Так что же с наследованием?

Рис. 6  Репликация ДНК (кружками обозначены метильныегруппы)

Вопрос о том, когда и в какой степени метилируются ДНК в клеточном цикле у растений и животных, нас интересовал в особенности. Известно, что синтез одной из цепей ДНК при репликации двутяжевых ДНК происходит непрерывно, а другой — прерывисто, с образованием относительно коротких фрагментов, которые затем сшиваются в одну непрерывную цепь (рис. 6). Мы задались целью выделить эти фрагменты и выяснить, метилированы ли они или нет. Оказалось, что при выращивании растительных и животных клеток в культуре, когда их концентрация в среде высока, синтез одной из цепей ДНК ограничивается образованием коротких фрагментов: лигирования (сшивания)не происходит. Эти фрагменты нам удалось получить в ощутимых количествах и изучить их метилирование. Они на самом деле представляли собой фрагменты, описанные японским учёным Оказаки. Так вот, мы выяснили, что фрагменты Оказаки метилированы как у животных, так и у растений — следовательно, метилирование начинается уже при „рождении“ ДНК.

Но кроме этого, мы установили, что по степени и специфичности метилирования фрагменты Оказаки отличаются от лигированных интермедиатов репликации и от зрелой ДНК. В отличие от лигированной ДНК метилирование фрагментов Оказаки устойчиво к действию различных ингибиторов и не подавляется гормонами (ауксины у растений). Мы пришли к выводу, что в ядре имеется несколько ДНК-метилаз, которые обслуживают ДНК на разных стадиях репликации. Это полностью согласуется с современными данными.

Рис. 7  Состояние генов и их активация путем уменьшения метилирования.

Вместе с М.Д. Кирносом и Н.И. Александрушкиной мы предложили и описали новый механизм природной регуляции репликации с помощью метилирования. Установлено, что в результате репликации у растений образуются полуметилированные дуплексы ДНК (как на рис. 7): одна цепь метилирована значительно сильнее другой. Эта асимметрия цепей уменьшается к концу клеточного цикла, и перед новой репликацией полуметилированные сайты становятся полностью метилированными. Репликация полуметилированных ДНК в клетке, по-видимому,запрещена, так как она привела бы к утрате эпигенетического сигнала. Много позже было показано, что такая регуляция репликации реализуется у бактерий.

Рис. 8  Регуляция метилированием репликации ДНК в клеточном цикле.

Теперь стало более или менее понятным, как именно эпигенетический сигнал (характер метилирования) передаётся по наследству. При репликации возникают полуметилированные ДНК (как на рис. 8). В таком состоянии (рис. 7), по-видимому, и работает большинство генов в интерфазном ядре, то есть в течение всей жизни клетки между делениями. Перед очередным раундом репликации генома и делением клетки особые ДНК-метилазы, задача которых — поддерживать статус метилирования (их так и называют: поддерживающего типа), превращают полуметилированные сайты в полностью метилированные.5-метилцитозин в одной цепи служит отличительным признаком и условием для метилирования цитозинового остатка в комплементарной цепи. После этого гены инактивируются (с нихбольше не считывается РНК), и разрешена репликация ДНК (рис. 7, 8).

Таким образом, характер метилирования ДНК наследуется! И это доказано уже многими опытами. Например, установлено, что обработка растений ингибитором метилирования ДНК — 5-азацитидином —приводит к наследуемому в нескольких поколениях сильному (иногда более чем на 30%) увеличению белковости зерна. Такое и не снилось генетикам и селекционерам. Обычно гены запасных белков сильно зарепрессированы, для прорастания и начального развития растения вполне достаточно того количества запасного белка, которое синтезируется при работе генов „вполсилы“. Под действием 5-азацитидина ДНК деметилируется, и эти гены экспрессируются гораздо интенсивнее. Растению в принципе это и не нужно, зато нам — большая выгода: зерно, хлебушко наш насущный, особенно ценно для нас белком, а крахмал мы из картошки получим.

Не исключено, что неправильный, искажённый характер метилирования ДНК иногда наследуется прочно или даже навсегда. В одних случаях это может быть благом, а в других — большим злом, горем, наследственными болезнями. Однако клетка всегда стремится вернуться к исходному, правильному „портрету“ модификации её генома, и у неё существуют особые тонкие механизмы для поправки таких ударов судьбы и среды. К сожалению, мы ещё очень мало знаем об этих премудростях живого.

Как бы то ни было, сегодня доподлинно известно, что метилирование ДНК в клетке — не пустяк, оно контролирует все генетические процессы, в том числе такие, как транскрипция, репликация, рекомбинация, транспозиция генов, репарация, инактивация Х-хромосомы (половаядифференцировка). Неудивительно, что к изучению этой небольшой энзиматической модификации генома приковано внимание многих исследователей.

Здесь речь шла лишь о метилировании цитозиновых остатов в ДНК. Недавно нам удалось показать, что у эукариот геном метилируется и по адениновым остаткам. А это ещё зачем? Пока мы не знаем ответа, но предполагаем, что эта модификация также контролирует репликацию ДНК, а может быть, как у бактерий, она регулирует и экспрессию генов. Пока мы держим в руках лишь один из растительных ферментов, который метилирует адениновый остаток (внутренний А в последовательности TGATCA, предпочтительно у однотяжевых ДНК). По-видимому,этот фермент участвует в контроле за репликацией митохондриальных ДНК.