Концепция эпигена: понятийная и логическая схема

Эпигеном была названа наследственная единица, циклическая система, имеющая не менее двух режимов функционирования подчиненных ей генов, способная сохранять каждый из режимов в последовательном ряду поколений (Чураев, 1975). Эпиген, который включает одну единицу транскрипции, является однокомпонентным. В этом случае цикл обратной связи осуществляется за счет авторегуляции. Обратная связь может быть позитивной или негативной. Возможны двухкомпонентные эпигены и более сложные их композиции (Чураев, 1982). Понятие эпигенотип в рамках концепции впервые получает не размытый, а более конкретный смысл, как перечень генов, входящих в эпигены с указанием их состояния. Состояние эпигена можно обозначать символами входящих в него генов с обозначением А¹ — активное и А⁰ — неактивное состояние гена А, который контролирует изменения данного признака.

Введение подобной символики позволило провести интересный логический анализ результатов скрещиваний разных эпигомозигот А¹А¹ и А⁰А⁰, отличающихся по состоянию эпигена. В потомстве эпигетерозиготы а¹а⁰ — введение этого термина есть естественное логическое следствие концепции эпигена — теоретически предсказывается неменделевское наследование, когда наблюдается резкий дефицит одного из эпигенотипов, вплоть до его "поглощения".

Определив понятие эпигена, можно рассмотреть разные ситуации эпигенной изменчивости. На рис. 3 приведены блок-схема однокомпонентного эпигена с позитивной авторегуляторной связью на уровне транскрипции и дана полнач система понятий для описания эпигенной изменчивости. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях или разных состояниях эпигена, обозначаемых как эгшаллели А¹ и А⁰. Понятие "эпимутация", введенное Р. Холлидеем (1987) для обозначения наследуемых обратимых изменений, соотносится с транскрипционным переключением эпигена из одного состояния в другое. Эпимутация происходит, например, при блокировании продукта гена–регулятора или при трансактивации неактивной связью на уровне транскрипции. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях в клетках эпигетерозигот (рис. 3). Таким образом, понятия "эпиаллель" и "эпимутация", введенные независимо разными авторами при изучении эпигенетической изменчивости (Holliday, 1987; Jorgensen, 1993), легко вписываются в концепцию эпигена. Наблюдается удивительная параллель с тем, как "находили друг друга" термины ген, аллель и мутация.

Рис. 3. Однокомпонентный эпиген с позитивной авторегуляцией (логическая схема; RP — область регулятора и промотера)

Структурный ген А и ген-регулятор R входят в одну единицу транскрипции, образуя авторегуляторную связь. Показаны два аллельных состояния эпигена и возможное поведение системы в потомстве эпигетерозигот. При скрещивании фенотипически различных эпигомозигот в потомстве эпигетерозиготы А¹/А⁰ возможны унификация эпигенов и неменделевское наследование (Чураев, 1975), как это регулярно происходит у инфузорий (Успенская, Юдин, 2000).

Введение понятия эпигена и его символическая презентация позволили уже на самых простых моделях выявить важные следствия. Так, если имеются два структурно различных аллеля одного гена А1 и А2 и при этом генотипы гомозигот А1А1 и А2А2 отличаются как-то друг от друга и от гетерозигот А1А2, то мы имеем три разных генотипа. Если же аллели этого гена входят в состав эпигена, то возможны четыре эпиаллеля А1¹, А1⁰, А2¹, А2⁰, 6 эпигенотипов и 4 класса фенотипов. В случае же аллельной специфичности продукта гена-регулятора к рецепторной зоне своего эпигена число эпигенотипов возрастает до восьми! (Чураев, 1975).

Р. Чураев разработал более общее строгое теоретико-математическое описание путей и способов кодирования, хранения и передачи функциональной информации в ряду последовательных поколений. Единицы (ячейки) функциональной наследственной памяти были названы биотонами. К биотонам, к примеру, относится транспозиционное переключение типов спаривания у дрожжей, инверсионный способ переключения экспрессии генов у сальмонелл. Биотоны — родовое понятие по сравнению с эпигеном, эпигены — частный случай биотонов. Для последних наличие циклических связей не является необходимым (Чураев, 1997).

Гипотеза эпигена через 20–25 лет после того, как была высказана, получила достойное завершение: Чураев и его коллеги (Tchuraev, et. al., 2000), а затем две группы исследователей в 2000 году осуществили синтез эпигенов. Альтернативные режимы их функционирования соответствуют предсказаниями теории (Чураев, 1981; Judd, Laub, McAdams, 2000).

Транспозоны и эпигены

Особенно знаменательно, что транспозоны прокариот и эукариот могут иметь эпигеноподобную организацию. В транспозоне Тп3 у бактерий ген R имеет две функции: действует как репрессор транскрипции гена, ответственного за синтез транспозазы, от которой зависит подвижность данного МГЭ, и как репрессор собственной транскрипции (Хесин, 1984). В итоге в этой системе возможен колебательный режим, который ограничивает неограниченную транспозицию.

Транспозон Тп10 у бактерий тоже можно рассматривать как однокомпонентный эпиген. Регуляторная связь здесь воплощается на уровне взаимодействия РНК — РНК. В транспозоне есть два противоположно ориентированных промотора, перекрывающихся на участке в 36 п. н. В результате ингибируется трансляция гена, кодирующего транспозазу (Хесин Р. Б., 1984).

Эпигенный принцип регулирования характерен и для таких мобильных элементов эукариот, как Р-транспозон у дрозофилы и Spm у кукурузы (Rio, 1990; Gierl, 1990; Fedoroff, Masson, Banks, 1989). Р-транспозон у дрозофилы среди мобильных элементов эукариот является своеобразным чемпионом по подвижности. Он обладает способностью встраиваться в самые разные участки хромосом и в настоящее время является универсальным вектором, на основе которого создаются искусственные генно-инженерные конструкты и проводятся опыты по трансгенозу (Rio, 1990). В природных популяциях естественная активация Р-элементов вызывает вспышки мутаций в локусах-мишенях (Голубовский, Беляева, 1985).

Эпигенная регуляция Р-транспозона была открыта при анализе его поведения в ситуации гибридного дисгенеза. В линиях Р-цитотипа в хромосомах есть один или несколько активных Р-элементов, а в цитоплазме — репрессор их транспозиции. В линиях М-цитотипа, куда относится абсолютное большинство лабораторных линий, в хромосомах нет активных Р-копий, а в цитоплазме нет Р-репрессора. У гибридов от скрещивания самок М-цитотипа с самцами из Р-линий (но не наоборот!) наблюдается ряд отклонений, названных гибридный дисгенез: массовая транспозиция Р-элемента, сопровождаемая вспышкой мутаций, поломками хромосом и стерильностью.

Р-транспозон является авторегуляторным однокомпонентным эпигеном. Концы транспозона обрамлены короткими обратными повторами в 31 п. н., от которых зависит способность к перемещениям, активируемая собственной транспозазой. Транспозон включает одну единицу транскрипции и один ген, но в силу альтернативного сплайсинга этот ген кодирует два разных продукта. В генеративных клетках образуется ДНК-связывающий белок — транспозаза с молекулярным весом 87 килодальтон. Транспозаза имеет сродство к собственной промоторной области. В соматических клетках сплайсинг дефектен, образуется "усеченный" белок-в 66 кДа. Он является репрессором, и поэтому там транспозон неподвижен.

Репрессия подвижности элемента происходит на уровне транскрипции, как показали опыты с внедрением в геном дрозофилы бактериального гена–репортера, несущего Р-промотор. Однако не исключено, что негативная авторегуляция возможна и на уровне сплайсинга или кооперативных белковых взаимодействий. Репрессор накапливается в овоцитах и способен передаваться в течение ряда поколений, с чем связывают материнскую наследственность при гибридном дисгенезе (Rio, 1990).

Эпигенная организация МГЭ действует как авторегулятор, приводя к самоограничению количества "эгоистичных", способных к безудержному размножению потенциально мобильных фракций ДНК.

Транспозон Spm у кукурузы имеет сложную систему авторегуляции своей подвижности, которая зависит от уровня транскрипции гена транспозазы, входящего в состав этого элемента. Регуляторная зона Spm состоит из двух районов общей длиной около 500 п. н., расположенных один слева, а другой — справа от старта транскрипции. Эти участки образованы повторами, которые способны метилироваться и блокировать транскрипцию. Чем больше повторов метилировано, тем ниже уровень траскрипции транспозона. Транспозаза, кодируемая Spm, способна связываться с этими участками и, таким образом, предотвращать их метилирование, выступая в роли позитивного авторегулятора. Когда образуется избыток транспозазы, она становится негативным авторегулятором за счет связывания с повтором, перекрывающим промотор (Fedoroff, et al., 1995).