Время генома. Как генетические технологии меняют наш мир и что это значит для нас - Джон Луома

До конца непонятно, почему Голодная зима повлияла столь вредным образом. Возможно, эти эпигенетические изменения просто «шрамы» на ДНК, как их называет сотрудник Лейденского университета Элин Слэгбум. Однако есть и интересная альтернативная идея, что в процессе эволюции такие изменения в эпигеноме появились как реакция на недоедание. Это похоже на своего рода программирование механизма выживания ребенка, который родился в мире голода. Другой соавтор исследования 2010 г. – Бас Хейманс предположил, что «эпигенетика может быть механизмом, который позволяет человеку быстро приспособиться к изменившимся обстоятельствам… Возможно, метаболизм детей Голодной зимы благодаря эпигенетическим изменениям перешел на более экономичный уровень»{103}.

Влияние питания родителей на их еще не родившихся детей иногда называют теорией Баркера – по имени британского ученого Дэвида Баркера, который впервые выдвинул ее в 1990 г. Согласно этой теории, если в пище отца много жиров и мало белков или если в пище матери мало калорий, то плод будет готовиться к жизни в условиях недоедания и сформируется так называемый экономный фенотип с метаболизмом, приспособленным для набора и поддержания оптимального веса. Поэтому жировая ткань новорожденных, или «детский жирок», будет развита сильнее у тех младенцев, чьи матери недоедали во время беременности. Аналогично, по теории Баркера, у людей (а также мышей), если отец плохо питается, у ребенка будет выше склонность к ожирению. С мышами были проведены научные эксперименты, в которых было показано, что, если самец получает пищу с низким содержанием белка, это приводит к ожирению у его потомков. Предполагается, что стресс, вызванный скудным питанием, вызывает эпигенетические изменения в сперматозоидах.

Эпигенетика нужна для нормального развития животных и растений. После оплодотворения первые, пока еще не дифференцированные клетки делятся, появляются новые клетки, каждая из которых получает полный набор генетической информации. Как из этой общей генетической информации одна из клеток может понять, какие белки производить, чтобы стать клеткой кожи, другая – клеткой печени, еще одна – клеткой мозга или крови или любой из сотен разных видов клеток с разными функциями? Иными словами, откуда новая клетка кожи «знает», какую часть генома ей надо прочитать, чтобы выполнять свою функцию, и какие фрагменты проигнорировать, потому что в них информация для нейронов или клеток крови?

Ответ заключается в действии метильных групп и некоторых других типов эпигенетических химических изменений, которые работают как переключатели, включая и выключая участки целого генома в каждой клетке. Этот процесс можно сравнить с выделением некоторых слов и предложений и зачеркиванием других в огромной энциклопедии.

Иначе говоря, само содержание генетической информации не меняется. Но эти «надгенетические» переключатели могут влиять на то, какая часть этой информации будет прочитана. В каждой клетке двойная спираль ДНК эффективно упакована. Она обмотана сложными петлями вокруг белковых структур гистонов, которые чем-то похожи на катушку для нитки. От того, насколько плотно или неплотно фрагмент нити обмотан вокруг гистонов, может зависеть, какие участки ДНК включены (экспрессируются), а какие выключены (блокированы). Процесс метилирования, когда к ДНК присоединяются метильные или более крупные ацетильные группы, позволяет дополнительно управлять экспрессией генов.

Учитывая, насколько важна эпигенетика для нормального развития и дифференцировки клеток, неудивительно, что нарушение этих процессов приводит к расстройствам и заболеваниям. И действительно, сейчас ученые пытаются разобраться, какую роль эпигенетика играет в формировании разных болезней, начиная от аутоиммунных, например волчанки, и заканчивая такими, как рак. Есть основания предполагать, что гены, которые могут в норме подавлять развитие рака, в некоторых опухолях выключены с помощью метилирования. Это очень перспективная тема для исследований. По такому признаку можно было бы определять некоторые опухоли на более ранних стадиях развития, например рак толстой кишки, и создавать надежные диагностические тесты для этих заболеваний.

Удивительно, но, как свидетельствуют новейшие исследования, эпигенетические изменения могут фактически передаваться по наследству следующим поколениям. Таким образом опровергается распространенное мнение, что наследственная информация может передаваться от родителей к детям только через последовательность нуклеотидов в ДНК.

Так, у эпидемиологов, изучающих голландскую Голодную зиму, есть «предварительные данные», что предрасположенность к плохому здоровью передается внукам тех женщин, которые столкнулись с недоеданием. Причем дети этих женщин сами никогда не попадали в условия голода.

Довольно сложно исследовать такие эффекты на людях. Мы живем гораздо дольше, и наше генетическое разнообразие выше, чем у лабораторных мух дрозофил и мышей. Кроме того, мы не желаем (по личным причинам, которые ученым не понять) на протяжении десятилетий участвовать в экспериментах, в которых кто-то контролирует, что мы едим, куда мы ходим и (особенно) с кем мы спариваемся.

Однако исследователи, работающие с лабораторными животными, наблюдали передачу такой информации по наследству. Например, у фруктовой мушки Drosophila melanogaster. В 2009 г. ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха сообщили, что смогли изменить цвет глаз у мушки дрозофилы с помощью инкубации ее эмбрионов при необычно высокой температуре. Когда группа исследователей под руководством биолога Ренато Паро повышала температуру с 25 °C до 37 °C, потомки мух появлялись не с белыми глазами, как обычно, а с красными. Затем ученые скрещивали поколения красноглазых мух, но эмбрионы выращивались уже при нормальной температуре. Оказалось, что эффект сохранялся на протяжении как минимум шести поколений. Когда провели секвенирование ДНК у красноглазых потомков, выяснилось, что генетическая информация не изменилась, последовательность нуклеотидов была такая же, как и у исходных родителей с белыми глазами{104}.

Рассмотрим еще одну историю, на этот раз с геном агути у мышей. Если на этом гене нет особым образом расположенных метильных групп, то мышь, у которой в норме шерсть должна быть бурого цвета, рождается с желтоватым окрасом. Обычно такие мыши набирают лишний вес и более подвержены раковым опухолям. В различных экспериментах было показано, что если беременную самку с таким нарушением кормить пищей с высоким содержанием фолиевой кислоты, витамина B12 и холина (которые участвуют в метилировании ДНК и, по-видимому, обеспечивают эпигенетические изменения), то ее у потомков будет нормальный бурый мех и у них не появится ожирения. Когда они вырастут и размножатся, их потомство будет нормальным и с большим количеством метилированных участков ДНК{105}.