Рис. 3.2. Модельные организмы, используемые в эпигенетических исследованиях
Схематическое изображение модельных организмов, используемых в эпигенетических исследованиях. S. cerevisiae: переключение типов спаривания для изучения эпигенетического контроля на уровне хроматина. S. pombe: мозаичный сайленсинг генов, проявляющийся как секторирование колонии. Neurospora crassa: эпигенетические системы защиты генома связаны с точечными мутациями, индуцированными повторами, подавлением [quelling] и мейотическим сайленсингом неспаренных нитей ДНК; все это выявляет взаимодействие между путями РНК-интерферениии, ДНК и метилированием гистонов. Tetrahymena: Хроматин в соматических ядрах и ядрах зародышевого пути различается эпигенетически регулируемыми механизмами. Arabidopsis: модель для репрессии с помощью механизмов сайленсинга ДНК. гистонов и сайленсинга, направляемого РНК. Кукуруза: модель для импринтинга. парамутации и сайленсинга, индуцируемого транспозонами. С. elegans: эпигенетическая регуляция в зародышевом пути. Drosophila: обусловленный эффектом положения мозаицизм проявляется в виде клональных пятен экспрессии и сайленсинга гена белой окраски глаз (white). Млекопитающие: инактивация Х-хромосомы.
Что касается понимания развития у животных. Drosophila с давних пор была и остается постоянным генератором генетической энергии Основываясь на пионерской работе Меллера (Muller, 1930), было получено множество мутаций, влияющих на развитие, в том числе мутации, вызывающие гомеотические трансформации и эффект положения мозаичного типа; эти мутации описываются ниже (глава 5). Мутации, вызывающие гомеотические трансформации, привели к мысли, что могли бы существовать регуляторные механизмы для установления и поддержания клеточной идентичности/памяти; позже было показано, что они регулируются системами Polycomb и tnthorax (главы 11 и 12). Что касается эффекта положения мозаичного типа (PEV), то активность гена диктуется структурой окружающего хроматина, а не нуклеотидной последовательностью ДНК. Эта система оказалась особенно информативной для выявления факторов, участвующих в эпигенетическом контроле (глава 5). Полагают, что свыше 100 супрессоров мозаичности [Su(var)] кодируют компоненты гетерохроматина. Без фундамента, созданного этими имеющими важное значение исследованиями, были бы невозможны открытие первых метилтрансфераз лизинов в гистонах (HKMTs) (Rea et al. 2000) и вытекающие из него достижения в области метилирования лизина гистонов. Как нередко случается в биологии, у дробянковых дрожжей и у растений был проведен сравнительный скрининг, выявивший мутанты по сайленсингу, которые оказались функционально консервативными с генами Su(var) у Drosophila.
Применение методов обратной генетики с использованием библиотек RNAi у червя-нематоды С. elegans внесло существенный вклад в наше понимание эпигенетического регулирования в ходе развития многоклеточных. Здесь исследования, в которых тщательно прослеживалась судьба клеток и которые позволили детализировать все пути развития для каждой клетки, позволили высветить тот факт, что системы Polycomb и tritorax, вероятно, возникли одновременно с появлением многоклеточности (см. разделы 12 и 13). В частности, эти механизмы эпигенетического контроля имеют существенное значение для регуляции генов в зародышевом пути (глава 15).
Роль эпигенетики в развитии млекопитающих в основном была выяснена на мышах, хотя ряд исследований был распространен на разнообразные линии клеток человека и первичные клеточные культуры. Технологии нокаута и направленных вставок («knock-out» и «knock-in») оказались мощным инструментом для функционального расчленения ключевых эпигенетических регуляторов. Например, мыши, мутантные по метилтрансферазе ДНК, Dnmt1, позволили выяснить функциональную роль метилирования ДНК у млекопитающих (Li et al., 1992). Эта мутация является эмбриональной леталью и демонстрирует нарушение импринтинга (глава 18). Было также показано, что нарушение метилирования ДНК вызывает нестабильность генома и возобновление активности транспозонов, в частности в зародышевых клетках (Walsh et al., 1998; Bourc’his and Bestor, 2004). Охарактеризовано приблизительно 100 факторов, регулирующих хроматин (т. е. ферменты, модифицирующие гистоны и ДНК, компоненты комплексов ремоделинга нуклеосом и механизма РНКи), которые повреждены у этих мышей. Мутантные фенотипы затрагивают пролиферацию клеток, коммитирование клеточных линий, пластичность стволовых клеток, стабильность генома, репарацию ДНК и процессы сегрегации хромосом, как в соматических клетках, так и в зародышевом пути. Неудивительно, что большинство этих мутаций связаны также с развитием заболеваний и рака. Таким образом, многие из этих ключевых успехов в изучении эпигенетического контроля были достигнуты с использованием тех преимуществ, которые обеспечивались уникальными биологическими особенностями, свойственными многим, если не всем, вышеупомянутым модельным организмам. Без этих биологических процессов и их тщательного функционального анализа (генетического и биохимического) многие из недавних успехов в области эпигенетического контроля оставались бы труднодостижимыми.