховые кошки), импринтинг (синдромы Прадера — Вилли и Ангельмана), температурное определение пола у черепах.
• У млекопитающих эпигенетические метки в основном стираются при образовании половых клеток и после оплодотворения; у растений возможны наследуемые эпимутации (пелория льнянки).
• В школьной классификации эпигенетические изменения относят к ненаследственной изменчивости.

29. Частые ошибки

• «Метилирование ДНК — это мутация». Метилирование не меняет последовательность нуклеотидов: 5-метилцитозин по-прежнему комплементарен гуанину. Это эпигенетическое изменение.
• «Матка отличается от рабочих пчёл генотипом». Матка и рабочие развиваются из одинаковых оплодотворённых яиц; различие определяется кормом личинки. Генотипически отличаются только трутни — они развиваются из неоплодотворённых яиц и гаплоидны.
• «Эпигенетические метки всегда передаются потомкам». У млекопитающих большинство меток стирается в половых клетках и после оплодотворения.
• «В клетках разных тканей разные гены». Гены одинаковы; различается их активность, закреплённая эпигенетически.
• «Тельце Барра есть у мужчин». Тельце Барра — инактивированная X-хромосома; у мужчин XY оно отсутствует, у женщин XX — одно, у людей с набором XXX — два.
• «Ацетилирование гистонов выключает гены». Ацетилирование разрыхляет хроматин и обычно связано с активными генами; выключению способствует деацетилирование и некоторые метки метилирования.
• «Импринтинг — это сцепление с полом». При сцеплении с полом ген находится в половой хромосоме; при импринтинге ген аутосомный, но его работа зависит от того, от какого родителя он получен.
• «Черепаховая окраска бывает у котов так же часто, как у кошек». Почти только у кошек: нужны две X-хромосомы с разными аллелями; черепаховые коты обычно имеют набор XXY.
• «Эпигенетика доказывает наследование приобретённых признаков». Эпигенетические изменения у животных почти не передаются через поколения; у растений передаются, но неустойчиво и не обязательно приспособительно.
• «Эпигенетические изменения — то же, что модификации, вызванные температурой у гималайского кролика». У кролика температура прямо влияет на активность фермента; эпигенетические изменения — это метки на ДНК и гистонах, которые сохраняются при делении клеток.

30. Интересные факты

• Пчелиная матка живёт до 4–5 лет, а летняя рабочая пчела — около 5–6 недель, хотя их геномы одинаковы. Рабочие пчёлы, родившиеся осенью и зимующие в улье, живут несколько месяцев: продолжительность жизни у них тоже модификация.
• Тельце Барра открыли в 1949 г. канадские исследователи Мюррей Барр и Эварт Бертрам, изучая нейроны кошек: в ядрах клеток кошек было тёмное тельце, а у котов — нет. Через 12 лет Мэри Лайон объяснила, что это выключенная X-хромосома.
• Пелорические растения льнянки встречаются в природе и сейчас. Эпимутация гена Lcyc устойчиво передаётся их семенам, но изредка на таком растении появляется ветвь с обычными цветками — там ген потерял метилирование и снова заработал.
• У человека в каждой клетке около 28 миллионов CpG-динуклеотидов, и большинство из них метилировано; неметилированными остаются в основном «островки» в промоторах работающих генов.
• Дрозофила почти не метилирует свою ДНК, а у дрожжей и нематоды C. elegans метилирования цитозина практически нет — у них эпигенетическая память держится на гистонах и малых РНК.
• Синдромы Прадера — Вилли и Ангельмана описали врачи, не знавшие о генетике: Андреа Прадер и коллеги — в 1956 г., Гарри Ангельман — в 1965 г. Общую причину — выпадение одного и того же участка 15-й хромосомы, полученной от разных родителей, — установили только в 1980-е гг.
• По эпигенетическим часам клетки, перепрограммированные в стволовые, «молодеют» почти до нуля, а клетки людей со синдромом Дауна в среднем «старше» своего паспортного возраста.
• Термин «эпигенетика» Уоддингтон придумал раньше, чем стало известно, что гены состоят из ДНК, — в начале 1940-х гг.
• Метод РНК-интерференции стал одним из главных инструментов биологов: им можно «выключить» почти любой ген у растений, червей, насекомых и в культурах клеток человека, а несколько препаратов на основе малых интерферирующих РНК уже применяются в медицине для лечения редких наследственных болезней.
• Самая длинная известная эпигенетическая «память» у человека — инактивированная X-хромосома: решение, принятое в клетке зародыша, сохраняется в её потомках 80–90 лет, проходя через десятки делений.

31. Частые вопросы

32. ЕГЭ

Эпигенетика прямо в кодификаторе не названа, но тема служит объяснением для элемента 3.4 [17]: «Взаимодействие генотипа и среды при формировании фенотипа… Модификационная изменчивость. Роль среды в формировании модификационной изменчивости. Норма реакции признака… Свойства модификационной изменчивости». Знания этой статьи помогают отвечать на вопросы части 2 «почему модификации не наследуются», «как один генотип даёт разные фенотипы», объяснять пример с пчёлами, черепаховыми кошками и тельцем Барра. Тельце Барра, дифференцировка клеток и регуляция работы генов встречаются и в других элементах кодификатора.

Что полезно знать к экзамену

• Модификации — результат изменения работы генов, а не самих генов.
• Дифференцировка клеток — включение и выключение разных генов в клетках с одинаковым генотипом.
• Матка и рабочие пчёлы — пример модификации, определяемой питанием личинки.
• Тельце Барра — инактивированная X-хромосома; число телец Барра на одно меньше числа X-хромосом.
• Мозаичная (черепаховая) окраска кошек объясняется инактивацией одной из X-хромосом.

Разбор заданий

Задание. Почему из оплодотворённых яиц медоносной пчелы развиваются и матки, и рабочие пчёлы? Какая это изменчивость? Ответ. 1) Генотипы маток и рабочих пчёл одинаковы (развиваются из одинаковых оплодотворённых диплоидных яиц). 2) Различия определяет питание личинки: будущих маток всё время кормят маточным молочком, будущих рабочих — только первые дни. 3) Корм меняет работу генов (через гормоны и метилирование ДНК), но не сами гены. 4) Это модификационная изменчивость.

Задание. Сколько телец Барра в ядрах соматических клеток человека с кариотипом 47,XXY? 45,X? 47,XXX? Ответ. 1; 0; 2 (число X-хромосом минус одна).

Задание. Почему кошки бывают черепаховыми, а коты почти никогда? Ответ. 1) Аллели чёрной и рыжей окраски находятся в X-хромосоме. 2) У гетерозиготной кошки в разных клетках случайно инактивирована то одна, то другая X-хромосома, поэтому участки шерсти окрашены по-разному. 3) У кота одна X-хромосома и один аллель окраски; черепаховыми бывают только коты с набором XXY.

Задание. Клетки печени и нейроны человека имеют одинаковый набор генов, но синтезируют разные белки. Объясните почему. Ответ. В разных клетках работают разные гены: в ходе дифференцировки одни гены включаются, другие выключаются и остаются выключенными (за счёт метилирования ДНК и плотной упаковки хроматина). Генотип клеток одинаков, различается экспрессия генов.

33. Для олимпиад

Эффект положения и мозаичная окраска

Если в результате хромосомной перестройки ген окажется рядом с гетерохроматином, он может выключаться в части клеток. У дрозофилы инверсия, переносящая ген white (красная окраска глаз) к прицентромерному гетерохроматину, даёт мух с мозаичными глазами: красные фасетки чередуются с белыми. Это явление называют эффектом положения мозаичного типа. Ген не мутирован, но в части клеток гетерохроматин «наползает» на него и выключает. Генетики нашли десятки генов, мутации в которых усиливают или ослабляют такую мозаичность, — так были открыты многие белки хроматина.

Парамутация

У кукурузы известно явление, нарушающее законы Менделя: один аллель гена окраски (B') в гетерозиготе «переделывает» другой аллель (B-I) в своё подобие, и превращённый аллель передаётся дальше уже в изменённом, слабо активном состоянии. Последовательность ДНК при этом не меняется; механизм связан с малыми РНК и метилированием. Первым подобное поведение аллелей описал в 1950-х гг. американский генетик Р. Александр Бринк на другом гене окраски кукурузы (R); он и назвал явление парамутацией. Это пример того, что эпигенетическое состояние может передаваться и даже «заражать» другой аллель.

Задача на импринтинг

Ген Igf2 мыши экспрессируется только с отцовской хромосомы. Мутантный аллель (не работает) даёт мелких мышат. Какими будут потомки от скрещивания самки +/− с самцом +/+? А от самки +/+ с самцом +/−? Ответ: в первом случае все потомки нормальны: у тех, кто получил от матери аллель −, он всё равно молчит, а отцовский аллель + работает. Во втором — половина потомков (получившие от отца аллель −) мелкие: их единственный работающий (отцовский) аллель неактивен. Расщепление зависит от того, через какого родителя передаётся мутация.

Задача на бисульфитное секвенирование

Участок ДНК 5′-ACGTTCGACG-3′ обработали бисульфитом и прочитали: 5′-ATGTTCGATG-3′. Какие цитозины были метилированы? Ответ: в исходной последовательности цитозины стоят в положениях 2, 6 и 9. После обработки в положениях 2 и 9 читается тимин — там цитозины были неметилированы; в положении 6 сохранился цитозин — он был метилирован. Все три цитозина стоят в динуклеотидах CG, но метилирован только один: узор метилирования не определяется последовательностью однозначно.

Дозовая компенсация у разных животных

Выравнивать работу генов X-хромосомы у двух полов можно по-разному. У плацентарных млекопитающих одна X самки выключается случайно, у сумчатых (кенгуру, опоссумов) — всегда отцовская. У дрозофилы, наоборот, единственная X-хромосома самца работает примерно вдвое активнее: на неё садится белково-РНКовый комплекс, ставящий активирующие метки на гистоны. У нематоды C. elegans у гермафродитов XX обе X-хромосомы работают вполсилы. Цель одна — примерно равное количество продуктов генов X у обоих полов, а эпигенетические средства разные.

Двухкомпонентная регуляция: гены «запоминают» холод

У арабидопсиса ген FLC подавляет цветение. Длительный холод постепенно приводит к накоплению на нём репрессивной метки гистонов (метилирования 27-го лизина гистона H3), и чем дольше холод, тем в большей доле клеток ген выключен. Это объясняет, почему растения «считают» продолжительность зимы и не зацветают после случайного короткого похолодания. При образовании семян метки стираются, и потомству снова нужна зима.

34. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных утверждения об эпигенетических изменениях: 1) не меняют последовательность нуклеотидов ДНК; 2) сохраняются при делении клеток; 3) всегда передаются потомкам у млекопитающих; 4) включают метилирование ДНК; 5) являются генными мутациями; 6) возникают только под действием радиации.

Задание 2

Какое азотистое основание метилируется в ДНК млекопитающих чаще всего и в каком сочетании нуклеотидов?

Задание 3

Как влияет сильное метилирование промотора на работу гена?

Задание 4

Установите соответствие: А) ацетилирование гистонов; Б) образование тельца Барра; В) метилирование промотора гена-супрессора опухоли; Г) разрыхление хроматина. 1) активация генов; 2) выключение генов.

Задание 5

Сколько телец Барра у человека с кариотипом 48,XXXY?

Задание 6

Почему клетки кожи, делясь, дают клетки кожи, а не клетки печени, хотя в них есть гены печени?

Задание 7

Найдите ошибки и исправьте. 1) Матка и рабочие пчёлы различаются генотипом. 2) Различия в развитии маток и рабочих определяются кормом личинок. 3) Метилирование ДНК изменяет последовательность нуклеотидов. 4) Тельце Барра — инактивированная X-хромосома. 5) Эпигенетические метки у млекопитающих полностью передаются потомкам.

Задание 8

Мыши одного помёта с генотипом A^vya различаются окраской: жёлтые, пятнистые и коричневые. Объясните почему. Как на соотношение окрасок влияет диета матери?

Задание 9

Как называют явление, при котором работает только аллель, полученный от одного определённого родителя? Приведите пример болезни, связанной с ним.

Задание 10

Почему у трёхцветной кошки окраска пятнистая? К какому виду изменчивости относятся различия в окраске участков шерсти одной кошки?

Задание 11

Объясните, почему у людей, перенёсших голод в утробе матери, чаще развиваются болезни обмена веществ.

Задание 12

Выберите три примера модификаций, в которых участвуют эпигенетические механизмы: 1) развитие матки у пчёл; 2) рождение ребёнка с синдромом Дауна; 3) инактивация X-хромосомы; 4) замена нуклеотида в гене гемоглобина; 5) определение пола у черепах температурой; 6) появление полиплоидного растения.

Задание 13

Почему ацетилирование гистонов облегчает транскрипцию?

Задание 14

Как узор метилирования ДНК сохраняется при репликации?

Задание 15

Однояйцевые близнецы в 3 года почти не различаются по метилированию ДНК, а в 50 лет — заметно. Объясните почему.

Задание 16

Почему эпигенетические изменения рассматривают как возможную мишень для лекарств против рака, а генные мутации — нет?

Задание 17

Что общего и чем различаются длительная модификация и эпимутация у растений?

Задание 18

Почему клонированное животное может отличаться по фенотипу от донора ядра?

Задание 19 (олимпиадное)

Мутация гена, экспрессирующегося только с материнской хромосомы, вызывает болезнь. Здоровый мужчина — носитель мутации. Какова вероятность болезни у его детей? У его внуков от дочери-носительницы?

Задание 20 (олимпиадное)

При обработке культуры клеток веществом, подавляющим метилирование ДНК (5-азацитидином), в клетках включились ранее молчавшие гены, и часть клеток превратилась в мышечные. Объясните результат. Изменился ли генотип клеток?

Литература

1. Waddington C. H. Canalization of development and the inheritance of acquired characters // Nature. 1942. Vol. 150. P. 563–565. DOI: 10.1038/150563a0.
2. Allis C. D., Jenuwein T. The molecular hallmarks of epigenetic control // Nature Reviews Genetics. 2016. Vol. 17. P. 487–500. DOI: 10.1038/nrg.2016.59.
3. Bird A. DNA methylation patterns and epigenetic memory // Genes & Development. 2002. Vol. 16. P. 6–21. DOI: 10.1101/gad.947102.
4. Fire A., Xu S., Montgomery M. K. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. Vol. 391. P. 806–811. DOI: 10.1038/35888.
5. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. 2006. Vol. 126. P. 663–676. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024.
6. Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. Nutritional control of reproductive status in honeybees via DNA methylation // Science. 2008. Vol. 319. P. 1827–1830. DOI: 10.1126/science.1153069.
7. Kamakura M. Royalactin induces queen differentiation in honeybees // Nature. 2011. Vol. 473. P. 478–483. DOI: 10.1038/nature10093.
8. Waterland R. A., Jirtle R. L. Transposable elements: targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation // Molecular and Cellular Biology. 2003. Vol. 23. P. 5293–5300. DOI: 10.1128/MCB.23.15.5293-5300.2003.
9. Heijmans B. T., Tobi E. W., Stein A. D. et al. Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2008. Vol. 105. P. 17046–17049. DOI: 10.1073/pnas.0806560105.
10. Weaver I. C. G., Cervoni N., Champagne F. A. et al. Epigenetic programming by maternal behavior // Nature Neuroscience. 2004. Vol. 7. P. 847–854. DOI: 10.1038/nn1276.
11. Lyon M. F. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L.) // Nature. 1961. Vol. 190. P. 372–373. DOI: 10.1038/190372a0.
12. Fraga M. F., Ballestar E., Paz M. F. et al. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2005. Vol. 102. P. 10604–10609. DOI: 10.1073/pnas.0500398102.
13. Horvath S. DNA methylation age of human tissues and cell types // Genome Biology. 2013. Vol. 14. R115. DOI: 10.1186/gb-2013-14-10-r115.
14. Ge C., Ye J., Weber C. et al. The histone demethylase KDM6B regulates temperature-dependent sex determination in a turtle species // Science. 2018. Vol. 360. P. 645–648. DOI: 10.1126/science.aap8328.
15. Cubas P., Vincent C., Coen E. An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral symmetry // Nature. 1999. Vol. 401. P. 157–161. DOI: 10.1038/43657.
16. Holliday R., Pugh J. E. DNA modification mechanisms and gene activity during development // Science. 1975. Vol. 187. P. 226–232. DOI: 10.1126/science.187.4173.226.
17. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.