Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Итак, как мы видим, существуют самые разнообразные механизмы, которыми можно объяснить модели наследственности, передающиеся по материнской линии потомков людей, переживших Голландскую голодную зиму. Мы смогли бы лучше разобраться в вопросе, играет ли эпигенетика какую-либо роль в приобретенной наследственности, если бы рассмотрели менее запутанную ситуацию. В идеале, это должен быть такой сценарий, где нам не пришлось бы беспокоиться ни о влиянии внутриутробной среды, ни об изменениях цитоплазмы яйцеклетки.

Удовлетворить этим условиям могут только отцы. Поскольку мужчины не беременеют, они не способны оказывать какое-либо влияние на среду развития плода. Мужчины также не вносят заметного вклада в цитоплазму зиготы. Сперматозоиды очень маленькие и почти полностью состоят из ядра — они выглядят как крошечные пульки с приклеенными к ним хвостиками. Поэтому, если бы мы наблюдали передачу трансгенерационной наследственности от отца к ребенку, она не могла бы быть вызвана внутриматочными условиями или состоянием цитоплазмы. В такой ситуации эпигенетический механизм стал бы самым приемлемым объяснением трансгенерационной наследственности приобретенных характеристик.

Для исследования данных, предполагающих, что трансгенерационная наследственность по мужской линии действительно может иметь место, мы снова обратимся к историческим событиям. В северной Швеции есть географически изолированный регион, который носит название Оверкаликс. В конце XIX и начале XX веков там часто случались периоды острого недостатка продовольствия (вызванного бедными урожаями, военными действиями и транспортными проблемами), которые чередовались с периодами изобилия. Ученые провели исследования показателей смертности у потомков людей, живших там в это время. В частности, они проанализировали объемы принимаемой пищи на этапе детства, который принято называть периодом медленного роста (ПМР). При прочих идентичных условиях, дети медленнее всего растут в годы, предшествующие половому созреванию. Это совершенно нормальное явление, наблюдаемое практически во всех культурах.

В результате изучения исторических документов исследователи пришли к выводу, что если пищи было мало в ПМР отца, его сын имел меньше шансов умереть от сердечно-сосудистых заболеваний (таких как удар, повышенное кровяное давление или болезнь коронарной артерии). С другой стороны, если у мужчины во время ПМР пищи было в избытке, его внуки подвергались повышенной опасности умереть от осложнений, вызванных диабетом[42]. В полном соответствии нашему примеру о Камилле, бабушка которой пережила Голландскую голодную зиму, их сыновья и внуки имели измененный фенотип (изменения степени риска умереть от сердечно-сосудистых заболеваний или диабета), возникший в ответ на средовые стимулы, с которыми сами они никогда не сталкивались.

Такие следствия не могут быть результатом влияния внутриматочной среды или изменений в цитоплазме по причинам, уже изложенным выше. Значит, представляется возможным предположить, что эти трансгенерационные последствия, обусловленные количеством пищи, доступной поколению дедов, были переданы внукам посредством эпигенетических факторов. Эти выводы выглядят еще более удивительными, если мы вспомним, что изначальная причина (недостаток или обилие пищи) имела место в то время, когда мальчики еще не достигли периода полового созревания, то есть еще даже не начали вырабатывать сперму. Несмотря на это, они передали результат, вызванный этой причиной, своим сыновьям и внукам.

Однако не все так гладко и бесспорно в этих исследованиях возможности передачи трансгенерационной наследственности по мужской линии. В частности, весьма рискованно полностью полагаться на абсолютную достоверность старых записей о причинах смерти и делать выводы на основании исторических документов. Кроме того, многие из наблюдаемых последствий были выражены не слишком явно. Это одна из главных проблем, обычно возникающих при работе с людьми, наряду с прочими, которые мы уже обсудили, такими как наша генетическая вариативность и невозможность контролировать окружающую среду хоть сколько-нибудь серьезным образом. Всегда существует риск, что из имеющейся информации мы можем сделать неверные выводы, как это и случилось с Ламарком, когда он изучал семьи кузнецов.

Существует ли какой-либо альтернативный способ исследовать возможность трансгенерационной наследственности? Если этот феномен присутствует и у представителей других видов, у нас будет значительно больше уверенности в том, что это явление реально. Дело в том, что эксперименты на модельных системах для проверки каких-либо гипотез могут поводиться целенаправленно и давать более объективную картину, нежели просто изучение данных, предоставляемых природой или историей.

И здесь нам опять на помощь приходят мыши агути. Опыты Эммы Уайтло показали, что вариативность окраса шерсти у мышей агути обусловлена эпигенетическим механизмом, в частности ДНК-метилированием ретротранспозона в гене агути. У всех мышей разных окрасок были одинаковые последовательности ДНК, но различные уровни эпигенетической модификации ретротранспозона.

Профессор Уайтло решила выяснить, может ли окрас шерсти передаваться по наследству. Если да, то это стало бы доказательством того, что не только ДНК передается от родителя потомству, но и эпигенетические модификации генома. И это могло бы стать возможным механизмом трансгенерационной наследственности приобретенных характеристик.

Когда выбранные Эммой Уайтло мыши дали приплод, профессор получила результаты, показанные на рисунке 6.2. Для удобства здесь изображено только то потомство, которое унаследовало ретротранспозон Avy от матери, поскольку именно эти результаты нас интересуют.

^{Рис. 6.2. Цвет шерсти генетически идентичных матерей влияет на цвет шерсти их потомства. У желтой мыши, ген агути которой экспрессируется постоянно вследствие низких уровней ДНК-метилирования регуляторного ретротранспозона, никогда не рождается темно-окрашенное потомство. Эпигенетически — а не генетически — обусловленные характеристики матери влияют на ее потомство}

Если у матери был неметилированный ген Avy и, соответственно, желтый окрас, все ее потомство рождалось с желтой или слегка пятнистой шерстью. Ни один из ее мышат не имел очень темного окраса шерсти, обусловленного метилированием ретротранспозона.

С другой стороны, если материнская аллель Avy была сильно метилирована, в результате чего эта мышь имела темный окрас, то у некоторой части ее потомства также была темная шерсть. Если и у бабушки, и у матери шерсть была темной, тогда у потомства этот признак оказывался еще более выраженным. В этом случае доля темного потомства составляла уже не одну пятую, как на рис. 6.2, а почти третью часть.

Так как Эмма Уайтло работала с инбредными мышами, она имела возможность проводить эти эксперименты множество раз и вывести сотни генетически идентичных мышат. А это важно, так как чем больше одинаковых результатов дает опыт, тем в большей степени вы можете полагаться на их объективность. Статистические исследования показали, что фенотипические различия между генетически идентичными группами были очень велики. Другими словами, было весьма маловероятно, что такие результаты были получены случайно[43].

На основании этих экспериментов был сделан вывод о том, что обусловленный эпигенетическими факторами эффект (цвет шерсти, зависящий от уровня метилирования ДНК) у животного передается его потомству. Но действительно ли мыши непосредственно наследуют эпигенетическую модификацию у своей матери?

Существует возможность, что наблюдаемые результаты были вызваны не именно наследованием эпигенетической модификации ретротранспозона Avy, а каким-то иным механизмом. Если ген агути постоянно активирован, то следствием этого является не только желтая шерсть. Этот ген, кроме того, влияет на экспрессию других генов, что в конечном итоге приводит к тому, что желтые мыши начинают толстеть и заболевают диабетом. Значит, вероятно, присутствуют какие-то различия во внутриматочной среде желтых и темных беременных самок, и различия эти заключаются в доступности для эмбрионов питательных веществ. Наличие питательных веществ само по себе может изменить схему того, как распределяются на ретротранспозоне Avy потомства определенные эпигенетические метки. Это выглядело бы похожим на эпигенетическую наследственность, но в таком случае мышата не наследовали бы непосредственно схему метилирования ДНК у матери. Вместо этого они просто прошли бы через подобный процесс программирования развития, который стал бы реакцией на доступность питательных веществ в матке.

В самом деле, на тот момент, когда Эмма Уайтло проводила эти эксперименты, ученым уже было известно, что диета может влиять на цвет шерсти мышей агути. Если беременных мышей агути кормить пищей, богатой химическими веществами, способными снабжать метиловыми группами клетки (метиловыми донорами), то соотношение в приплоде мышей с различным окрасом меняется[44]. Вероятно, это происходит по той причине, что клетки способны использовать больше метиловых групп и в большей степени метилировать свои ДНК, тем самым подавляя аномальную экспрессию гена агути. Это значит, что команда Уайтло должна была быть предельно внимательна при учете влияния на результат экспериментов с питательными веществами, поступающих к плоду в матке.

В одном из таких опытов, произвести которые над человеком практически невозможно, Эмма Уайтло извлекала у желтых мышей оплодотворенные яйцеклетки и пересаживала их темным мышам, и наоборот. В каждом случае распределение окраса шерсти у родившихся мышей было именно тем, которое ожидалось получить от донорской яйцеклетки, то есть от биологической матери, а не от суррогатной. Это неопровержимо доказывало, что окрас потомства определяет не внутриматочная среда. С помощью сложных схем спаривания исследователи также установили, что передача цвета шерсти по наследству не зависит и от цитоплазмы яйцеклетки. Суммируя результаты всех экспериментов, ученые пришли к наиболее очевидной их интерпретации, а именно к тому выводу, что эпигенетическая наследственность действительно имела место. Иначе говоря, эпигенетическая модификация (возможно, метилирование ДНК) передавалась вместе с генетическим кодом.

Эта передача фенотипа от одного поколения следующему не была совершенной — не все потомство выглядело точной копией матери. Это объясняется тем, что метилирование ДНК, контролирующее экспрессию фенотипа агути, не оставалось стабильным на протяжении поколений. Такой результат вполне соответствует тем, которые мы наблюдали в предполагаемых случаях трансгенерационной наследственности у человека—вспомним детей женщин, переживших Голландскую голодную зиму. Если мы будем рассматривать достаточно большое количество людей в исследуемой группе, то сможем выявить различия массы тела у младенцев, принадлежащих к разным группам, но не способны будем давать абсолютно точные прогнозы по отдельным индивидуумам.

У популяции агути был также выявлен неожиданный феномен зависимости от половой принадлежности. В распределении окраса присутствовал явный трансгенерационный эффект, если он передавался от матери потомству, однако ничего подобного не наблюдалось, когда мужская особь передавала своим отпрыскам ретротранспозон Avy. Не имело ни малейшего значения, был ли отец мышат желтым, крапчатым или темным. У рождавшегося от него потомства цвет шерсти мог быть каким угодно.

Однако существуют и другие свидетельства эпигенетической наследственности, передаваемой как самцами, так и самками. Фенотип извитого хвоста у мышей, вызываемый вариативным метилированием ретротранспозона в гене AxinFu (Axin-переключение), может передаваться потомству и отцом, и матерью[45]. Представляется весьма маловероятным, что трансгенерационная наследственность этого признака зависит от внутриматочной среды или цитоплазмы, поскольку влияние на них отцов не слишком велико. Куда более убедительным выглядит предположение, что здесь имеет место передача потомству одним из родителей эпигенетической модификации гена AxinFu.

Эти модельные системы оказались чрезвычайно эффективными для демонстрации того, что трансгенерационная наследственность негенетических фенотипов действительно имеет место, и осуществляется она через эпигенетические модификации. Это стало истинным прорывом. Получены доказательства того, что в некоторых очень специфических ситуациях теория о наследственности Ламарка оказывается верна, и мы можем управлять лежащим в ее основе молекулярным механизмом. Но фенотипы агути и извитого хвоста у мышей зависят от присутствия в геноме определенных ретротранспозонов. Это частный случай или общее правило? И вновь мы возвращаемся к тому, что имеет для нас самое насущное значение. К пище.

Всем нам хорошо известно, что человечество стоит перед угрозой эпидемии ожирения. Она стремительно распространяется по всему миру, с наибольшей скоростью захватывая промышленно развитые страны. Откровенно пугающий график, представленный на рисунке 6.3 и демонстрирующий положение дел в Великобритании по состоянию на 2007 год[46], показывает, что почти двое из каждых трех взрослых страдают избыточным весом (индекс массы тела, то есть соотношение массы тела и роста человека — 25 или больше) или ожирением (индекс массы тела 30 или больше). В США ситуация еще хуже. Ожирение сопутствует целому ряду тяжелых заболеваний, включая сердечно-сосудистые болезни и диабет 2 типа. Страдающие ожирением люди старше сорока лет умирают в среднем на шесть-семь лет раньше, чем люди с нормальной массой тела[47].

^{Рис. 6.3. Процент населения Великобритании, страдающего избыточной массой тела или ожирением по состоянию на 2007 год}

Данные, полученные при изучении последствий Голландской голодной зимы и других гуманитарных катастроф, свидетельствуют, что недостаточное питание во время беременности способно отразиться на потомстве, и результаты этого воздействия могут передаваться последующим поколениям. Иначе говоря, плохое питание может оказывать эпигенетическое влияние на следующие поколения. Согласно опросу населения г. Оверкаликса, хотя эти данные интерпретировать довольно сложно, переедание в ключевые моменты жизни мальчиков может иметь обратные последствия для следующих поколений. Существует ли возможность, что эпидемия ожирения, распространяющаяся среди человечества, вызовет эффект домино для наших детей и внуков? Так как мы не хотим ждать сорок лет, чтобы выяснить, справедливы ли эти предположения, ученые снова обращают свой взор на животных и пытаются предсказать будущее на основании изучения наших меньших братьев.

Первые данные, полученные при исследовании животных, показали, что питание, возможно, и не приводит к радикальным трансгенерационным результатам. Измененная схема окраса шерсти мышат агути, матерям которых во время беременности давали корм, богатый метиловыми «донорами», не передалась следующему поколению[48]. Но, возможно, это слишком специализированная модель? В 2010 году появились две работы, способные дать нам, по меньшей мере, пищу для размышлений. Они были опубликованы в двух ведущих мировых журналах, Nature и Cell. В обеих работах описываются схожие эксперименты — исследователи перекармливали самцов, а затем наблюдали, как это сказывается на их потомстве. Решив проводить эксперименты только с мышами самцами, ученые избавили себя от необходимости задумываться о возможном влиянии внутриматочной среды и цитоплазмы, которое остается главным источником головной боли для исследователей, работающих с самками.

В одном из экспериментов подопытными животными выступили крысы породы Спраг-Доули. Это крысы-альбиносы, обладающие легким характером и уживчивым нравом, благодаря чему они прекрасно чувствуют себя в неволе. В ходе опытов самцам Спраг-Доули давали пищу с высоким содержанием жира и позволяли спариваться с самками, питавшимися обычным кормом. Перекормленные самцы отличались избыточной массой тела (чему едва ли стоит удивляться), имели высокий процент содержания жира в мышцах и демонстрировали многочисленные симптомы, соответствующие диабету 2 типа у человека. Потомство у них родилось с нормальной массой тела, но при этом также обнаруживало свойственные диабету признаки[49]. У них многие гены, контролирующие метаболизм и присущую млекопитающим схему сжигания жиров, оказались «разрегулированными». По непонятным причинам, такие отклонения в большей степени демонстрировали дочери.

Совершенно независимая группа исследователей изучала влияние питания на инбредную линию мышей. Самцам мышей давали корм с резко пониженным уровнем белков. В качестве компенсации в этой диете было значительно увеличено содержание сахара. Самцы спаривались с самками, рацион которых был обычным. Затем ученые исследовали экспрессию генов печени (главного органа, если говорить о метаболизме) трехнедельных мышат, родившихся в результате этих спариваний. Проанализировав достаточно большие количества мышат, они обнаружили, что регуляция многих генов, участвующих в метаболизме, у этого потомства была нарушенной[50]. Кроме того, они выявили и изменения в эпигенетических модификациях в печени этих мышат.

[42] Kaati et al. (2002), EJHG 10: 682–688.

[43] Morgan et al. (1999), Nature 23: 314–8.

[44] Wolff et al. (1998), FASEB J 12: 949–957.

[45] Rakyan et al. (2003), PNAS 100: 2538–2543.

[46] World Cancer Research Fund figures http://tinyurl.com/47uosv4 

[47] www.nhs.uk

[48] Waterland et al. (2007), FASEB J 21: 3380–3385.

[49] Ng et al. (2010), Nature 467: 963–966.

[50] Carone et al. (2010) Cell 143: 1084–1096.