Являются ли особенности животных результатом поведенческой эпигенетики?

Растение, ничем не примечательное в одной среде, становится инвазивным видом в другой, пробивая фундаменты домов и вырастая сквозь дороги. Домовый воробей, совершенно очаровательный обитатель английской сельской местности, распространяется по всему миру, где он уничтожает другие виды птиц агрессивным поведением и переносимыми болезнями.

Может показаться, что эти растения и животные — результат мутаций ДНК, но это не так. У них та же ДНК, что и на родине; радикально изменилась экспрессия их генов.

Ученые называют это явление эпигенетикой — усилением, ослаблением или отключением экспрессии генов, что влияет на признаки растений и животных. Исследователи из Университета Южной Флориды Кристина Ричардс и Линн Мартин, профессора кафедры интегративной биологии, опубликовали новое руководство в журнале Behavioral Ecology о том, как ученые могут понять, как эпигенетика направляет быструю адаптацию.

"Наше определение эпигенетики относится к молекулярным механизмам, которые модулируют, как ДНК транслируется в признаки", — сказала Ричардс.

При эпигенетическом изменении последовательность ДНК остается прежней, а изменения в поведении, здоровье, размере и других факторах происходят просто из-за иного "упаковывания" ДНК. Во многих случаях такие эпигенетические изменения активируются каким-либо изменением в окружающей среде, обычно стрессовым. Уникально то, что некоторые из этих индуцированных средой изменений могут передаваться последующим поколениям, меняя природу вида.

До недавнего времени наследование приобретенных признаков не считалось важным для эволюционных процессов. Однако, если эпигенетические изменения так распространены, как предполагают некоторые, понимание проблем — от человеческих болезней до контроля над инвазивными бирманскими питонами, проникающими в Эверглейдс во Флориде, — может потребовать совершенно новых подходов.

Эпигенетика и инвазивные виды

Одна из основных областей, где эпигенетические изменения так важны, — это инвазивные виды. Ученых давно интересует, почему некоторые растения и животные так успешно создают проблемы за пределами своего естественного ареала. Вероятный ответ связан с эпигенетическим изменением.

"Современная биологическая теория утверждает, что различия в ДНК обеспечивают вариативность, необходимую для адаптации к широкому спектру факторов окружающей среды, — говорит Ричардс. — Но инвазивные виды, похоже, процветают даже при низком уровне генетической вариативности".

Например, в недавнем исследовании японского горца (Fallopia japonica) в Ecology Letters Ричардс и коллеги обнаружили, что растения на протяжении 100 миль Лонг-Айленда (Нью-Йорк) почти не имели генетических вариаций. Вместо этого реакции на новые места обитания, такие как песчаные дюны и болота, коррелировали с вариациями в паттернах метилирования ДНК — одного из способов регуляции экспрессии генов. Ее выводы указывают на то, что эпигенетические эффекты могут быть причиной того, как растениям удается процветать в различных средах обитания, несмотря на практически одинаковую ДНК.

Мартин изучает, как домовый воробей может так быстро приспосабливаться к новым условиям в Африке. Его группа обнаруживает, что всего за 60 лет домовые воробьи распространились по Кении, значительно изменившись по мере освоения новых территорий. Этот вид родом из Европы, но в Кении (и, возможно, в других местах интродукции) они по-другому борются с паразитами, по-другому реагируют на стресс и гораздо более склонны к исследованию. Поскольку среды обитания настолько разные, а генетической вариативности для работы так мало, весьма вероятно, что эпигенетика помогает этому захватчику расширять свой ареал.

"Раньше мы думали, что окружающая среда в основном выступает в качестве главного селективного агента для успешной или неуспешной адаптации признаков — но откуда берется новая вариативность, всегда было трудно определить, — говорит Мартин. — Этот новый способ мышления об эволюции — с добавлением эпигенетики — дает окружающей среде две роли: она по-прежнему отбирает особей, которые успешно размножаются, но также создает вариативность признаков через экспрессию генов и, вероятно, эпигенетические изменения. По сути, изменения могут проявляться быстрее, чем в традиционном представлении об эволюции".