Коротко — как это работает

Метилирование ДНК: метил на (5\text{-}\mathrm{C}) цитозина (обычно в разрывах CpG) препятствует связыванию активаторов и привлекает белки‑«ридеры» (MeCP2 и др.), которые наводят репрессирующие комплексы (HDACs, хроматин‑ремоделиры). В млекопитающих примерно (\sim 70\text{–}80\%) CpG обычно метилированы; локальная гипер‑ или гипометиляция меняет экспрессию генов. Модификации гистонов: ацетилирование лизинов (например (\mathrm{H3K27ac})) ослабляет взаимодействие гистонов с ДНК — хроматин открывается и ген активируется; метилирование лизинов/аргининов даёт как активные метки ((\mathrm{H3K4me3})), так и репрессивные ((\mathrm{H3K27me3}), (\mathrm{H3K9me3})), формируя разную доступность ДНК. Комбинация и наследуемость: модификации рекрутируют «писателей», «стиральщиков» и «ридеров», что позволяет поддерживать состояние через деление клеток и приводить к стабильным различиям в экспрессии при одинаковой последовательности ДНК. Нерегулярности в раннем развитии или при воздействии среды приводят к различным эпигеномам и, следовательно, фенотипам.

Примеры, где один и тот же генотип даёт разные фенотипы

X‑хромосомная инактивация у самок млекопитающих — случайно инактируется один из X; клетки организма имеют разные активные X, фенотип (мозаика) как следствие. Геномный импринтинг (напр. локус (\mathrm{Igf2/H19})) — аллельно‑специфическая метилированность определяет, какой аллель экспрессируется. Мыши Agouti viable yellow ((A^{vy})) — эпигенетическое состояние повтора (IAP) upstream от Agouti определяет окраску шерсти и склонность к ожирению. Position‑effect variegation у Drosophila — соседство с гетерохроматином даёт мозаичную экспрессию. Монозиготные близнецы — с возрастом их эпигеномы расходятся, что объясняет фенотипические различия. Рак — гиперметилирование промоторов супрессоров опухолей (например, (\mathrm{MLH1})) приводит к потере функции без мутаций в кодоне.

Методы исследования (что измеряют, коротко)

Бисульфитное секвенирование (WGBS, RRBS, таргетное): бисульфит конвертирует неметилированную (\mathrm{C}) в (\mathrm{U}) (читается как (\mathrm{T})), а (5\text{-}\mathrm{mC}) устойчив — даёт картину метилирования на уровне оснований. Схема: (\mathrm{C}\xrightarrow{\text{bisulfite}}\mathrm{U}). Oxidative‑BS / TAB‑seq: различают (5\text{-}\mathrm{mC}) и (5\text{-}\mathrm{hmC}). MeDIP‑seq / MBD‑seq: иммунопреципитация метилированной ДНК — менее разрешающая, но дешевле для обширных профилей. Масс‑спектрометрия гистонов: количественная оценка посттрансляционных модификаций гистонов. ChIP‑seq для гистоновых меток или факторов (анти‑H3K27me3, анти‑H3K4me3 и т.д.): локализация модификаций по геному. Современные низко‑входные альтернативы — CUT&RUN и CUT&Tag. ATAC‑seq: открытая хроматиновая область (Tn5‑адаптация) — быстрый маркер доступности регуляторных элементов. Hi‑C / Capture‑C: трёхмерная организация хроматина и контакты между регуляторами и генами. RNA‑seq: связывание эпигенетических отметок с изменениями транскрипции; совместный анализ (methylation + ChIP + RNA) даёт причинно‑следственные гипотезы. Масс‑масштабные микрочипы (Illumina 450K/EPIC): профиль метилирования для больших когорт (дешевле, чем WGBS). Сингл‑клеточные методы: scATAC‑seq, scRNA‑seq, scBS‑seq, scCUT&Tag — позволяют разбирать гетерогенные ткани. Функциональные вмешательства: CRISPR‑dCas9‑фьюжены с DNMT3A/TET1 или с p300/KRAB для локального внесения/удаления меток и тестирования эффектов на экспрессию и фенотип; ингибиторы DNMT (5‑azacytidine) или HDAC‑ингибиторы для фармакологической проверки роли модификаций. Аллельно‑специфичный анализ (phasing, ASE): позволяет увидеть, на какой именно аллель влияет эпигенетика.

Практические советы при исследовании

Учитывайте клеточный состав ткани (смешение типов даёт ложные сигналы). Комбинируйте методы (метилирование + ChIP/CUT&Tag + ATAC + RNA) для сильных выводов о регуляции. Для 5hmC используйте специализированные методы; для низкого входа — CUT&Tag/CUT&RUN и single‑cell технологии. Для доказательства причинности применяйте локальную эпигенетическую редактуру (dCas9‑эффекторы) и/или фармакологию.

Краткий вывод
Эпигенетические модификации меняют доступность и регуляцию генов без изменения последовательности — это основной механизм, почему одинаковый генотип может давать разные фенотипы. Примеры (X‑инактивация, импринтинг, Agouti, рак) и широкий набор молекулярных методов (WGBS, ChIP‑seq/CUT&Tag, ATAC, Hi‑C, RNA‑seq, single‑cell и функциональная эпигенетическая редактирование) позволяют обнаруживать и тестировать такие эффекты.