Опыты оставляют эпигенетические следы в нашем генетическом материале

В биологии идёт идеологический спор о наследственности. После "современного эволюционного синтеза" 1940-х годов утвердилось мнение, что признаки передаются через генетическое вещество — ДНК. Однако уже в 1950-х разные наблюдения поставили под сомнение исключительный контроль генов. Например, зёрна кукурузы могут иметь разный цвет при идентичной последовательности ДНК.

Растения помнят засуху

Различия во внешнем виде при одинаковом генетическом материале связаны с разной степенью активности генов. Активность участка ДНК зависит от того, насколько плотно упакована ДНК. На эту плотность упаковки влияют эпигенетические механизмы — сложная система, которая может присоединять или удалять химические метки на ДНК. Чем плотнее упакована ДНК, тем труднее её считывать, и ген становится менее активным.

Организмы могут адаптироваться к изменчивой среде, регулируя эпигенетические механизмы. Например, эпигенетическая система может помочь растениям лучше справляться с жарким или засушливым климатом, если они уже сталкивались с подобной ситуацией. Таким образом, эпигенетические метки в генетическом материале формируют своего рода "память о стрессе" у растений. Это сегодня является консенсусом среди биологов.

Сомнения в наследовании через поколения

Некоторые исследования предполагают, что потомки стрессированных растений также лучше подготовлены к опасностям, с которыми сталкивались их предки. Однако, по словам Уэли Гроссниклауса, директора Департамента биологии растений и микробов Цюрихского университета, эти исследования являются предметом ожесточённых споров. Многие эпигенетики считают, что из-за фрагментарности доказательств пока нельзя сказать, в какой степени приобретённые признаки могут стабильно передаваться в течение нескольких поколений. Остаётся недоказанным, играет ли эпигенетика роль в эволюции, давая организмам долгосрочные преимущества.

Результаты по наследованию эпигенетических меток вызывают ажиотаж не только у растений, но и у мышей. Чтобы исследовать возможные долгосрочные эффекты тяжёлой детской травмы, группа под руководством Изабель Мансуи, профессора нейроэпигенетики Цюрихского университета и ETH Zurich, ежедневно забирала мышат у их матерей на три часа через несколько дней после рождения.

Самцы мышей передают травму

Взрослые мыши, пережившие трудное детство, демонстрировали поведенческие расстройства и соответствующие химические следы в их генетическом материале. Например, по сравнению с контрольными мышами, которые всегда оставались с матерями, травмированные мыши проводили значительно больше времени в ярко освещённой части клетки, чем в тёмной.

Такое поведение позволило исследователям сделать вывод, что травмированные животные проявляли симптомы депрессии и при этом меньше боялись. "Кажется, они ищут опасности, что мы часто наблюдаем у ветеранов войн США, страдающих от посттравматического стресса", — говорит Мансуи.

Удивительно, но команда Мансуи наблюдала те же поведенческие аномалии у потомства этих травмированных самцов мышей — даже когда детёныши никогда не разлучались со своими нетравмированными матерями. Очевидно, сперма содержит эпигенетический сигнал, который также может определять активность генов их потомства.

Стирание эпигенетических воспоминаний

Именно это вызывает наибольшее беспокойство среди многих экспертов. Они утверждают, что генетический материал подвергается эпигенетическому репрограммированию в такой высокой степени во время созревания сперматозоидов, а затем в оплодотворённой яйцеклетке, что это стирает большинство эпигенетических меток, приобретённых в течение жизни мыши.

"Я согласна, — говорит Мансуи, — но также доказано, что некоторые метки переживают это репрограммирование". Существуют и другие эпигенетические механизмы. Помимо наследственного материала из ДНК, сперма также содержит сложный набор малых и микроРНК молекул, которые могут вмешиваться в эпигенетический механизм, играя важную роль в межпоколенческой регуляции активности генов.

Мансуи считает, что её эксперименты, наряду с другими, доказали, по крайней мере в принципе, существование механизмов эпигенетического наследования. Она также полагает, что эпигенетика может частично объяснить, почему существует семейная предрасположенность ко многим сложным заболеваниям, таким как диабет, рак и психические заболевания, хотя эти модели наследования не могут быть объяснены классической генетикой.

По сравнению с другими генетическими мутациями, эпимутации происходят примерно в тысячу раз чаще, как показала группа Детлефа Вайгеля в Институте биологии развития Макса Планка в 2011 году при исследовании 30 поколений резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana).

Кроме того, эпимутации принципиально обратимы. Возможно, именно поэтому эпигенетические следы в нашем генетическом материале передаются следующему поколению, а иногда и последующему, но затем обычно исчезают. Вероятно, именно этот преходящий и неопределённый характер питает текущие споры — и, вероятно, будет питать их до тех пор, пока биология полностью не поймёт сложный эпигенетический механизм наследственности.