Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В главе 6 мы рассматривали и другие примеры трансгенерационного наследования приобретенных характеристик, включая влияние питания на последующие поколения и трансгенерационное воздействие таких загрязняющих веществ как винклозолин. Исследователи в настоящее время рассматривают возможность того, что эти экологические стимуляторы способны провоцировать эпигенетические изменения в хроматине гамет. Такие изменения, вероятно, происходят в участках, защищенных от перепрограммирования на ранних этапах развития после слияния яйцеклетки и сперматозоида.

Подобно Джону Гердону, Азим Сурани и сегодня продолжает в высшей степени эффективно трудиться в области, первооткрывателем которой он стал. Его работа посвящена вопросу, как и почему яйцеклетки и сперматозоиды кодируют свои ДНК таким образом, чтобы их молекулярная память передавалась следующим поколениям. В большой степени первые эксперименты Азима Сурани были связаны с манипуляциями с ядрами клеток млекопитающих, которые он при помощи крошечных пипеток переносил из одной клетки в другую. Технически это усовершенствованная версия методик, которыми настолько успешно пользовался Джон Гердон пятнадцатью годами ранее. Удивительно приятно думать, что профессор Сурани работает сейчас в исследовательском институте в Кембридже, носящем имя профессора Гердона, и что они часто встречаются в его коридорах или в университетском кафе.

Глава 8. Война полов

Лабораторное насекомое палочник вида Carausius morosus представляет собой очень удивительное существо. Обеспечьте его всего несколькими листиками бирючины, чтобы ему было что пожевать, и уже через несколько месяцев он начнет откладывать яйца. В должное время из них вылупятся симпатичные крошечные палочники, выглядящие как миниатюрные копии взрослых особей. Если одного из таких малышей изолировать сразу после рождения и перевести на собственную «жилплощадь», то и он отложит яйца, из которых, в свою очередь, вылупится очередное поколение палочников. И происходит это вопреки тому факту, что родитель никогда и ни с кем не спаривался.

Палочники часто воспроизводятся подобным образом. Для этого они используют механизм, который называется партеногенезом, что с греческого переводится как «девственное размножение». Самки откладывают оплодотворенные яйца, не спариваясь с самцами, и из этих яиц появляются совершенно здоровые маленькие палочники. У этих насекомых в процессе эволюции развился особый механизм, благодаря которому потомство обеспечивается необходимым количеством хромосом. Но все эти хромосомы они получают только от матери.

Как мы убедились в предыдущей главе, это очень отличается от того, что происходит у мышей и людей. Для нас и наших «родственников» — грызунов, существует единственный способ создания новой жизни — мы должны получить ДНК и от матери, и от отца. Казалось бы, что палочники в высшей степени необычные существа, однако это не так. Исключением являемся как раз мы, млекопитающие. У насекомых, рыб, земноводных, рептилий и даже птиц существуют виды, размножающиеся при помощи партеногенеза. Только млекопитающие этого не умеют. Именно наш класс в животном царстве является «белой вороной», поэтому имеет смысл задать себе вопрос, почему так происходит. Начать искать на него ответы мы можем с определения признаков, характерных только для млекопитающих. Итак, у нас есть волосы или шерсть и три косточки в среднем ухе. Ни один их этих признаков не присутствует у других классов, однако представляется маловероятным, что именно они заставили нас отказаться от «непорочного зачатия». Этот вопрос зависит от гораздо более важных факторов.

Самыми примитивными представителями млекопитающих является небольшое число таких животных как утконос и ехидна, которые откладывают яйца. Следующую за ними ступень на шкале усложнения воспроизводства занимают сумчатые, такие как кенгуру и тасманийский дьявол, у которых рождаются недоразвитые малыши. На протяжении подавляющего большинства этапов своего развития потомство этих видов находится вне материнского организма — в ее сумке. Это тот самый знаменитый карман, расположенный снаружи тела.

Безоговорочно наибольшее представительство в нашем классе принадлежит так называемым плацентарным (или высшим) млекопитающим. Люди, тигры, мыши, синие киты — все мы вынашиваем своих детей одинаково. Наше потомство проходит через действительно долгую фазу развития внутри материнского организма, в матке. В течение этого периода эмбрион получает все необходимые ему питательные вещества через плаценту. Это большое, внешне похожее на блин, образование действует подобно интерфейсу между кровеносными системами плода и матери. На самом деле кровь не перетекает из одной системы в другую. В действительности, две системы расположены настолько близко друг к другу, что такие питательные вещества как сахара, витамины, минералы и аминокислоты могут проникать от матери к плоду. Кислород также поступает из материнской крови в кровь плода. Действует эта связь и в обратном направлении, когда плод избавляется от отработанных газов и других потенциально токсичных веществ, которые поступают непосредственно в кровеносную систему матери.

Это очень впечатляющая система, позволяющая млекопитающим снабжать свое потомство всеми необходимыми веществами на протяжении долгих периодов раннего развития. При каждой беременности образуется новая плацента, но команду о ее формировании отдает не мать. Вся информация об этом поступает от плода. Вспомните еще раз нашу модель ранней бластоцисты из Главы 2. Все клетки бластоцисты являются потомками оплодотворенной одноклеточной зиготы. Клетки, которые в конечном итоге станут плацентой, это клетки «теннисного мячика» на внешней поверхности бластоцисты. Фактически, одно из первых решений, которое принимают клетки, когда только начинают скатываться вниз по склонам эпигенетического ландшафта Уоддингтона, заключается в том, станут ли они в будущем плацентарными или соматическими клетками.

Хотя плацента и является великолепно организованной структурой, позволяющей питаться плоду, эта система порождает и ряд «спорных вопросов». Говоря языком бизнеса или политики, возникает конфликт интересов, поскольку, в эволюционном смысле, наши организмы сталкиваются с дилеммой.

Вот как звучит эволюционный императив млекопитающего самца, если преобразовать его в человеческие термины:

Эта беременная самка несет мои гены в виде плода. Возможно, мне никогда больше не доведется спариться с ней. Я хочу, чтобы мой плод стал как можно больше, потому что тогда у него будет максимум шансов передать мои гены дальше.

У самки млекопитающего эволюционный императив совершенно иной:

Я хочу, чтобы этот плод выжил и передал мои гены дальше. Но я не хочу, чтобы для этого он истощил меня до такой степени, что я стану неспособна к воспроизводству. Я хочу иметь не только этот единственный шанс передать дальше свои гены.

Эта война полов у млекопитающих зашла в эволюционный тупик. Целый ряд контролирующих факторов гарантирует, что верх в этом сражении не возьмет ни материнский, ни отцовский геном. Мы сможем лучше понять, как это работает, если снова обратимся к экспериментам Азима Сурани, Давора Собела и Брюса Каттанача.

Это те ученые, которые создавали мышиные зиготы, имевшие только отцовскую или материнскую ДНК.

Искусственно получив в пробирках такие зиготы, исследователи имплантировали их в матку мышей. Ни в одной лаборатории из этих зигот никогда не рождались живые мыши. Однако зиготы некоторое время развивались в матке, но с заметными аномалиями. Причем аномалии эти были довольно разными, в зависимости oi того, от матери или от отца были получены все хромосомы.

В обоих случаях немногие эмбрионы, которым все же удалось сформироваться, были маленькими и отстающими в своем развитии. Когда все хромосомы являлись материнскими, плацентарные ткани оказывались сильно недоразвитыми[62]. Если все хромосомы были получены от отца, то эмбрион еще более отставал в росте, ко плацентарные ткани у него формировались лучше[63]. Ученые создали эмбрионы из смеси этих клеток — клеток, имевших унаследованные только у отца или у матери хромосомы, но и эти эмбрионы не смогли развиться в полноценный, готовый к рождению плод. При их исследовании ученые обнаружили, что все ткани таких эмбрионов состояли только из материнских клеток, в то время как клетки тканей плаценты оказались исключительно отцовскими[64].

Эти данные дают возможность предположить, в мужских хромосомах существует определенный фактор, инициирующий программу развития плаценты, а полученный от матери геном по большей мере на сориентирован эмбрион, а не на плаценту. Как это согласуется с конфликтом или эволюционным императивом, изложенным в начале этой главы? Плацента является своего рода порталом, через которые питательные вещества, циркулирующие в материнском организме, поступают в плод. Полученные от отца хромосомы запускают развитие плаценты и тем самым создают механизмы «переадресации» как можно больших количеств питательных веществ из материнской кровеносной системы в организм плода. Материнские хромосомы действуют в противоположном направлении, и в условиях нормальной беременности создается четко уравновешенная патовая ситуация.

Сам собой напрашивается вопрос — все ли хромосомы важны для получения такого результата? Для поисков ответа на него Брюс Каттанач проводил сложные генетические эксперименты на мышах. Его подопытные мыши имели хромосомы, порядок которых был изменен. Проще говоря, у каждой мыши было требуемое число хромосом, но между собой они были «склеены» иначе, чем это бывает в природе. Ему удалось создать мышей, абсолютно точно передававших по наследству аномалии своих хромосом. Например, он смог вывести мышей, унаследовавших обе копии определенной хромосомы только от одного родителя.

В первых экспериментах, ставших достоянием гласности, он работал с мышиной хромосомой 11. Из всех остальных пар хромосом мыши наследовали по одной материнской и одной отцовской хромосоме в каждой паре. Но исключением стала хромосома 11, поскольку Брюс Каттенач вывел мышей, которые наследовали две копии материнской хромосомы 11 и ни одной копии отцовской, или же наоборот. Полученные им результаты представлены на рисунке 8.1[65].

^{Рис. 8.1. Брюс Каттенач создал генетически модифицированных мышей, у которых он мог контролировать наследование определенного участка хромосомы 11. Изображенная в середине мышь унаследовала по одной копии у каждого родителя. Мышь, унаследовавшая обе копии у матери, оказалась мельче нормальной мыши. Напротив, мышь, унаследовавшая обе копии у отца, была крупнее нормальных размеров}

Эти результаты в очередной раз подтверждают мысль о том, что существуют некие факторы в отцовских хромосомах, способствующие развитию более крупного потомства. Факторы материнских хромосом или действуют в «противоположном направлении», или ведут себя, по большому счету, нейтрально.

Как мы выяснили в предыдущей главе, эти факторы являются эпигенетическими, а не генетическими. Рассматривая предложенный выше пример, давайте предположим, что родители происходят из одной и той же инбредной линии, то есть генетически они идентичны. Если мы исследуем последовательности обеих копий хромосомы 11 у каждого из трех типов потомства, то обнаружим, что они совершенно одинаковы. В них будут содержаться те же самые миллионы пар оснований А, Ц, Г и Т, расположенных в том же самом порядке. Но на функциональном уровне эти две копии хромосомы 11 ведут себя абсолютно по-разному, что отражено в разных размерах мышей, принадлежащих к различным типам. Следовательно, должны существовать эпигенетические различия между материнскими и отцовскими копиями хромосомы 11.

По той причине, что две копии этой хромосомы ведут себя различно, и эти различия зависят от исходного родителя, хромосома 11 называется импринтинговой хромосомой. В нее впечатана информация об ее происхождении. По мере расширения наших представлений о генетике мы стали понимать, что лишь определенные участки хромосомы 11 несут на себе такую информацию. Есть большие области, где не имеет никакого значения, от кого из родителей получена та или иная хромосома, и области, в которых оба родителя действуют на одинаковых правах. Существуют также и целые хромосомы, не являющиеся импринтинговыми и не несущие в себе никакой информации.

До сих пор при описании импринтинга мы пользовались в основном феноменологической терминологией. Импринтинговые участки представляют собой отрезки генома, где мы можем определить влияние исходного родителя на потомство. Но как эти участки переносят такие эффекты? В импринтинговых областях определенные гены активированы или репрессированы в зависимости от того, у кого они были унаследованы. В приведенном выше примере хромосомы 11 гены, связанные с ростом плаценты, активированы и очень активны в копии этой хромосомы, полученной от отца. Это влечет за собой риски недостатка питательных веществ для матери, которая носит плод, и для их нейтрализации включается компенсаторный механизм. Копии тех же генов материнской хромосомы репрессируются, и это ограничивает рост плаценты. Кроме того, могут быть и другие гены, уравновешивающие влияние отцовских генов, и эти уравновешивающие гены могут быть экспрессированы, главным образом, с материнской хромосомы.

Для понимания молекулярной биологии этих эффектов предприняты огромные усилия. Недавно, например, ученые исследовали определенную область мышиной хромосомы 7. На этом участке находится ген, который называется инсулиноподобным фактором роста 2 или Igf2 (от английского insulin-like growth factor 2). Белок Igf2, способствующий росту эмбриона, обычно экспрессируется только с полученной от отца копии хромосомы 7. Исследователи ввели в этот ген мутационные изменения, не позволявшие гену нести информацию о функциональном белке Igf2. Затем они изучили результаты влияния этого вмешательства на потомство. Когда мутация передавалась от матери, новорожденные мыши выглядели совершенно так же, как любые другие. Объясняется это тем, что ген Igf2 в любом случае обычно выключен на материнской хромосоме, поэтому то, что материнский ген был подвергнут мутации, не имело никакого значения. Но когда мутировавший ген Igf2 передавался потомству от отца, мышата в помете рождались намного мельче обычных размеров. Причина этого была в том, что одна копия гена Igf 2, на которую они «рассчитывали» как на фактор, обеспечивающий активный рост плода, оказалась подавленной мутацией[66].

В мышиной хромосоме 17 есть ген, называемый Igf2Ir. Белок, кодируемый этим геном, «стирает» белок Igf2 и не позволяет ему выполнять свои функции стимулятора роста. Ген Igf2r также является импринтинговым. Поскольку белок Igf2r оказывает «противоположное» влияние на белок Igf2, отвечающего за рост плода, то вы, наверное, не будете удивлены, узнав, что ген Igf2r обычно экспрессируется с материнской копии хромосомы 17[67].

Ученые выявили около 100 импринтинговых генов у мышей и почти половину этого числа — у человека. Пока точно не известно, действительно ли у человека меньше импринтинговых генов, чем у мыши, или же их просто сложнее обнаружить экспериментальным путем. Импринтинг возник в результате эволюции около 150 миллионов лет назад[68], и в действительно больших масштабах он присутствует только у плацентарных млекопитающих. Его наличие не обнаружено у представителей классов, которые размножаются с помощью партеногенеза.

[62] Surani, Barton and Norris (1984), Nature 308: 548–550.

[63] Barton, Surani and Norris (1984), Nature 311: 374–376.

[64] Surani, Barton and Norris (1987), Nature 326: 395–397.

[65] Cattanach and Kirk (1985), Nature 315: 496–8.

[66]  De Chiara et al. (1991), Cell 64: 845–859.

[67] Barlow et al. (1991), Nature 349: 84–87.

[68] Reviewed in Butler (2009), Journal of Assisted Reproduction and Genetics: 477–486