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

Уже накоплен настолько внушительный массив данных, свидетельствующих против теории Ламарка о наследственности, что для ученых не осталось каких-либо причин проверять ее справедливость экспериментально. И это неудивительно. В конце концов, если вы изучаете Солнечную систему, вы, конечно, могли бы выбрать темой своей работы проверку гипотезы, что, по меньшей мере, некоторые части Луны состоят из сыра. Однако для этого вы должны будете умышленно игнорировать огромные объемы информации, опровергающие такую точку зрения, а это едва ли можно было бы назвать рациональным подходом.

Существует и, в некотором роде, этическая причина того, что ученые отгородились от экспериментальных исследований вопроса наследования приобретенных характеристик. Одним из печально известных случаев научного мошенничества стали эксперименты Пауля Каммерера, работавшего в Австрии в первой половине XX века. Он утверждал, что ему удалось продемонстрировать наследование приобретенных признаков у земноводных под названием жабы-повитухи.

Каммерер заявлял, что когда он менял условия, в которых размножались жабы, у тех развивались «полезные» адаптации. Этими адаптациями являлись образования на передних конечностях, называемых брачными подушечками, которые становились черными. К сожалению, ему удалось сохранить лишь считанные единицы образцов, полученных в ходе опытов, и когда один из оппонентов Каммерера исследовал оказавшийся в его распоряжении экземпляр, он обнаружил, что в его подушечки были сделаны инъекции туши. Каммерер отрицал, что ему было что-либо известно о нарушении чистоты эксперимента, и вскоре после этого покончил с собой. Его самоубийство бросило тень на и без того сомнительные результаты опытов[39].

Одним из утверждений, сделанных нами в сжатом обзоре истории теории эволюции, было следующее: «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».

Трудно представить себе, каким образом влияние среды на клетки индивидуума могло бы заставить определенный ген изменить последовательность пар оснований. Но более чем очевидно то, что эпигенетические модификации — будь то метилирование ДНК или изменения гистоновых белков — действительно происходят в конкретных генах в ответ на воздействия окружающей среды на клетку. Примером этого может служить реакция на гормональный сигнал, о которой уже упоминалось в предыдущей главе. Обычно некий гормон, такой как эстроген, присоединяется к рецептору на клетке, скажем, груди. Эстроген и рецептор, продолжая оставаться вместе, проникают в ядро клетки. Там они соединяются с особыми мотивами ДНК—основаниями А, Ц, Г и Т, расположенными в определенной последовательности, — которые находятся у промоторов конкретных генов. Это помогает активировать гены. Присоединяясь к этим мотивам, эстрогенный рецептор также притягивает и разнообразные эпигенетические ферменты. Они изменяют гистоновые модификации, удаляя метки, подавляющие генную экспрессию, и оставляя метки, вызывающие активацию генов. В этом случае, действуя через гормоны, среда способна изменить эпигенетическую схему определенных генов.

Эти эпигенетические модификации не меняют последовательность гена, но вносят изменения в его экспрессию. А это, в конце концов, и является основной базой для программирования развития в будущем заболевания. Мы знаем, что эпигенетические модификации могут передаваться от родительской клетки дочерним клеткам, поскольку именно вследствие этого у нас на глазных яблоках не вырастают зубы. Если бы существовал аналогичный механизм, передающий вызванные окружающей средой эпигенетические модификации от индивидуума его потомству, то этот механизм был бы подтверждением справедливости теории о наследственности Ламарка. Эпигенетические (в противоположность генетическим) изменения переходили бы от родителя к ребенку.

Ересь и Голландская голодная зима

Легко рассуждать о том, как это могло бы происходить, но на самом-то деле нам нужно знать, могут ли приобретенные характеристики наследоваться таким путем. Не как это может быть, а возможно ли это вообще? Примечательно, что существуют особые ситуации, когда такое явление действительно имеет место. И это не означает, что модели Дарвина и Менделя ошибочны, это всего лишь значит, что мир биологии значительно сложнее, чем мы себе представляли.

Научная литература, посвященная этой тематике, грешит несколько запутанной терминологией. В ранних работах упоминается эпигенетическая передача приобретенных признаков, но ничего не говорится о варьированиях в метилировании ДНК или гистоновых изменениях. И причина этого не в небрежности авторов этих работ. Дело в том, что раньше сам термин «эпигенетика» употреблялся в ином значении. В первых трудах на эту тему словосочетание «эпигенетическая передача» означало наследование, которое не могло быть объяснено с позиций генетики. В этих случаях понятие «эпигенетический» описывало феномен, а не молекулярный механизм. Чтобы сделать предлагаемый материал немного понятнее, для описания феномена передачи приобретенных признаков мы будем пользоваться словосочетанием «трансгенерационная наследственность», а термин «эпигенетика» станем применять только для характеристики молекулярных явлений.

Одними из наиболее ярких свидетельств существования трансгенерационной наследственности у человека являются истории людей, переживших Голландскую голодную зиму. Благодаря великолепной инфраструктуре медицинского обслуживания в Нидерландах и высоким стандартам сбора и хранения данных о пациентах, эпидемиологи получили возможность в течение многих лет наблюдать людей, переживших ту страшную зиму. Еще более важно то, что они смогли изучать не только тех, кто жил в Голландии в эту голодную пору, но и их детей и внуков.

Этот мониторинг дал неожиданные и удивительные результаты. Как мы уже видели, если беременные женщины голодали в течение первых трех месяцев беременности, и хотя их дети рождались с нормальной массой тела, то во взрослом возрасте они оказывались в большей степени склонны к ожирению и другим заболеваниям. Как это ни удивительно, но когда женщины из этой группы детей сами становились матерями, то их первый ребенок рождался с большей массой тела, чем дети из контрольных групп[40][41]. Это показано на рисунке 6.1, где относительные размеры детей преувеличены для облегчения восприятия информации (и где я взяла на себя смелость присвоить женщинам вымышленные голландские имена).

Рис. 6.1. Результаты недоедания женщин, которые были беременны в Голландскую голодную зиму, отразившиеся на их детях и внуках.Сроки голодания в период беременности были ключевым фактором для массы тела новорожденных детей последующих поколений