научная статья по теме АДАПТИВНАЯ ЭПИБИОХИМИЯ И ЭПИГЕНЕТИКА (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «АДАПТИВНАЯ ЭПИБИОХИМИЯ И ЭПИГЕНЕТИКА (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 9, с. 1376 - 1390

УДК 577.152.2:575.826

АДАПТИВНАЯ ЭПИБИОХИМИЯ И ЭПИГЕНЕТИКА

Обзор © 2015 Я.И. Бурьянов

Филиал Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 142290 Пущино, Московская обл.; факс: +7(4967)330-527, электронная почта: buryanov@bibch.ru

Поступила в редакцию 16.03.15 После доработки 21.04.15

В клетках всех организмов протекают энзиматические реакции постсинтетической модификации макромолекул. Эти реакции, которые можно назвать эпибиохимическими, относятся к особому типу и, в отличие от реакций с низкомолекулярными субстратами, протекают на уровне биополимеров, вызывая их ковалент-ную модификацию. Большинство эпибиохимических модификаций белков, ДНК и РНК обратимы и осуществляются соответственно с помощью модифицирующих трансфераз и демодифицирующих ферментов. Эпибиохимические (расположенные «над» низкомолекулярными метаболитами) модификации белков и нуклеиновых кислот выполняют разнообразную функциональную роль, включая участие в молекулярных механизмах адаптивной эпигенетической наследственности. В настоящей работе рассмотрены некоторые адаптивные эпибиохимические реакции и основанные на них адаптивные эпигенетические процессы, а также обсуждаются особенности эпигенетического наследования приобретенных признаков и границ биологической эволюции.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: адаптация, эпибиохимия, эпигенетика, трансгенерационная наследственность, эволюция.

История исследования молекулярных механизмов эпигенетики богата парадоксами. Так, до расшифровки структуры ДНК сторонники Т.Д. Лысенко на печальной памяти сессии ВАСХНИЛ 1948 г., критикуя гениальное предвидение И.И. Шмальгаузена, насмешливо замечали, что в его «субстрате филогенеза» имеется все: и наследственные изменения, и модификации, и изменения онтогенеза, и мутации [1]. В 1957 г. Ф. Крик, несмотря на свою же матричную модель репликации ДНК, беспомощно пытался объяснить присутствие в ДНК 5-метилци-тидина в последовательности ш5Срв прямым включением этого динуклеотида в синтезируемую цепь [2]. Лысенко в защиту Ламарка на той же сессии отмечал, что «... положения ламаркизма, которыми признается активная роль внешней среды в формировании живого тела и наследственность приобретаемых свойств, в противо-

Принятые сокращения: БТШ — белки теплового шока, эбх-модификации — эпибиохимические модификации, МГЭ — мобильные генетические элементы, СрНрв (Н = А, Т или С), Ср^рв ^ = А или Т), ш5С - 5-метил-цитозин.

положность метафизике неодарвинизма (вейсманизма), отнюдь не порочны, а, наоборот, совершенно верны и вполне научны» [3]. В настоящее время созрела необходимость современной оценки научной значимости теории Ламарка наследования приобретенных признаков [4, 5]. Основанием для этого служат примеры эпигенетической адаптации организмов к условиям окружающей среды. К их числу относится явление яровизации растений. Термин «яровизация» был впервые предложен в 1929 г. Лысенко. В 1935 г. он стал редактировать научный журнал «Яровизация», где под этим термином (или более поздним английским — «вернализация» (vernalization)) рассматривается явление ускорения цветения растений под длительным воздействием пониженной температуры. Яровизация относится к эпигенетическим адаптивным процессам и сопровождается изменением структуры хроматина клетки. Наряду с участием некодиру-ющих РНК в изменении структуры хроматина, этот процесс сопровождается посттрансляционной модификацией гистонов, пострепликатив-ным метилированием ДНК и посттранскрипционными модификациями РНК. Эти биохими-

ческие модификации, которые можно назвать эпибиохимическими (эбх-модификации), относятся к особому типу: они протекают, в отличие от реакций с низкомолекулярными субстратами, на уровне биополимеров, вызывая их кова-лентную модификацию. Большинство эбх-мо-дификаций белков, ДНК и РНК обратимы и осуществляются соответственно с помощью специфических трансфераз и демодифицирую-щих ферментов. Эпибиохимические (расположенные «над» низкомолекулярными метаболитами) энзиматические модификации белков и нуклеиновых кислот протекают в клетках всех организмов и выполняют разнообразную функциональную роль, в том числе, они лежат в основе молекулярных механизмов адаптивной эпигенетической наследственности. В настоящем обзоре рассмотрены некоторые адаптивные эбх-модификации и основанные на них адаптивные эпигенетические процессы, а также обсуждаются особенности эпигенетических механизмов наследования приобретенных признаков и границ биологической эволюции.

АДАПТИВНАЯ ЭПИБИОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Существуют более сотни видов посттрансляционной энзиматической модификации белков, среди которых наиболее распространенными являются фосфорилирование, ацетилирование, метилирование, биотинилирование, убиквити-нилировние и АСР-рибозилирование, представляющие особый интерес с точки зрения их участия в эпигенетических процессах модификации гистонов и других белков хроматина, а также в различных процессах защиты клетки и целостности клеточного генома. Эбх-модифи-кации регулируют энзиматическую активность белков, особенности их взаимодействия с другими белками и нуклеиновыми кислотами, определяют продолжительность жизни самих белков в клетке. Кроме того, эбх-модификации белков сопровождают внутриклеточную передачу сигналов окружающей среды от сенсоров-рецепторов на специфические молекулярные структуры клетки и ее генетический аппарат. Благодаря эбх-модификациям аминокислот ~30 тыс. различных белков, кодируемых эукариотическим геномом, способны к преобразованию в миллионы новых структурных форм.

В большинстве случаев ковалентные модификации белков обратимы и осуществляются специфическими ферментами. При этом сами модифицирующие ферменты могут подвергать-

ся регулируемым модификациям. Эбх-модифи-кации ферментов регулируют клеточный метаболизм в ответ на различные сигналы окружающей среды. Классическим примером эбх-моди-фикации является фосфорилирование—дефос-форилирование ферментов биосинтеза и распада гликогена и крахмала соответственно у животных и растений. Регуляция таких метаболических процессов осуществляется каскадом эн-зиматических реакций, амплифицирующих первичные гормональные сигналы [6, 7]. Эбх-модификации различных белков выполняют существенные адаптивные функции. В настоящем обзоре рассмотрение адаптивных эбх-модифи-каций белков ограничено только несколькими типами; не обсуждаются такие типы эбх-моди-фикаций белков, как гликозилирование, липи-дирование и АDР-рибозилирование, требующие отдельного рассмотрения.

Эпибиохимическая модификация белков в ответах на сигналы окружающей среды. Все организмы имеют генетико-биохимические системы, обеспечивающие способность адаптироваться и выживать в меняющихся условиях окружающей среды. Ответные реакции регулируются многочисленными сигнальными каскадами, где на уровне первичной рецепции сигнала рецепторы-сенсоры сначала сами подвергаются автофосфорилированию, затем фосфорилируют регуляторные белки. Протеинфосфатазы являются важными клеточными регуляторами (такими же, как и протеинкиназы). Экспрессию генов, кодирующих индуцибельные белки ответа на сигналы окружающей среды, регулируют многочисленные транскрипционные факторы, активация которых осуществляется путем их фосфорилирования. Активированные транскрипционные факторы связываются со специфическими последовательностями регуляторно-про-моторных областей генов и запускают их транскрипцию [8, 9]. Транскрипционные факторы — одно из самых больших семейств белков клетки, участвующих на конечных этапах регуляции экспрессии генов сигналами окружающей среды. В адаптации организма к повышенной температуре и другим стрессовым условиям большая роль принадлежит белкам теплового шока (БТШ), функционирующим в клетках всех организмов. У разных организмов эти белки практически идентичны [10]. В промоторах генов БТШ содержатся короткие специфические нуклео-тидные последовательности, с которыми связываются факторы теплового шока. На поразительную структурно-функциональную консервативность генов БТШ всех организмов может указывать правильное функционирование промотора гена Нзр70 дрозофилы в клетках транс-

генных растений [11]. Защитная функция БТШ связана с поддержанием ими правильной кон-формации и функциональной активности внутриклеточных белков и защитой их от денатурации и агрегации. Некоторые БТШ могут функционировать в составе иммунной системы, участвуя в связывании и презентации антигенов [12]. Функционирование БТШ может регулироваться путем их фосфорилировния [13]. К одному из семейств белков теплового шока относится убиквитин и другие убиквитин-подобные белки [14]. Убиквитин ковалентно связывается с различными белками и участвует в протеасом-ной утилизации старых внутриклеточных белков. БТШ интенсивно экспрессируются в условиях теплового шока, а постоянно присутствующие в клетках в малом количестве без тепловой индукции эти белки выполняют шаперонные защитные функции и участвуют в процессах белкового фолдинга и восстановления правильной третичной структуры поврежденных белков. Примером эбх-модификаций белков, выполняющих важные защитные функции, являются множественные модификации транскрипционного фактора p53, в том числе, фосфорилирова-ние, ацетилирование и убиквитинилирование [15]. Белок р53 активируется различными стрессовыми сигналами и контролирует транскрипцию генов, кодирующих белки программы апоптоза и регуляторные белки клеточного цикла [16]. Белок р53 супрессирует формирование злокачественных опухолей, участвует в клеточной дифференцировке, контроле старения и индукции антиоксидантных генов и генов-антагонистов апоптоза. При появлении повреждений ДНК, а также при многочисленных стрессах, ведущих к повреждению ДНК, белок p53 активируется, связывается с регуляторной последовательностью (p53-response element) ряда специфических генов репарации ДНК и запускает их транскрипцию, поддерживая таким образом целостность генома.

К транскрипционным факторам относится мультифункциональный ядерно-цитоплазмати-ческий белок YB-1 с доменом холодового шока, взаимо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»