Еще со школы мы знаем, что генетическая информация передается в процессе слияния половых клеток мужского и женского организма. Родившийся в результате человек будет жить всю свою жизнь с полученным геномом. Но такая ли уж постоянная структура — геном? Наука утверждает, что в нем может быть скрыто больше, чем видно на поверхности — в буквальном смысле этого слова. В преддверии Международного дня ДНК MedAboutMe разбирается, что такое эпигенетика.
Чему нас учит школа: Ламарк и Дарвин
Со школьной скамьи нам известно, что был такой ученый Жан-Батист Ламарк, который считал, что если животное будет все время тянуться к листьям на высоких ветках, то, в силу «упражнения органов», шея у него вытянется, и оно станет жирафом. И, что самое важное, его потомство родится с такими же длинными шеями и сразу сможет добывать себе пропитание с деревьев. Картинки в учебнике биологии наглядно демонстрируют идеи ламаркизма.
А другой ученый, которого теперь знает весь мир — Чарльз Дарвин – считал, что Ламарк был не совсем прав. Если применить теорию Дарвина к тем же жирафам в упрощенном виде, то она будет выглядеть следующим образом: их предки, которые не могли дотянуться до высоко расположенных веток (в условиях отсутствия другой еды), просто вымерли. А те животные, которые обладали достаточно длинной шеей, чтобы выжить, питаясь листьями деревьев, передали ген «длинношеести» некоторым своим потомкам. Из них снова выжили лишь те, у кого была длинная шея. И чем она была длиннее, тем больше преимуществ получал ее обладатель. В силу теории естественного отбора в итоге в нише парнокопытных, питающихся высоко расположенной зеленью, остались те жирафы, которых мы сегодня видим в зоопарках.
Передача генетической информации
Известно, что в организме существует два основных типа клеток: соматические и половые. Соматические — это клетки тела, неважно, идет ли речь о печени, коже, мозге или крови. Половые — это яйцеклетки и сперматозоиды. Именно слияние двух половых клеток от мужчины и женщины приводит к образованию нового организма, получающего гены и от матери, и от отца.
Итак, Ламарк считал, что приобретенные признаки могут наследоваться. В тот момент, когда он защищал свою теорию, еще не было ничего известно о генах, ДНК и прочих базовых понятиях теории наследования. И если перевести идеи Ламарка на современный язык, то речь шла о наследуемости информации из соматических клеток.
Надо сказать, что Дарвин с его идеями об изменчивости и теорией естественного отбора тоже не отрицал возможности передаче приобретенных изменений потомству. Например, у него была такая теория пангенеза, согласно которой информация об этих изменениях в виде пангенов (геммул) с током крови попадает в половые клетки и таким образом передается потомкам. То есть, рассматривая эту идею в современном ракурсе, и великий Чарльз Дарвин допускал возможность переноса информации из соматических клеток в половые.
Позднее Август Вейсман выступил против идеи о наследовании приобретенных признаков. В доказательство своей теории он на протяжении нескольких поколений крыс отрубал им хвосты и демонстрировал, что бесхвостых крысят, тем не менее, в потомстве не появляется. Идеи Вейсмана легли в основу неодарвинизма, который и постановил, что информация от соматических клеток к половым передаваться не может. Но и эта теория оказалась временной.
ДНК, гены и наследуемость
25 апреля, исполняется 64 года со дня публикации в 1953 году в журнале Nature статьи Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, написанной совместно с Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом. Работа была посвящена результатам изучения структуры молекулы ДНК. В 1962 году за это достижение ученым была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. А этот день во всем мире теперь является Международным днем ДНК.
Исследователям удалось проникнуть в святая святых человеческого организма — в хранилище данных, которым оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Это двухцепочечная макромолекула, состоящая из нуклеотидов, завернутая в спираль, определенным образом упакованная, сконфигурированная и скрепленная во многих местах, чтобы сохранить правильную конфигурацию — и это очень важный момент. Отдельные наборы нуклеотидов, кодирующие определенный белок или РНК, называются генами. Так что ДНК — это гены, упакованные у человека в 23 пары хромосом.
С момента введения в науку понятий «ген» и «ДНК» взгляды ученые на природу наследственности изменились. Спор о соматических и половых клетках вспыхнул с новой силой на фоне многочисленных подтверждений того, что возможно Ламарк и Дарвин были не так уже далеки от истины.
Люди, болезни и опровержение теорий
Хотя никому не удавалось получить жирафа, вытягивая его родителям шею, есть немало научных свидетельств того, что приобретенные признаки каким-то образом все-таки могут передаваться потомкам, причем не только детям, но и внукам, и даже правнукам. Такие факты были продемонстрированы на дрозофилах, жабах, мышах… В свое время подобные сообщения вызывали много споров, обвинений в мошенничестве и подтасовке фактов.
Но объём информации накапливался. Некоторые исследования нельзя проводить на людях в силу их абсолютной неэтичности. Однако люди сами по себе далеко не всегда придерживаются позиций этики, в результате чего плацдарм для исследований образуется естественным путем. Так, наблюдения за людьми, пережившими блокаду Ленинграда, показали, что их дети склонны к ряду различных заболеваний (болезни сердца, диабет, ожирение и др.). И это объяснимо: если мать перенесла длительный голод во время беременности, вряд ли стоит ожидать от нее рождения абсолютно здорового ребёнка. Но что удивительно, внуки и правнуки женщин-блокадниц тоже чаще страдали от тех же заболеваний по сравнению с обычными людьми. Аналогичные данные были получены по итогам изучения последствий голода в Амстердаме в конце Второй мировой войны. К сходным выводам приходят исследователи, анализировавшие влияние посттравматического синдрома на потомков людей, переживших Холокост — они чаще среднего страдали от депрессий и тревожности.
Позднее начали появляться и данные о более тривиальных ситуациях. Например, склонность людей к заболеванию диабетом 2 типа связана с датой их рождения и т. п. Ситуация в науке явно требовала изменения существующих взглядов на то, как появляются, сохраняются и передаются приобретенные признаки.
Эпигенетика — новое объяснение старых идей
Итак, известно, что, с одной стороны, отрубленные хвосты не приводят к появлению бесхвостого потомства. С другой, пережитые родителями потрясения и иные внешние воздействия каким-то образом оставляют свой след в их потомках. Объяснить это попыталась эпигенетика.
Сам термин был придуман К. Уоддингтоном еще в 1942 году, за 11 лет до выхода легендарной статьи о секрете ДНК. О том, как устроены гены, еще не было ничего известно, но Уоддингтон, говоря об эпигенетике, имел в виду взаимодействие генов (генотипа) с окружающей средой и вызванное ими изменение фенотипа (внешнего облика).
Что сегодня понимают под эпигенетикой? Есть генетические факторы наследственности, которые нам привычны и понятны. А есть факторы, которые влияют на потомство как бы «в дополнение» к традиционной генетике, «сверх того». То есть, по определению А.Риггса, эпигенетика занимается наследуемыми изменениями функций генов, которые невозможно приписать изменению генома.
Это значит, что при жизни человека в его организме могут происходить определенные изменения, которые не меняют порядок нуклеотидов в ДНК, ее первичную структуру. Геном человека по своему «текстовому» содержанию остается прежним. Но меняется пространственная структура ДНК, активность генов — и если эти изменения фиксируются в половых клетках, то они передаются потомству в том или ином виде.
Как работают механизмы эпигенетики?
Собственно, активность генов определяет то, что именно делает клетка в организме, как она живет, какие функции выполняет. При этом одни гены «спят», другие — работают. Как можно управлять этой активностью?
- Известный пример — метилирование отдельных оснований ДНК. Прицепляя и отцепляя группу СН3 от азотистого основания цитозина, можно включать и выключать отдельные гены.
- Другой вариант — использование гистонов, белков, которые участвуют в упаковке ДНК. Когда ДНК меняет свою конфигурацию, могут открываться, то есть «включаться» новые гены и «отключаться» старые.
- Ремоделирование хроматина — изменение пространственной конфигурации комплекса ДНК с гистонами. Аналогичным образом: экспрессия, то есть активность генов зависит от степени компактизации ДНК.
Эпигенетические изменения в соматических клетках крайне интересны и открывают простор для ученых в поисках методов управления геномом. Наука уже умеет включать и выключать некоторые гены, и недалек тот день, когда она сможет это делать в полном объёме. Известно также, что многие эпигенетические изменения адаптивны, то есть они происходят под воздействием определенных внешних факторов и могут быть обратно «отключены», если в них отпадет надобность.
Но более всего интересны так называемые трансгенерационные эпигенетические изменения, то есть, те, что передаются от поколения к поколению. Логика передачи информации между половыми клетками понятна. Так, если в процессе жизни взрослого организма происходит метилирование ДНК половых клеток, то будет наследоваться хромосома с, соответственно, включенными или выключенными определенными генами. Надо также учитывать, что когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются в едином порыве, они объединяют не только свои ДНК, но и различные структурные компоненты, органеллы, микро-РНК и т. п.
Но в научных статьях последних лет встречаются еще более удивительные вещи. Например, в ходе исследований последствий Холокоста было обнаружено, что повышенные уровни гормонов стресса отражаются на генетическом материале соматических клеток семенников — органа, где образуются сперматозоиды. И уже имеются доказательства межклеточной коммуникации между эпидидимиальными клетками и зрелыми сперматозоидами. Скорее всего, это лишь самая верхушка огромного айсберга информации о наследовании, которую нам еще предстоит узнать.
Эпигенетика и здоровье: выводы
Жизнь снова оказалась сложнее и изящнее, чем предполагали ученые. Самое важное, о чем говорит эпигенетика: не все зависит от генов, данных человеку от рождения. Его образ жизни, риски, привычки (и полезные, и вредные), влияющие на его здоровье — все это внешние факторы, которые так или иначе могут отразиться на активности генов. Какими будут последствия эпигенетических изменений — пока непредсказуемо.
И, кроме того, человеческий организм обладает мощнейшей системой защиты от собственных ошибок и внешних угроз. Но мы слишком мало еще знаем о механизмах эпигенетики, поэтому не стоит на 100% быть уверенным, что выкуренная сегодня пачка сигарет никак не повлияет на будущих детей, даже если речь идет о мужчине.
