Термін «епігенетичний ландшафт» був запропонований Конрадом Воддінгтоном у 1957 році як концептуальна метафора, що описує процес диференціації клітин як рух «схилами» та «долинами» умовного ландшафту, керований регуляторними взаємодіями генів, а не змінами в послідовності ДНК. У цьому контексті епігенетика визначається як «вивчення будь-яких потенційно стабільних і, в ідеалі, успадкованих змін експресії генів або клітинного фенотипу, які з'являються без змін у парах основ ДНК»
«Епігенетичний ландшафт» був ранньою спробою пояснити появу варіантів розвитку як результат внутрішніх обмежень (регуляторних взаємодій), сформованих еволюцією. Завдяки великій кількості молекулярно-генетичних і геномних досліджень, тепер існування генних регуляторних мереж можна описувати на основі експериментальних даних. Паралельно розвивається математичне моделювання цих процесів, засноване на концепції теорії катастроф Тома, яка є корисним інструментом для розуміння й прогнозування вибору долі клітини в моделях. Щоб підкреслити відмінність між класичною метафорою Воддінгтона та сучасним розумінням, дослідники ввели термін «епігенетичний ландшафт атракторів»: концепцію, яку формально оформлено в контексті генетичних мереж і теорії динамічних систем.
Термінологічно «епігенетичний ландшафт» — це збірне поняття. У його описі особливого успіху досягли математики, що працюють у галузі теорії катастроф і фракталів, а також філософи й біологи, що вивчають регулювання експресії генів. «Епігенетичний ландшафт» як термін також використовується у дослідженнях зі спортивної медицини, моделювання рідкісних хвороб, особливостей організації хроматину плодових мушок, розвитку серцево-судинних хвороб, шизофренії, численних онкологічних процесів, алкоголізму, в дослідженнях взаємодій в еволюції прокаріотів і еукаріотів.
У біології стовбурових клітин Показовим випадком синтетичних досліджень слугує вивчення диференціювання стовбурових кровотворних клітин в контексті «епігенетичного ландшафту» й ентропії. На думку авторів дослідження 2018 року, ідея потенційного епігенетичного ландшафту диференціації передбачає, що під час диференціювання стовбурові клітини наближаються до стабільного стану рівноваги від більш високої вільної енергії до стійкого стану рівноваги, який описує кінцевий тип диференційованих клітин. Передбачалося, що існує аналогія з поняттям ентропії в статистичній механіці. У цьому контексті в недиференційованому стані ентропія буде великою, оскільки існує менше обмежень на програми експресії генів клітини. У ході розгортання програми диференціювання, експресія генів стає все більш і більш обмеженою і отже, ентропія повинна зменшитися. Щоб оцінити ці прогнози, була обчислена ентропія Шеннона для даних по експресії гена в окремих клітинах, взятих на різних часових відмітках у двох різних експериментальних установках. де відбувалося диференціювання клітин гематопоетичної лінії. Виявилося, що поведінка ентропії в цьому випадку суперечить передбаченими оцінкам, зокрема в тому, що ентропія Шеннона не знижується по ходу розвитку клітини, але натомість вона зростає до моменту детермінації, а потім знову зменшується. Така поведінка узгоджується зі збільшенням порушень експресії генів, які спостерігаються в популяціях, відібраних на момент здійснення події. Поодинокі клітини в цих популяціях демонструють різні комбінації активності регуляторних можливостей, які припускають наявність безліч конфігурацій потенційної мережі диференціювання в результаті безлічі точок входу в початковий стан.
Як показують дослідження долі одиночних гемопоетичних стовбурових клітин, гематопоез включає клітинне диференціювання мультипотентних клітин в прогресивно більш обмежені лінії. При вивченні «ландшафту» доступності хроматину, хроматин був вивчений у всіх відібраних популяціях. Регуляторні варіації окремих клітин були приховані в складній системі генетичних мереж. Були зібрані профілі доступності хроматину в поодиноких клітинах з 10 популяцій імунофенотипових гематопоетичних клітин людини і сконструйовані ландшафти доступності хроматину лінії гематопоезу людини для опису траєкторій диференціювання. Виявили варіації, які узгоджуються зі схильністю клітин до різних гілок розвитку мультипотентних типів. Спостерігалася гетерогенність траєкторій диференціювання серед загальних мієлоїдних попередників і гранулоцитарно-макрофагальних попередників. Крім того, дані (scRNA-seq) були порівняні, щоб визначити події, які відбуваються під час дії факторів транскрипції, що призводить до змін доступності хроматину (тобто вплив на регуляторні елементи для цільових генів корелює з доступністю регуляторних елементів). Автори цього дослідження виявили значну адаптивність генетичних мереж, яка реалізується в ході розвитку, спрямовуючи клітини до диференціювання в ті чи інші лінії, відповідно до їхнього оточення, що в цілому підтверджує ідею «епігенетичного ландшафту».
Ембріональні та індуковані стовбурові клітини Прикладом вивчення епігенетичного ландшафту є дослідження справжніх стовбурових клітин. Ембріональні стовбурові (ES) клітини, які розвиваються з внутрішньої ембріональної клітинної маси під час стадії передімплантації, можуть проліферувати необмежено довго, зберігаючи свій фенотип і диференціюючись в будь-які типи клітин трьох зародкових листків, що дає їм характеристику, відому як плюрипотентність. Така здатність до самооновлення й плюрипотентності ES-клітин опосередкована декількома факторами транскрипції: OCT4, SOX2 і NANOG, які високо експресуються в недиференційованих ES-клітинах. Пов'язані з плюрипотентністю фактори транскрипції спільно займають промотори KLF4 та інших генів, які беруть участь в самооновленні. Ці фактори також зв'язуються з промоторами генів-регуляторів детермінації ліній розвитку і клітинного диференціювання. У 2006 році Такахаші та Яманака виявили, що надекспресія чотирьох транскрипційних факторів, Oct3/4, Sox2, Klf4 і c-Myc, може перепрограмувати фібробласти в ES-подібні клітини, які назвали індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами (iPS-клітини). iPS-клітини дуже схожі на ES-клітини за геномними, клітинними й молекулярно-біологічними характеристикам. Примітно, що ті ж чотири фактори, виявлені в мишачій системі, були здатні надавати плюріпотентність клітинам людини. Це вказує на те, що фундаментальна транскрипційна мережа, яка регулює плюріпотентність, зберігається у різних видів. На відміну від ES-клітин, пряме перепрограмування забезпечує зручний і етичний засіб генерування плюрипотентних стовбурових (PS) клітин. Вже за кілька років після відкриття iPS-клітин з'ясувалося, що вони мають неймовірний потенціал для досліджень і терапевтичних застосувань у регенеративній медицині. Цікаво, що iPS-клітини мають дуже подібні генетичні та епігенетичні особливості до ES-клітин. На регуляцію генів впливає не тільки послідовність ДНК, яка несе спадкову інформацію, але також і епігенетичні модифікації, які змінюють ДНК і білки хроматину. Серед епігенетичних модифікацій є модифікації гістонів, метилювання ДНК і перебудова нуклеосом. Оскільки на регуляцію генів впливають епігенетичні модифікації, стовбурові PS-клітини, ES-клітини й iPS-клітини характеризуються унікальними епігенетичними маркерами.
Стовбурові клітини здатні до самовідновлення та можуть давати початок одному або кільком типам диференційованих клітин. Ембріональні стовбурові клітини можуть диференціюватися в усі типи клітин організму й мають практично необмежену здатність до самовідновлення.
Соматичні стовбурові клітини виявлено в багатьох тканинах дорослого організму. Вони мають значний, але обмежений потенціал самовідновлення та можуть диференціюватися у вужчий спектр клітинних типів.
Дедалі більше даних свідчить про те, що здатність стовбурових клітин диференціюватися в клітини різних ліній визначається потенціалом експресії транскрипційних факторів і генів, які регулюють розвиток та спеціалізацію клітин. Фактична або потенційна експресія генів значною мірою контролюється епігенетичними модифікаціями ДНК, зокрема її метилюванням, а також змінами хроматину, наприклад посттрансляційними модифікаціями гістонів у регуляторних ділянках певних генів.
Епігенетичні модифікації також можуть впливати на час реплікації ДНК. Механізми, завдяки яким гени в недиференційованих стовбурових клітинах набувають готовності до транскрипції, досліджують шляхом картування профілів метилювання ДНК у регульованих диференціюванням промоторах і в масштабах усього геному, а також аналізу модифікацій гістонів та зв’язування транскрипційних факторів.
Епігенетичні мітки в генах, що регулюють розвиток і спеціалізацію клітинних ліній, очевидно, відіграють важливу роль у підтриманні стану плюрипотентності стовбурових клітин..
Незважаючи на різноманіття ідей, які призводять до використання терміна «епігенетичний ландшафт», технічно, епігенетичні дослідження зосереджені на вивченні ковалентних і нековалентних модифікацій ДНК і гістонових білків і на механізмах, за допомогою яких такі модифікації впливають на загальну структуру хроматину, яка в свою чергу регулює експресію генів. Серед цих модифікацій — ацетилювання гістонів (що змінює основний заряд амінокислотних залишків лізину в білках і їх взаємодію з ДНК), фосфорилювання / дефосфорилювання білків, які модифікують ацетилювання гістонів, гістонові варіанти, метилювання ДНК, SUMO-їлювання гістонів і їх регуляторів та ковалентне модифікування некодуючих РНК, зокрема мікроРНК. Останні представлені короткими некодуючими РНК, які регулюють експресію генів на пост-транскрипційному етапі. Продемонстровано, що епігенетичні механізми, зокрема метилювання ДНК і гістонові модифікації, не тільки регулюють експресію білок-кодуючих генів, але також і мікроРНК. І навпаки: мікроРНК також беруть участь у контролі експресії важливих епігенетичних регуляторів, включно з ДНК-метилтрансферазами, гістондеацетилазами й генами групи «»
Примітки