Избегание опасности может быть генетически закодировано на четыре поколения

Исследователи из Принстонского университета обнаружили, что приобретённое поведение может наследоваться в течение нескольких поколений у круглых червей C. elegans, передаваясь от родителя к потомству через яйцеклетки и сперматозоиды.

Характеристики организма кодируются в генах, передаваемых через зародышевую линию. Наследование некоторых признаков определяется исключительно генами, в то время как на другие также влияют факторы среды, такие как питание или стресс, которые могут изменять экспрессию генов. Такие признаки называются эпигенетическими.

Фенотип может меняться в течение жизни организма благодаря эпигенетическим механизмам. Например, у C. elegans голод или тепловой стресс заставляют червей адаптироваться, изменяя экспрессию множества генов. Эти изменения могут становиться устойчивыми через регулировку плотности упаковки ДНК или механизмы, воздействующие на матричные РНК. Когда такие модификации происходят в половых клетках, они могут передаваться будущим поколениям — это явление известно как трансгенерационное эпигенетическое наследование.

В естественной среде черви сталкиваются с разными бактериями: одни служат пищей, другие — патогенны и смертельны. Черви изначально привлекаются к патогену Pseudomonas aeruginosa, но после заражения учатся его избегать, иначе погибнут за несколько дней.

Учёные исследовали, могут ли C. elegans передавать это приобретённое поведение избегания своему потомству. Оказалось, что если матери научились избегать патогенной P. aeruginosa, их потомство тоже знает, как её избегать. Эта унаследованная поведенческая адаптация сохранялась на протяжении четырёх поколений, но на пятом поколении черви снова начинали привлекаться к Pseudomonas.

При этом наследование было специфичным: хотя черви-матери могли научиться избегать и другого патогена — Serratia marcescens, — это отвращение потомству не передавалось.

Для передачи избегания P. aeruginosa потомкам матери должны были заболеть, проглотив бактерии; одного воздействия запаха патогена было недостаточно. В наследовании важную роль играют нейронные сенсорные пути: поведение избегания у матерей и их потомства было связано с повышенной экспрессией нескольких генов, ассоциированных с нейронами. Среди них повышенная экспрессия лиганда TGF-β daf-7 у матерей была необходима для наследования отвращения к патогену потомством. Экспрессия daf-7 в сенсорных нейронах типа ASI сильно коррелировала с унаследованным поведением избегания.

Процесс наследования также требует активности малых РНК, называемых piRNA, которые участвуют в других путях эпигенетического наследования у C. elegans. Исследователи выяснили, что ассоциированный с piRNA белок PRG-1 был необходим для повышенной экспрессии daf-7 у потомства и для унаследованного поведения избегания, хотя для самого обучения избеганию у матерей он не требовался.

Экспрессия daf-7 остаётся повышенной в нейронах ASI у потомства в течение четырёх поколений, а затем возвращается к базовому уровню на пятом — именно тогда унаследованное поведение избегания и исчезает.

Хотя наследование поведения избегания даёт преимущество для выживания, важно, чтобы оно со временем исчезало. P. aeruginosa патогенна только при высоких температурах; при низких температурах её, как и другие виды Pseudomonas, можно безопасно есть. Если угроза временна, прекращение унаследованного избегания позволяет будущим поколениям вернуться к питанию питательными бактериями.