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

Самыми примитивными представителями млекопитающих является небольшое число таких животных как утконос и ехидна, которые откладывают яйца. Следующую за ними ступень на шкале усложнения воспроизводства занимают сумчатые, такие как кенгуру и тасманийский дьявол, у которых рождаются недоразвитые малыши. На протяжении подавляющего большинства этапов своего развития потомство этих видов находится вне материнского организма — в ее сумке. Это тот самый знаменитый карман, расположенный снаружи тела.

Безоговорочно наибольшее представительство в нашем классе принадлежит так называемым плацентарным (или высшим) млекопитающим. Люди, тигры, мыши, синие киты — все мы вынашиваем своих детей одинаково. Наше потомство проходит через действительно долгую фазу развития внутри материнского организма, в матке. В течение этого периода эмбрион получает все необходимые ему питательные вещества через плаценту. Это большое, внешне похожее на блин, образование действует подобно интерфейсу между кровеносными системами плода и матери. На самом деле кровь не перетекает из одной системы в другую. В действительности, две системы расположены настолько близко друг к другу, что такие питательные вещества как сахара, витамины, минералы и аминокислоты могут проникать от матери к плоду. Кислород также поступает из материнской крови в кровь плода. Действует эта связь и в обратном направлении, когда плод избавляется от отработанных газов и других потенциально токсичных веществ, которые поступают непосредственно в кровеносную систему матери.

Это очень впечатляющая система, позволяющая млекопитающим снабжать свое потомство всеми необходимыми веществами на протяжении долгих периодов раннего развития. При каждой беременности образуется новая плацента, но команду о ее формировании отдает не мать. Вся информация об этом поступает от плода. Вспомните еще раз нашу модель ранней бластоцисты из Главы 2. Все клетки бластоцисты являются потомками оплодотворенной одноклеточной зиготы. Клетки, которые в конечном итоге станут плацентой, это клетки «теннисного мячика» на внешней поверхности бластоцисты. Фактически, одно из первых решений, которое принимают клетки, когда только начинают скатываться вниз по склонам эпигенетического ландшафта Уоддингтона, заключается в том, станут ли они в будущем плацентарными или соматическими клетками.

Мы не можем избежать своего (эволюционного) прошлого

Хотя плацента и является великолепно организованной структурой, позволяющей питаться плоду, эта система порождает и ряд «спорных вопросов». Говоря языком бизнеса или политики, возникает конфликт интересов, поскольку, в эволюционном смысле, наши организмы сталкиваются с дилеммой.

Вот как звучит эволюционный императив млекопитающего самца, если преобразовать его в человеческие термины:

Эта беременная самка несет мои гены в виде плода. Возможно, мне никогда больше не доведется спариться с ней. Я хочу, чтобы мой плод стал как можно больше, потому что тогда у него будет максимум шансов передать мои гены дальше.

У самки млекопитающего эволюционный императив совершенно иной:

Я хочу, чтобы этот плод выжил и передал мои гены дальше. Но я не хочу, чтобы для этого он истощил меня до такой степени, что я стану неспособна к воспроизводству. Я хочу иметь не только этот единственный шанс передать дальше свои гены.

Эта война полов у млекопитающих зашла в эволюционный тупик. Целый ряд контролирующих факторов гарантирует, что верх в этом сражении не возьмет ни материнский, ни отцовский геном. Мы сможем лучше понять, как это работает, если снова обратимся к экспериментам Азима Сурани, Давора Собела и Брюса Каттанача.

Это те ученые, которые создавали мышиные зиготы, имевшие только отцовскую или материнскую ДНК.

Искусственно получив в пробирках такие зиготы, исследователи имплантировали их в матку мышей. Ни в одной лаборатории из этих зигот никогда не рождались живые мыши. Однако зиготы некоторое время развивались в матке, но с заметными аномалиями. Причем аномалии эти были довольно разными, в зависимости oi того, от матери или от отца были получены все хромосомы.

В обоих случаях немногие эмбрионы, которым все же удалось сформироваться, были маленькими и отстающими в своем развитии. Когда все хромосомы являлись материнскими, плацентарные ткани оказывались сильно недоразвитыми[62]. Если все хромосомы были получены от отца, то эмбрион еще более отставал в росте, ко плацентарные ткани у него формировались лучше[63]. Ученые создали эмбрионы из смеси этих клеток — клеток, имевших унаследованные только у отца или у матери хромосомы, но и эти эмбрионы не смогли развиться в полноценный, готовый к рождению плод. При их исследовании ученые обнаружили, что все ткани таких эмбрионов состояли только из материнских клеток, в то время как клетки тканей плаценты оказались исключительно отцовскими[64].

Эти данные дают возможность предположить, в мужских хромосомах существует определенный фактор, инициирующий программу развития плаценты, а полученный от матери геном по большей мере на сориентирован эмбрион, а не на плаценту. Как это согласуется с конфликтом или эволюционным императивом, изложенным в начале этой главы? Плацента является своего рода порталом, через которые питательные вещества, циркулирующие в материнском организме, поступают в плод. Полученные от отца хромосомы запускают развитие плаценты и тем самым создают механизмы «переадресации» как можно больших количеств питательных веществ из материнской кровеносной системы в организм плода. Материнские хромосомы действуют в противоположном направлении, и в условиях нормальной беременности создается четко уравновешенная патовая ситуация.

Сам собой напрашивается вопрос — все ли хромосомы важны для получения такого результата? Для поисков ответа на него Брюс Каттанач проводил сложные генетические эксперименты на мышах. Его подопытные мыши имели хромосомы, порядок которых был изменен. Проще говоря, у каждой мыши было требуемое число хромосом, но между собой они были «склеены» иначе, чем это бывает в природе. Ему удалось создать мышей, абсолютно точно передававших по наследству аномалии своих хромосом. Например, он смог вывести мышей, унаследовавших обе копии определенной хромосомы только от одного родителя.

В первых экспериментах, ставших достоянием гласности, он работал с мышиной хромосомой 11. Из всех остальных пар хромосом мыши наследовали по одной материнской и одной отцовской хромосоме в каждой паре. Но исключением стала хромосома 11, поскольку Брюс Каттенач вывел мышей, которые наследовали две копии материнской хромосомы 11 и ни одной копии отцовской, или же наоборот. Полученные им результаты представлены на рисунке 8.1[65].