Наследование вне генов поднимает знамя отвергнутой теории


6 февраля 2009, membrana (staff@membrana.ru)

Связь между здоровьем и, шире, особенностями организма дочери и матери может оказаться куда более глубокой, чем всё, о чём учёные говорили ранее (фото с сайта voices.com).

Ларри Фейг (Larry Feig) и его коллеги из школы медицины университета Тафтса, а также из медицинского центра университета Раша (Rush University Medical Center) поставили эксперимент на мышах. Он показал, что определённое воздействие среды на организм в подростковом возрасте может не только менять некоторые характеристики особи, но передаваться следующему поколению.

Если этот вывод можно распространить на человека (что пока неизвестно), получается, что усиленная работа девочки над собой (например тренировка памяти) может положительно сказаться на врождённом интеллекте её будущих детей (при этом среда, воздействующая на отца и перемены с ним, — никак не работают).

Нуклеосома – часть хромосомы, влияющая на транскрипцию ДНК. Как показывают исследования последних лет, очень многое в развитии и работе организма определяется не столько основным кодом, сколько многочисленными молекулярными механизмами, включающими и выключающими участки генома. C этими процессами регулирования работы генома в тех или иных клетках исследователям предстоит ещё долго разбираться. Читайте о втором коде , новом измерении и умной мусорной ДНК, в которой нашли большой смысл (иллюстрация Richard Wheeler)."

Фейг создал генетически изменённых мышей, у которых была нарушена работа памяти, а именно — долговременная потенциация нейронов (LTP), все тонкости которой учёные всё ещё раскрывают.

Чтобы нивелировать этот дефект усиленным развитием мозга, учёные поместили этих мышек в "богатую" среду — активное "социальное" взаимодействие, игрушки, физические тренировки, в общем, образ жизни, при котором организм начинает бороться с недостачей LTP, задействуя некие компенсирующие механизмы.

Это улучшение интеллектуальных способностей (памяти), которое легко было проверить разными тестами, само по себе диковинным не было. Удивило исследователей другое: потомство этих мышек тоже обладало хорошей памятью. И это несмотря на то что, во-первых, оно осталось носителем дефектного гена, а во-вторых, содержалось в обычной среде, без всяких тренировок.

Заметим, мышки первого поколения подвергались благоприятному воздействию обстановки всего в течение двух недель в подростковом возрасте. Затем их возвращали в стандартную среду, в которой они росли, чтобы позже дать потомство.

Таким образом, передачу улучшений в мозге следующему поколению нельзя было объяснить какими-нибудь благоприятными гормональными сдвигами в организме родителей (если бы воздействие игр и тренировок продолжалось и в репродуктивном возрасте, или того круче — во время беременности).

Получается, что те исправления памяти, которые мышки выполнили в детстве, закрепились и были "переписаны" в потомство. Тут-то поневоле нужно вспомнить теорию, о которой всерьёз давно уже никто не говорит.

Разнообразные тесты с мышками или крысами, выявляющие закрепление или пропадание информации в памяти, давно помогают учёным разобраться с механизмом запоминания и забывания, а ещё – с факторами, влияющими на развитие памяти. Кстати, вы знаете, что как-то раз биологи стёрли воспоминания у крыс? (фотографии CSN и Li-Huei Tsai)

Итак, Жан Батист Ламарк против Чарльза Роберта Дарвина.

Строго говоря, это не совсем противостояние. В эволюции "по Ламарку" и "по Дарвину" немало общего. Причём Жан Батист создал свою теорию на полвека раньше Чарльза Роберта. Книга Ламарка "Философия зоологии" вышла в 1809-м, а "Происхождение видов" Дарвина — в 1859 году. Так что французский мыслитель может по праву считаться предшественником, повлиявшим в некоторой степени на идеи английского натуралиста.

Но есть важное отличие. По Дарвину, движущей силой эволюции служат случайная изменчивость, дающая разнообразие вариантов организмов, и естественный отбор, оставляющий самые удачные версии. По Ламарку — внутренне присущее живому стремление к "прогрессу" и способность организмов меняться под действием среды, передавая эти изменения потомству.

Чтобы лучше понять разницу, рассмотрим пример жирафа. По Дарвину, у этих животных на протяжении многих поколений рождались особи со слегка отличными параметрами (в силу естественных колебаний в геноме).

Но у тех, кому посчастливилось иметь чуть более длинную шею, было больше возможностей для пропитания. Они с большей вероятностью доживали до репродуктивного возраста и давали потомство с такими же длинными шеями.

Жирафы с чуть более короткими шеями, соответственно, в среднем реже продолжали род. И так, за много-много поколений, шея у данного вида и вытянулась, чтобы доставать до самых лакомых листьев на высоких деревьях.

По Ламарку картина иная. Отдельно взятый жираф всё время тянется и тянется вверх (за едой), и это постепенно влияет на его состояние (как тренировка, которой можно укрепить мышцы или даже чуть увеличить длину кости — вспомним аппараты Илизарова). И вот тут самое спорное: полученные изменения закрепляются и передаются потомству. Конечно, Ламарк не говорил о генах. Но можно представить, что положительные изменения как-то отражаются на коде. До того как этот жираф обретёт малышей.

С точки зрения современной биологии — бред. Животное не вмешивается в свой код, а для изменчивости есть другие механизмы (случайные ошибки при копировании ДНК в клетках, действие химикатов-мутагенов, вирусов и естественной радиации в конце концов). Изменчивость эта не направленная, просто жизнь позволяет закрепиться тем переменам, которые "к лучшему".

Но в случае с мышками мы видим, что исправленная долговременная потенциация была передана следующему поколению. Причём не при помощи коррекции ДНК.

Перед нами чистая эпигенетика, поясняют экспериментаторы. То есть передающиеся через поколения клеток и даже в следующее поколение организма фенотипические изменения, не сопровождаемые, однако, изменением в генетическом коде как таковом, то есть в нуклеотидной последовательности.

Процесс метилирования ДНК – один из нескольких механизмов эпигенетических изменений. Цветные полоски представляют основания, зелёные кружки – метильная группа. Этот процесс влияет на работу уже имеющихся генов. Но вот отражается ли в дальнейшем (и если да, то каким образом) метилирование на самом геноме организма (а в конечном счёте – вида), дабы двигать эволюцию по Ламарку, можно только гадать (иллюстрация Technology Review).

Происходит это благодаря разным механизмам. В частности, считают исследователи, мы можем иметь дело с метилированием ДНК, присоединением к некоторым её участкам метильной группы (оно влияет на экспрессию генов).

Но раньше в опытах биологи сталкивались с воздействием на плод эпигенетики только в случае с беременной особью, либо обнаруживали работу эпигенетических механизмов при размножении клеток. Они, в частности, влияют на процессы дифференцирования клеток внутри организма, а также — отвечают за "включение/отключение" ряда генетических заболеваний, а ещё, по некоторым данным, — развитие рака.

Теперь же исследователи показали силу эпигенетики в случае воздействия на организм задолго до беременности. И хотя непосредственно геном мыши изменён не был, полученный результат заставил вспомнить Ламарка и его теорию. (Детали опытов Фейга можно найти в статье в Journal of Neuroscience).

Примечательно, что одновременно появилось второе исследование, результаты которого неплохо ложатся в ту же мозаику.

Дэвид Свитт (David Sweatt) из университета Алабамы (University of Alabama at Birmingham) сообщает об опытах на крысах. Сначала биологи показали, что "детишки" крыс, являющихся плохими матерями (пренебрегающими потомством, применяющими к нему физическое насилие), демонстрируют определённые эпигенетические изменения негативного характера.

Это было известно и раньше. Но учёные считали, что такое изменение эпигенома — прямой результат действий матери по отношению к отпрыскам. А оказалось — не только. Выяснилось, что такие перемены могут быть далее переданы следующему поколению крыс (внукам "плохих мамаш"). При этом, чтобы исключить внешнее влияние на потомство, учёные забирали новорождённых крысят у "зверьков со стрессом" и отдавали их на воспитание нормальным мамам.

Негативные изменения оказались исправлены лишь частично, а значит — они были получены крысятами уже изначально, от рождения.

Свитт утверждает – он вовсе не намеревается лить воду на мельницу неоламаркианства, но "Современные исследования повышают вероятность, что эти вещи могут быть реальными и основанными на молекулярных механизмах", — поясняет учёный.

Фейг также относится к своим результатам с осторожностью, ведь точный механизм передачи положительных изменений в эпигеноме остался под покровом тайны. Тем более что в случае с мышками улучшение памяти было, увы, непостоянным — через несколько месяцев зверьки ухудшали результаты, генетический дефект давал-таки о себе знать.

И всё же совпадение общей картины в двух независимых экспериментах заставляет подумать — а не имелось ли в рассуждениях Ламарка здравое зерно?

Фейг (слева) и Свитт (справа) вовсе не являются сторонниками теории Ламарка (парижский памятник которому можно увидеть на этом снимке). Они высказываются в том духе, что "Дарвин, конечно же, устоял", но нет дыма без огня, так что современная эпигенетика сдувает пыль со старых рукописей (фотографии Tufts University, University of Alabama at Birmingham и с сайта wikipedia.org).

Каков мог бы быть механизм такого наследования?

Фейг рассуждает о долгосрочных гормональных изменениях будущих мышей-мам, которые позже воздействуют на ДНК плода. Но тонкости процесса ещё ждут объяснения.

В этом плане большие надежды учёные возлагают на совершенствование техники секвенирования ДНК, в частности, методы, позволяющие точно определять метилированные участки кода. Тут загвоздка не столько в науке или технологии, сколько в деньгах. Известно, что расшифровка всего наследственного кода одной особи (не важно, идёт речь о человеке или мыши) – дело дорогое. А в случае с эпигенетикой цена вопроса возрастает во много раз.

Дело в том, что если у организма в каждой клетке содержится один и тот же геном, то эпигеном у каждого типа клеток — свой оригинальный. А в том же человеке, к примеру, насчитывается по меньшей мере 250 типов клеток. Значит, чтобы получить полную картину эпигенетических изменений, обусловленных воздействием среды, тренировок и всяческих занятий одного человека, учёным нужно выполнить секвенирование, идентичное расшифровке сразу 250 человек.

Если первые выводы исследователей будут подтверждены, нас ждёт серьёзный пересмотр или, во всяком случае, коррекция как теории эволюции видов, так и "советов родителям". Ведь насколько могут быть серьёзными последствия, если представить, что положительные и отрицательные "опыты", которые ставят над собой молодые люди, способны генетически передаться их детям?

Ряд специалистов назвали эти результаты провокационными. Но тем интереснее. Не получится ли так, что на новом витке развития генетика возродит некоторые заброшенные идеи двухсотлетней давности?