Эпигенетика: кто управляет нашей ДНК и как это можно использовать

Эпигенетика в ее нынешнем обличье появилась в начале XXI века и для многих пока остается чем-то неизвестным и загадочным. А тем временем она активно развивается: ученые совершают фундаментальные открытия, кардинально меняющие представление о работе клеточных процессов сохранения и реализации наследственной информации. О том, что из себя представляет эпигенетика, кто управляет нашими генами и какими успехами может похвастаться его коллектив, Indicator.Ru рассказал создатель лаборатории регуляции транскрипции и репликации ДНК на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ Василий Студитский.

Лабораторные части МГУ старой застройки имеют особую атмосферу. Их мрачные коридоры ассоциируются с советскими секретными лабораториями, и кажется, что за железными дверями в тени громоздких приборов скрываются угрюмые ученые-творцы. Но вот мы оказываемся в лаборатории Василия Студитского, расположенной в корпусе Б. Конечно, есть и творцы, и приборы, но атмосфера светлая и дружелюбная.

Здесь расположено историческое ядро лаборатории, вокруг которого сконцентрирована работа группы регуляции транскрипции и репликации ДНК. Коллектив занимается исследованием эпигенетических факторов — всего того, что определяет, будет ли реализована наследственная информация и, если будет, как. В таких механизмах важную роль играет структура хроматина (комплекса из ДНК, РНК и белков), постоянно изменяющаяся под действием различных факторов. Это называется динамикой структуры хроматина. Важную роль в этом процессе играют ядерные белки гистоны. ДНК несколько раз обвивает их, формируя стабильную катушку-нуклеосому, которую можно создать из очищенных белков и фрагментов ДНК в пробирке, а потом наблюдать за поведением получившегося хроматина в присутствии различных факторов. Если кратко, то в этом и заключается суть работы лаборатории.

Значительная часть оборудования предназначена для получения объектов исследования: сборки многокомпонентных структур, синтеза и очистки ДНК и белков. Для анализа используется два прибора. Первый, Typhoon, позволяет сканировать и анализировать объекты, отдельные фрагменты которых содержат радиоактивную или окрашенную метку. Таким образом можно увидеть интересующие исследователя молекулы, определить содержание вещества, понять, с чем и насколько эффективно взаимодействует соединение.

Второй прибор – настоящая гордость коллектива. Он создан на основе конфокального микроскопа и позволяет исследовать взаимодействие между молекулами и их частями методом FRET. Суть этого метода заключается в том, что при сближении несущих флуоресцентную метку молекул возникает характерное свечение. Такой принцип лежит в основе исследований динамики структуры хроматина: мечение частей нуклеосомы разными флюорофорами позволяет наблюдать изменение цвета свечения и его интенсивности в зависимости от того, что с чем взаимодействует и на каком расстоянии находится.

Наталия Малюченко, доцент кафедры биоинженерии, у конфокального микроскопа

Лаборатория создана в рамках первой волны мегагрантов (2010-2012 годы), и после завершения программы ее судьба сложилась непросто, но успешно. О том, как она была создана, через что прошла и чего добилась, рассказал Василий Студитский, профессор Центра исследований рака Фокс Чейз в США, заведующий лабораторией механизмов и регуляции транскрипции.

Василий Студитский, заведующий лабораторией механизмов и регуляции транскрипции

— С чего началась ваша лаборатория?

— Лаборатория была создана на основе мегагранта, который мы получили в 2010 году. Мне предложили работать вместе с уже существующими группами на базе кафедры биоинженерии. В первую очередь было интересно разработать в России новые техники, в числе которых наша основная — FRET. В Москве я общался с возможными коллабораторами, однако наиболее интересное и продуктивное сотрудничество сложилось здесь, в МГУ. У Алексея Валерьевича Феофанова — профессора кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ — уже были приборы, регистрирующие флуоресценцию, хоть и заточенные под другие задачи. На деньги от мегагранта Алексей Валерьевич построил подходящие для наших общих задач устройства. Также оказалось интересно сотрудничать с двумя другими коллегами. Это Ольга Сергеевна Соколова, доцент кафедры биоинженерии, высокого уровня микроскопист, и Алексей Константинович Шайтан, ведущий научный сотрудник кафедры биоинженерии, замечательный моделировщик, с моей легкой руки перешедший к работе с хроматином [смеется].

Хроматин в то время был (и остается) моей основной тематикой, однако у коллег, уже состоявшихся в собственных областях ученых, экспертиза по данной теме оказалась минимальной. Поначалу было сложно, но мы справились. Я думаю, хорошим показателем является тот факт, что после окончания мегагранта и потери денег ни один из сотрудников не захотел отойти от нашей тематики. В этот критический момент, не без поддержки руководства университета, мы выжили. Лаборатория получила новый грант и осталась на плаву.

— Каковы основные направления работы?

— В начале этого века профессор Университета Рокфеллера Дэвид Эллис предложил концепцию гистонового кода. Ее суть заключается в существовании набора из более чем десяти химических модификаций белков-гистонов, определяющих развитие многих клеточных программ, в том числе связанных с развитием рака. Свою работу по этой тематике я начал в Институте молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта под руководством академика РАН Андрея Дарьевича Мирзабекова, который тогда занимался хроматином. Мои ранние исследования посвящены изучению его динамики непосредственно в клетке. Затем я перешел в американскую лабораторию известного ученого Гэри Фельзенфельда в Национальном институте здоровья США. Здесь начался очень продуктивный период: я начал работать с биологическими системами in vitro, применяя биохимические и биофизические методы исследования, за три года опубликовал несколько статей в Science, Cell и других хороших журналах.

Тут же я совершил свое первое серьезное открытие. Поскольку нуклеосомы являются очень стабильными структурами, было непонятно, как через них проходят ферменты РНК- и ДНК-полимеразы, тоже прочно связывающиеся с ДНК в ходе своей работы по синтезу полинуклеотидных цепей. На модельных ферментах бактерий я выяснил механизм этого загадочного процесса. При транскрибировании (синтезе РНК с ДНК-матрицы) временно возникают очень маленькие внутринуклеосомные петли, по которым движется полимераза. Сзади и спереди от нее возникают контакты с гистонами, позволяющие системе как бы переносить белки-гистоны вокруг фермента. После этого я получил собственную лабораторию, где были открыты подобные механизмы и для эукариотических ДНК- и РНК-полимераз. Предложенные механизмы позволяют объяснить, как гистоны и их модификации сохраняются в различных клеточных процессах.

Этот опыт и осознание важности гистонового кода в клеточных процессах стали основой для научных интересов созданной лаборатории. Кроме продолжения исследований открытых механизмов, ведутся работы с гистоновыми шаперонами — белками, отвечающими за формирование и функционирование нуклеосом. Один из них — PARP-1 — уже долгое время служит мишенью для разработки антираковых лекарств. Другой представитель класса, шаперон FACT, играет важную роль в транскрипции, репликации и, опять же, в развитии рака. Эти белки во многом похожи, однако есть значительные структурные и функциональные отличия.

Студентка 3 курса Дарья Кошкина за работой

— Расскажите, пожалуйста, об основных достижениях лаборатории?

— Тут стоит сфокусироваться на последних пяти годах нашей работы, которая началась, на самом-то деле, уже после завершения мегагранта. Из больших достижений — продолжение исследований механизма транскрипции хроматина, который мы называем «нуклеосомный цикл», поскольку нуклеосомы восстанавливаются на исходном месте после прохождения фермента. Внутри этой тематики открыто еще много фундаментальных вещей. Например, обнаружено, что в стабилизации гистонов при трансрипции ключевую роль играют аллостерические эффекты, основанные на взаимодействии гистонов и ДНК в нуклеосоме. Другим серьезным достижением является открытие АТФ-независимой перестройки хроматина белком FACT: обычно перестройки хроматина происходят с затратой энергии АТФ. Соответствующая статья была опубликована в 2016 году и привлекла внимание наших коллег. Еще одно замечательное открытие заключается в том, что другой наш объект, PARP, тоже может изменять структуру хроматина, хоть и не так значительно, как FACT. Ранее непонятный механизм его действия теперь раскрыт.

Стоит упомянуть, что наши объекты сложны для исследования в техническом плане, а потому используемые техники не очень распространены в мире. Это делает нас, в некоторой степени, лидерами по данной тематике на мировом уровне. Результаты же наших трудов в течение последних пяти лет составляют примерно пятьдесят публикаций с суммарным импакт-фактором около 115.

Еще стоит отметить тот факт, что у нас развито сотрудничество и с американскими, и с другими российскими группами, так что масштаб работ довольно велик. В таком сотрудничестве, кроме научного компонента, есть и элемент смягчения существующего политического противостояния.

— Чем живет лаборатория сейчас, спустя столько лет после завершения мегагранта?

— После завершения мегагранта нам было тяжело в плане финансирования. Внезапная потеря денег стала действительно критическим моментом для существования лаборатории. Работа не прерывалась, но… просто было непросто [смеется]. Нам удалось получить поддержку руководства университета, а затем мы добились нового гранта на восемь миллионов. Так лаборатория продержалась первый критический год. Затем пошли все новые гранты, и до сих пор мы держим средний уровень финансирования в размере около 30 миллионов рублей в год. Большую роль в нашем выживании сыграли мои зарубежные связи, позволившие доставать некоторые редкие штаммы, клеточные культуры и другие реагенты.

— За время существования лаборатории удалось ли вам воспитать себе преемника — нового заведующего?

— Я не ставил задачи воспитывать преемника, поскольку уверен, что наука, в особенности фундаментальная, ведется лидерами со своими особыми интересами. Просто нужно давать развиваться научным интересам сотрудников. Работников своей лаборатории я всячески подталкиваю к развитию, многие из них пишут собственные гранты, кто-то их уже получил. Лаборатория выросла фактически с нуля: сначала я набирал студентов, и их работа начиналась с дипломов и курсовых. Я не считаю их преемниками — у каждого есть свои интересы в науке, иногда вовсе не совпадающие с моими. Всегда при развитии науки появляются некие ответвления и новые тематики, и это нормально. Здорово, что еще ни один человек из моей лаборатории не уехал за рубеж. Всех в основном все устраивает, и нет нужды искать другие варианты.

Коллектив лаборатории. Слева направо: младший научный сотрудник Мария Валиева, студентка Дарья Кошкина, ассистент преподавателя Мария Иванова, магистрантка Анастасия Козлова, доцент Наталья Валериевна Малюченко, ведущий инженер Олег Чертков

— Какими грантами, патентами или стартапами может похвастаться ваш коллектив?

— В настоящий момент у нас есть несколько грантов по механизму транскрипции хроматина, есть по PARP и FACT. С окончания мегагранта нами получено три патента, и еще по одному есть положительное решение: мы разработали методику тестирования веществ, влияющих на процесс старения, а также противоопухолевых препаратов. Это все сделано на основе биохимических методов, сейчас же мы работаем с использованием FRET.

В целом же я придерживаюсь точки зрения профессора Преображенского: «Каждый занимается своим делом». Конечно, получаем патенты, сотрудничаем с коммерческими компаниями, но сильно в практику не уходим, распределяя силы между фундаментальными и прикладными исследованиями.

— Когда вы уехали в Америку?

— Я уехал в 1991, ровно за месяц до развала СССР. В итоге в один момент я оказался в Америке совсем без гражданства… Шучу! Конечно же, проблемы с документами решились быстро, но ситуация была интересная.

— Что заставило вас вернуться? Как много времени вы проводите в России теперь?

— Нельзя сказать «заставило»… Я всегда поддерживал контакт с Россией: были российские студенты и аспиранты, которые приезжали ко мне. Оставались тесные связи со своим родным вузом, Институтом молекулярной биологии и Институтом биологии гена. Мегагрант же показался мне интересной возможностью вернуть в Россию то, что я в свое время в некотором роде увез в США, тем более что при таком повороте политики правительства в отношении науки появился реальный шанс что-то создать. Я понимал, что это будет непросто, однако ввязался в сумасшедшую конкуренцию за мегагрант и выиграл его.

А вот второй вопрос в отношении меня немного неподходящий, поскольку в силу семейных обстоятельств в России я бываю гораздо реже, чем хотел бы. Стоить спросить вот что: сколько времени я уделяю лаборатории в МГУ? Ответ — очень много. Как минимум каждую неделю мы проводим трехчасовые семинары по скайпу, я общаюсь с сотрудниками по отдельности, да и вообще всячески участвую в жизни лаборатории. У нас сильно развито взаимодействие внутри коллектива, а это требует много времени и сил. Хотя, на самом деле, спустя столько лет работа вошла в режим автоматизма и некоторые решения (например, касающиеся оборудования) уже и не требуют моего вмешательства. Народ у нас в этом плане ответственный.

— После долгого отсутствия вы вернулись в свою альма-матер. Сильно ли изменился облик МГУ с момента вашего переезда в Америку?

— Я иногда приезжал в Москву. Могу сказать, что в середине-конце девяностых ситуация в МГУ была очень грустной. Порой создавалось впечатление динозавра, который вот-вот вымрет. А потом в начале нового тысячелетия произошел заметный подъем практически во всех областях науки, да и вообще МГУ похорошел, почистил перышки — теперь Университет в очень неплохой форме. Приятно это осознавать и даже в некоторой степени участвовать в его возрождении.

— Можете поделиться своими научными планами?

— Планы определяются людьми, которые работают в лаборатории. Будут развиваться два основных направления: структурная динамика хроматина в рамках эпигенетики и анализ различных процессов, участвующих в развитии рака. Это основные направления, однако мы не знаем, куда нас занесет через год или два [смеется]. И у сотрудников, и у меня постоянно возникают новые идеи — наука и лаборатория продолжают развиваться.

Источник: indicator.ru