Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Если мы согласимся с тем, что окружающая среда является еще одним важным фактором в возникновении и развитии заболеваний, то перед нами возникает очередная проблема. Для нас по-прежнему останется открытым вопрос о том, какова механика этого влияния окружающей среды. Каким образом стимуляторы, т. е. факторы среды, — будь это состав пищи, которую мы едим, химические вещества в дыме сигарет, ультрафиолетовые лучи солнечного света, выхлопные газы автомобилей или любые другие тысячи источников молекул и радиации, которым подвергаемся мы ежедневно, — влияют на наши гены и вызывают изменения в их экспрессии.

Большинство неинфекционных заболеваний, которым подвержены люди, развиваются в течение достаточно длительного времени, а затем остаются проблемой на многие годы, если у человека нет возможности обратиться за медицинской помощью. Факторы окружающей среды теоретически могли бы постоянно воздействовать на гены в клетках, работающих ненормально, и провоцировать развитие заболеваний. Но это представляется маловероятным, главным образом, по той причине, что при большинстве хронических заболеваний предполагалось бы влияние множества факторов среды на множество генов. Трудно представить себе, что все многообразие таких стимуляторов одновременно присутствовало бы на протяжении десятилетий. Альтернативой могло бы быть существование некого механизма, поддерживающего имеющие отношение к болезни клетки в ненормальном состоянии, то есть вызывающего в них неадекватную экспрессию генов.

При отсутствии каких-либо веских доказательств участия в этих процессах соматических мутаций, главным претендентом на роль такого механизма становится эпигенетика. В этом случае гены одного из близнецов могли бы оставаться нерегулируемыми, что в конечном итоге и приводило бы к болезни. Сейчас мы находимся в самом начале этих исследований, но уже постепенно накапливаем подтверждения того, что дело может обстоять именно так.

Один из наиболее прямых концептуальных экспериментов заключается в анализе того, меняются ли модели хроматиновых модификаций (эпигеном) по мере взросления М3 близнецов. В упрощенном варианте нам не пришлось бы даже исследовать эти параметры в контексте заболеваемости. Мы могли бы начать с проверки намного более простой гипотезы о том, что генетически идентичные индивидуумы в процессе взросления становятся эпигенетически неидентичными. Если эта гипотеза окажется верна, она станет подтверждением идеи о том, что М3 близнецы могут отличаться друг от друга на эпигенетическом уровне. А это, в свою очередь, укрепит нас в решимости продолжать исследования и определить роль эпигенетических изменений в развитии заболеваний.

В 2005 году крупная объединенная группа исследователей, возглавляемая профессором Манелем Эстеллером, который тогда работал в Испанском национальном раковом центре в Мадриде, опубликовала доклад, посвященный этой проблеме[31]. Им довелось сделать некоторые очень интересные открытия. Когда они исследовали хроматин у пар М3 близнецов в младенческом возрасте, то не нашли существенных различий в уровнях метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Когда же они изучали пары М3 близнецов, которые были значительно старше, например, в возрасте пятидесяти с лишним лет, то в уровнях метилирования ДНК и гистонового ацетилирования у близнецов пары обнаруживались заметные различия. И особенно явно такие несоответствия проявлялись в тех случаях, когда близнецы долгое время жили отдельно друг от друга.

Результаты этого исследования подтвердили предположение, что генетически идентичные близнецы в начале жизни эпигенетически очень похожи друг на друга, но по мере взросления эта похожесть становится все слабее. Чем старше были М3 близнецы и чем дольше жили они отдельно друг от друга в разном окружении, тем, соответственно, в большей степени они испытывали на себе влияние разных факторов окружающей среды. А то, что именно близнецы в таких парах наиболее отличались друг от друга эпигенетически, вполне согласовывалось с теорией, что эпигеном (полный спектр эпигенетических модификаций генома) отражает различия окружающей среды.

Согласно статистике, дети, завтракающие перед школой, учатся лучше, чем те, которые пренебрегают завтраком. Это, конечно, вовсе не означает, что успеваемость можно повысить лишней тарелкой кукурузных хлопьев. Это всего-навсего может значить, что завтракающим детям повезло иметь родителей, собирающих и провожающих их в школу каждый день, помогающих им в усвоении знаний и вообще уделяющих им больше внимания. Подобным же образом следует интерпретировать и результаты исследований профессора Эстеллера. Они демонстрируют, что существует некая зависимость между возрастом близнецов и тем, насколько различаются они эпигенетически, однако эти исследования не доказывают, что взросление вызывает изменения в эпигеноме. Но такая гипотеза, по крайней мере, имеет право на существование.

В 2010 году группа ученых, работавших под руководством доктора Джеффри Крэйга в Королевской детской больнице Мельбурна, также провела исследования метилирования ДНК у пар однояйцевых и двуяйцевых близнецов[32]. Они изучали несколько относительно небольших участков генома, но более подробно, чем это было описано в докладе Манеля Эстеллера. Проведя исследования нескольких пар новорожденных близнецов, они обнаружили, что у двуяйцевых близнецов наблюдаются значительные различия в схемах метилирования ДНК. Такой результат не был неожиданным, поскольку двуяйцевые близнецы генетически неидентичны, а у различных индивидуумов, соответственно, и эпигеномы различны. Более интересно то, что, согласно результатам исследований, и М3 близнецы также обнаруживают различия в схемах метилирования ДНК, а это свидетельствует о том, что однояйцевые близнецы начинают различаться эпигенетически уже в процессе внутриутробного развития. Ознакомившись с информацией из этих двух статей и добавив к ней данные некоторых других исследований, мы можем сделать вывод, что даже генетически идентичные индивидуумы эпигенетически отличаются друг от друга уже к моменту рождения, и эти эпигенетические различия становятся все более выраженными с возрастом и под влиянием разных условий окружающей среды.

О мышах и мужчинах (а также женщинах)

Эти данные согласуются с теорией, утверждающей, что эпигенетические изменения могут считаться, по крайней мере, одной из причин, по которым М3 близнецы фенотипически неидентичны, но и это предположение содержит в себе много допущений. Дело в том, что в очень многих случаях человеческий организм представляет собой весьма ненадежную экспериментальную систему. Если мы решим дать оценку роли эпигенетики в вопросе, почему генетически идентичные индивидуумы различаются друг от друга фенотипически, нам придется сделать следующее:

1) анализировать сотни, а не просто пары, идентичных индивидуумов;

2) искусственно, под полным контролем, менять условия воздействующей на них окружающей среды;

3) переносить эмбрионы или младенцев от одной матери к другой, исследуя результаты изменений в развитии на его самых ранних этапах.