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

На языке ученых это называется импринтингом — на хромосомах отпечатана информация об их происхождении, о том, от кого из родителей они получены. Эти два вопроса — импринтинг и эффект исходного родителя — мы рассмотрим более подробно в следующей главе.

Что произошло с введенной ДНК в экспериментах, заставив ее менять уровни метилирования при передаче от родителя потомству?

Она—совершенно случайно — вводилась в участок мышиной ДНК, над которым был водружен один из таких флажков. Как следствие, введенная ДНК также стала получать флажки метилированной ДНК, передаваясь от одного поколения другому.

Тот факт, что только у одной из семи линий мышей был продемонстрирован этот эффект, заставляет предположить, что не весь геном «утыкан такими флажками». Если бы геном был целиком помечен таким образом, то мы могли бы ожидать, что подобный эффект проявится у всех линий, подвергнутых экспериментам. Однако такое соотношение одного к шести свидетельствует о том, что «помеченные флажками» участки являются скорее исключениями, чем правилами.

В главе 6 мы убедились, что иногда животные действительно наследуют у родителей приобретенные признаки. Работа Эммы Уайтло, среди прочих, подтверждает, что некоторые эпигенетические модификации в самом деле переходят от родителя к потомству через сперматозоид или яйцеклетку. Этот тип наследования довольно редкий, но само его наличие укрепляет нашу веру в существование неких особых эпигенетических модификаций. Они не подменяются другими, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются для образования зиготы. Значит, хотя подавляющая часть генома текопитающих и перезагружается при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, его незначительный процент остается иммунным к этому перепрограммированию.

Эпигенетическая гонка вооружений

Всего лишь 2 процента нашего генома кодируют белки, и целых его 42 процента состоят из ретротранспозонов. Это очень необычные последовательности ДНК, произошедшие, возможно, от вирусов в нашем далеком эволюционном прошлом. Некоторые из ретротранспозонов транскрибированы для производства РНК, и это может оказывать влияние на экспрессию соседних генов. Для клетки это может иметь самые серьезные последствия. Если, например, экспрессия генов, заставляющих клетку размножаться, станет слишком агрессивной, то эта клетка может переродиться в раковую.

Эта гонка вооружений существует на протяжении всей эволюции, но в наших клетках выработались специальные механизмы для контролирования активности такого типа ретротранспозонов.

Одним из главных механизмов, которыми пользуются для этого клетки, является эпигенетика. Ретротранспозон ДНК метилируется клеткой, в результате чего подавляется экспрессия ретротранспозона РНК. Тем самым РНК лишается возможности вмешиваться в экспрессию соседних генов. Один определенный класс, известный как ретротранспозоны IAP, представляется основной мишенью этого механизма контроля.

Во время перепрограммирования на самых ранних этапах существования зиготы метилирование удаляется с большей части нашей ДНК. Но ретротранспозоны IAP являются исключением. В процессе эволюции механизм перепрограммирования научился проскакивать эти нестандартные ретротранспозоны, оставляя на них метки метилирования ДНК. В результате эти ретротранспозоны удерживаются в эпигенетически подавленном состоянии. Такой механизм сформировался в результате естественного развития, вероятно, для снижения опасности случайного реактивирования этих потенциально опасных ретротранспозонов IAP.

Эго очень важно, поскольку двумя наиболее изученными примерами трансгенерационного наследования негенетических признаков являются мышь агути и мышь AxinFu, с которыми мы уже встречались в предыдущей главе. Фенотипы обеих этих моделей определяются последовательностью уровней метилирования ретротранспозона IAP над геном. Уровни метилирования ДНК родителя перешли к потомству, как и фенотип, вызванный уровнями экспрессии ретротранспозона[61].

В главе 6 мы рассматривали и другие примеры трансгенерационного наследования приобретенных характеристик, включая влияние питания на последующие поколения и трансгенерационное воздействие таких загрязняющих веществ как винклозолин. Исследователи в настоящее время рассматривают возможность того, что эти экологические стимуляторы способны провоцировать эпигенетические изменения в хроматине гамет. Такие изменения, вероятно, происходят в участках, защищенных от перепрограммирования на ранних этапах развития после слияния яйцеклетки и сперматозоида.

Подобно Джону Гердону, Азим Сурани и сегодня продолжает в высшей степени эффективно трудиться в области, первооткрывателем которой он стал. Его работа посвящена вопросу, как и почему яйцеклетки и сперматозоиды кодируют свои ДНК таким образом, чтобы их молекулярная память передавалась следующим поколениям. В большой степени первые эксперименты Азима Сурани были связаны с манипуляциями с ядрами клеток млекопитающих, которые он при помощи крошечных пипеток переносил из одной клетки в другую. Технически это усовершенствованная версия методик, которыми настолько успешно пользовался Джон Гердон пятнадцатью годами ранее. Удивительно приятно думать, что профессор Сурани работает сейчас в исследовательском институте в Кембридже, носящем имя профессора Гердона, и что они часто встречаются в его коридорах или в университетском кафе.

Лабораторное насекомое палочник вида Carausius morosus представляет собой очень удивительное существо. Обеспечьте его всего несколькими листиками бирючины, чтобы ему было что пожевать, и уже через несколько месяцев он начнет откладывать яйца. В должное время из них вылупятся симпатичные крошечные палочники, выглядящие как миниатюрные копии взрослых особей. Если одного из таких малышей изолировать сразу после рождения и перевести на собственную «жилплощадь», то и он отложит яйца, из которых, в свою очередь, вылупится очередное поколение палочников. И происходит это вопреки тому факту, что родитель никогда и ни с кем не спаривался.

Палочники часто воспроизводятся подобным образом. Для этого они используют механизм, который называется партеногенезом, что с греческого переводится как «девственное размножение». Самки откладывают оплодотворенные яйца, не спариваясь с самцами, и из этих яиц появляются совершенно здоровые маленькие палочники. У этих насекомых в процессе эволюции развился особый механизм, благодаря которому потомство обеспечивается необходимым количеством хромосом. Но все эти хромосомы они получают только от матери.

Как мы убедились в предыдущей главе, это очень отличается от того, что происходит у мышей и людей. Для нас и наших «родственников» — грызунов, существует единственный способ создания новой жизни — мы должны получить ДНК и от матери, и от отца. Казалось бы, что палочники в высшей степени необычные существа, однако это не так. Исключением являемся как раз мы, млекопитающие. У насекомых, рыб, земноводных, рептилий и даже птиц существуют виды, размножающиеся при помощи партеногенеза. Только млекопитающие этого не умеют. Именно наш класс в животном царстве является «белой вороной», поэтому имеет смысл задать себе вопрос, почему так происходит. Начать искать на него ответы мы можем с определения признаков, характерных только для млекопитающих. Итак, у нас есть волосы или шерсть и три косточки в среднем ухе. Ни один их этих признаков не присутствует у других классов, однако представляется маловероятным, что именно они заставили нас отказаться от «непорочного зачатия». Этот вопрос зависит от гораздо более важных факторов.