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

Бисфенол А — химическое соединение, используемое в производстве поликарбонатных пластмасс. Добавки бисфенола А в пищу мышам агути привели к изменениям в распределении окраса шерсти, что стало следствием влияния этого соединения на программу развития через эпигенетические механизмы. В 2011 году Европейский Союз запретил применять бисфенол А в производстве бутылочек для детского питания.

Раннее программирование также может быть и одной из причин, по которым очень сложно идентифицировать воздействие факторов окружающей среды, вызывающих некоторые хронические заболевания у человека. Если мы станем изучать пару М3 близнецов, различающихся по определенному фенотипу например рассеянному склерозу, то нам будет практически невозможно идентифицировать вероятную причину этой болезни, обусловленную средой. Может быть, все дело в том, что одному из близнецов просто очень не повезло со случайными эпигенетическими флуктуациями, которые устанавливали определенные ключевые схемы экспрессии генов на самой заре его существования. Ученые сейчас занимаются составлением карт распределения эпигенетических изменений у конкордантных (схожих) и дискордантных (различающихся) М3 близнецов при целом ряде заболеваний, пытаясь определить модификации гистонов или ДНК, соответствующие наличию или отсутствию того или иного заболевания.

Дети, которые были зачаты во время голода, и мыши с желтой шерсткой рассказывают нам очень удивительные и важные вещи о значении ранних этапов развития и о том, какую роль играет в этом процессе эпигенетика. Как ни странно, но эти две несопоставимые группы могут научить нас и кое-чему еще. В самом начале XIX века Жан Батист Ламарк опубликовал свою самую выдающуюся работу. В ней он выдвинул предположение, что приобретенные признаки могут передаваться от одного поколения следующему, и что именно это стимулирует эволюционный процесс. В качестве примера он приводил предполагаемого предка жирафа, обладавшего короткой шеей, который постоянно тянулся за листьями на высоких деревьях и тем самым постепенно удлинял шею на протяжении многих поколений, передавая эту особенность потомству. Эта теория не получила признания, и во многом она просто ошибочна. Однако поколение Голландской голодной зимы и желтые мыши показывают, что, как это ни парадоксально, еретическое учение Ламарка о наследственности может, пусть и иногда, попадать точно в цель, в чем нам сейчас и предстоит убедиться.

Цикл «Маленькие сказки», опубликованный Редьярдом Киплингом в самом начале XX века, представляет собой сборник навеянных воображением автора историй о происхождении видов. В наиболее известных из них — таких как «Первые броненосцы», «Как леопард получил свои пятна», «Как верблюд получил свой горб» — рассказывается о фенотипах животных. Все они не более чем выдумки, написанные исключительно с развлекательной целью, однако, если рассматривать их с научной точки зрения, окажется, что эти сюжеты в действительности на сотню лет старше, так как они тесно перекликаются с эволюционной теорией наследования приобретенных признаков, созданной Ламарком. В своих сказках Киплинг описывал, как каждое из животных приобретало характерный для него физический признак — длинный хобот слона, например, — и передавало его по наследству всем своим потомкам, чтобы с той поры все слоны рождались с длинными хоботами.

Киплинг, сочиняя свои сказки, опирался лишь на собственную фантазию, тогда как Ламарк пытался разработать научную теорию. Как всякий настоящий ученый, он старался собрать данные, свидетельствующие в пользу этой гипотезы. В качестве одного из наиболее знаменитых примеров этого, Ламарк утверждал, что у сыновей кузнецов (ремесло, требующее значительных физических сил) мышцы рук крупнее и развитее, чем у сыновей ткачей (которым физическая сила в работе не требуется). Интерпретируя этот факт, Ламарк предполагал, что сыновья кузнецов наследуют у отцов фенотип крупных мышц рук.

Современное объяснение этому феномену иное. Мы понимаем, что человек, генетически способный развить мощную мускулатуру, будет иметь преимущество в таких сферах деятельности как кузнечное дело. Этому занятию станут посвящать себя те, кто генетически к нему более приспособлен. Мы знаем и то, что вероятность наследования сыновьями кузнеца этой генетической предрасположенности к развитию каменных бицепсов весьма велика. Наконец, мы учитываем, что во времена, когда Ламарк разрабатывал свою теорию, дети традиционно использовались в качестве подсобной рабочей силы в любом семейном бизнесе. Сыновья кузнецов с куда большей вероятностью, чем дети ткачей, с младых ногтей выполняли относительно тяжелую физическую работу и, как следствие, у них было больше шансов развить внушительную мускулатуру в ответ на требования среды, тех самых шансов, что возникают и у нас, когда мы идем «качаться» в спортзал.

Однако было бы ошибкой высокомерно усмехаться, вспоминая Ламарка и его теорию. Большая часть его воззрений теперь не воспринимается как научно обоснованная, но мы должны признать, что он предпринимал искренние попытки дать объяснение важным вопросам. Неизбежно и вполне справедливо, что Ламарк отошел на второй план, уступив ведущее место Чарльзу Дарвину, истинному колоссу в биологии не только XIX века, но, возможно, и всех времен. Дарвиновская теория эволюции видов путем естественного отбора стала единственным и самым мощным концептуальным каркасом для всех биологических наук. Значение этой работы еще больше возросло после публикации трудов Менделя о наследственности и нашим пониманием молекулярной природы ДНК, которая является основой для передачи наследственных признаков.

Если бы перед нами стояла задача охарактеризовать результаты полутора столетий развития эволюционной теории в одном абзаце, то мы могли бы сказать следующее:

— случайная вариация в генах порождает фенотипическую вариацию в индивидуумах. Некоторые индивидуумы более жизнеспособны, нежели другие, в определенной окружающей среде, и эти индивидуумы, вероятно, дадут большее потомство. Это потомство может унаследовать те же благоприятные генетические вариации, которые были присущи родителям, и потому их потомство будет еще более жизнеспособным. В итоге, через огромное количество поколений, эволюционным путем появится новый вид.

— первичным материалом для случайных вариаций является мутация последовательности ДНК индивидуума, его или ее генома.

Интенсивность мутации обычно очень низкая, поэтому требуется много времени, чтобы благоприятные мутации развились и распространились в популяции. Это в первую очередь справедливо для тех ситуаций, когда каждая единственная мутация дает индивидууму очень незначительное преимущество над конкурентами в определенной среде.

Именно в этом аспекте модель Ламарка о приобретенных характеристиках не выдерживает критики в сравнении с теорией Дарвина. Приобретенное изменение в фенотипе должно было каким-то образом отразиться на сценарии ДНК и внести в него действительно разительные перемены, чтобы эта приобретенная характеристика могла передаться от одного поколения следующему, от родителя ребенку. Однако свидетельств, что дело обстоит именно так, практически не существует, за исключением тех редких случаев, когда химическое или радиационное воздействие, поражающее ДНК (мутагены), вызывает изменение в последовательности определенных пар оснований. Эти мутагены оказывают влияние на геном только относительно небольшого процента пар оснований и делают это случайным образом, поэтому такое воздействие просто неспособно стать причиной наследования приобретенных характеристик.