Бесплодные мыши и дрозофилы с красными глазами

Около десяти лет назад эпигенетику Ренато Паро удался захватывающий эксперимент. Он вывел мух с красными, а не белыми глазами, и все из-за воздействия теплового удара в эмбриональной фазе развития. В общем-то, ничего необычного в этом не было — всего-навсего элементарная эпигенетика. У мух имелся молекулярный переключатель, который реагировал на жару и активировал ген, отвечающий за цвет глаз. Однако Ренато Паро и его коллега Джакомо Кавалли изолировали красноглазых мух, позволив им размножаться. «Удивительно, что у некоторых потомков также оказались красные глаза, хотя они никогда не подвергались тепловому удару, а генетически все были идентичны», — поясняют ученые.

Но на этом исследователи не остановились и продолжили эксперимент. Раз за разом изолируя красноглазое потомство и допуская спаривание только внутри группы, они смогли проследить эпигенетическое наследование необычного цвета глаз как минимум до шестого поколения. «Тем самым мы впервые на молекулярном уровне показали, что эпигенетические признаки в зародышевой линии животных могут передаваться по наследству следующим поколениям», — вспоминает Ренато Паро, который сегодня возглавляет базельское отделение по биосистемам в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.

Вопреки давно сложившемуся представлению оказалось, что внешние воздействия, которые модифицируют эпигенетические переключатели в зародышевой линии, не полностью стираются при формировании сперматозоидов и яйцеклеток. Видимо, в определенных условиях они могут сохраняться и таким образом воздействовать на активность отдельных генов у потомков.

Приблизительно в это же время австралийские эпигенетики Хью Морган и Эмма Уайтлоу из Сиднейского университета проводили опыты с желтыми агути, которыми несколько лет спустя занялся также Рэнди Джертл из Дарема (США). Но их не интересовало действие питания. Скорее, они стремились доказать, что бурые грызуны, у которых по какой бы то ни было причине метилирование ДНК отключало ген желтизны, чаще других давали бурое потомство. Напротив, желтые грызуны, у которых второй код не закрывал ДНК от считывания гена агути, производили на свет преимущественно желтое потомство. Генетические данные у всех зверьков были одинаковы. Ученые сделали вывод, что при переносе на следующее поколение эпигенетическая информация, очевидно, «стирается не полностью».

Между тем Эмма Уайтлоу, работающая теперь в Брисбене (Австралия), твердо убеждена, что люди тоже получают в наследство эпигенетическую информацию. Она уверена: «наследуется нечто большее чем ДНК». И это, между прочим, вполне логично, «поскольку мы целиком наследуем от родителей их хромосомы, а они лишь на пятьдесят процентов состоят из ДНК». Другую половину составляют белки, которые окружают наследственный материал и содержат в своей структуре большую часть второго кода.

Правда, именно в момент слияния яйцеклетки и сперматозоида происходит первая генеральная уборка в клеточном ядре нового организма. Многие гены и группы генов, которые до сих пор были блокированы, в результате этих еще не до конца изученных процессов снова могут открываться для считывания. Другие участки ДНК, напротив, эпигеномом отключаются.

«Сразу после оплодотворения клетка полностью перепрограммируется», — утверждает генетик из Саарбрюккена Йорн Вальтер, детально изучающий этот процесс. В результате оплодотворенная яйцеклетка возвращается в некое первоначальное состояние, из которого новая жизнь может развиваться, не отягощаясь эпигенетическим влиянием родителей. «Перепрограммирование важно, чтобы клетка правильно прошла первые шаги своего развития», — говорит Йорн Вальтер. Например, у млекопитающих лишь идеально перепрограммированная яйцеклетка формирует как эмбрион, так и плаценту, которая питает новую жизнь. И только такая яйцеклетка в ходе эмбрионального развития может превращаться в любую клетку будущего организма и таким образом участвовать в формировании разнообразных органов.

До сих пор ученые полагали, что эпигенетическая генеральная уборка дает стопроцентный результат и не оставляет следов клеточной памяти родителей. Но уверенности в этом становится все меньше.

Наоборот, с недавних пор все отчетливее формируется представление, что животные, по крайней мере теоретически, могут передавать по наследству механизмы приспособления к окружающей среде. Сначала речь шла о модификациях гистонов и метилировании ДНК, а в 2006 году это было доказано также и для микро-РНК. Мину Рассулзадеган из Университета Ниццы вместе со своими коллегами открыла, что у некоторых мышей лапки и кончик хвоста только потому бывают белыми, что отцы через сперматозоиды передали им большее количество малых РНК. В некоторых клетках эти биомолекулы с помощью РНК-интерференции отключают тот ген, который отвечает за нормальную окраску.

И наконец, работы исследовательской группы под руководством американского молекулярного биолога Майкла Скиннера из Университета штата Вашингтон (Пулман, США) поспособствовали тому, что все больше ученых верят в существование эпигенетического наследования. Скиннер и его коллега Мэтью Энуэй подвергли беременных крыс воздействию пестицида винколозолина и проследили, какое действие это оказало на потомство. Вещество, предназначенное для уничтожения грибков, разрушает мужские половые гормоны у млекопитающих, а также канцерогенно и вредно для почек. Поэтому в некоторых странах, включая Германию, оно запрещено.

Первые результаты не стали для исследователей неожиданностью: крысята мужского пола оказались значительно мельче нормальных особей, хотя сохраняли способность к оплодотворению. Очевидно, разрушающий гормоны яд затормозил формирование их половых клеток в критический период развития. Гораздо большее удивление вызвал у научного сообщества следующий результат: было установлено, что «эти последствия передавались по мужской линии почти всем самцам последующих поколений». А поколений было все-таки три.

Следовательно, яд влиял на плодовитость праправнуков тех крыс, которые были отравлены в период беременности. И это при том, что сам генетический код животных затронут не был. Майкл Скиннер и его коллеги обнаружили в клетках зародышевой линии модифицированную модель метилирований ДНК.

Ученые делают вывод: здесь внешний фактор обладает потенциалом перепрограммирования зародышевой линии млекопитающего. Тем самым он способствует развитию болезни, которая передается последующим поколениям эпигенетическим путем. Это имеет далеко идущие последствия как для эволюционной биологии, так и для нашего представления о наследуемости определенных болезней.

Новейшие исследования Майкла Скиннера показали, что наследственная эпимутация сказывается даже на привлекательности для противоположного пола. По поведению потенциальных партнеров самки угадывали болезнетворное отклонение в их втором коде и спаривались преимущественно со здоровыми в эпигенетическом отношении самцами. Скиннер склонен считать, что этот результат можно перенести и на людей: «Если ваш прадедушка подвергся воздействию вредных веществ из окружающей среды, это скажется даже через поколение, и ваша сексуальная привлекательность будет снижена». Дэвид Крюс, один из участников эксперимента, делает более взвешенный вывод: прежде всего эта работа демонстрирует, что унаследованные эпигенетические изменения могут сказаться также и на поведении животных. «Тем самым эпигенетика добралась до мозга», — заключает он.

Самая новая работа, опубликованная группой Майкла Скиннера в 2008 году, показывает, насколько прав был Дэвид Крюс. Ученые обследовали мозг самцов крыс, прапрабабушки которых подверглись воздействию яда. И пожалуйста: в участках мозга, отвечающих за поведение млекопитающих (мозжечковой миндалине и гиппокампе, упоминавшихся в третьей главе), многие гены были активированы в иной степени, нежели у нормальных особей. Эта измененная модель активации генов, вероятно, явилась причиной отклонений в поведении самцов.

В феврале 2009 года вышла работа, которая блестяще подтвердила эти наблюдения: группа Джанко Арая из Университета имени Тафтса (Бостон, США) ставила опыты на мышах, у которых вследствие эпигенетической мутации была ослаблена память. Некоторых особей сразу после рождения поместили в насыщенную среду с разнообразными игровыми приспособлениями и большим количеством позитивных социальных контактов.

В третьей главе я уже описал опыт канадского ученого Майкла Мини — как такая стимулирующая среда вылечила крыс с неправильным программированием. И вот теперь выяснилось, что она идет на пользу и мышам с мутацией: эпигеномы их нервных клеток, очевидно, отключили дефектный ген. Память у животных нормализовалась на последующие три месяца — для мышей это целая вечность.

Но гвоздь программы еще впереди. Потомки мышей с вылеченным эпигеномом тоже не обнаружили заметных провалов в памяти в течение первого месяца жизни, хотя сразу после рождения их разлучили с матерями, и они не росли в специально обогащенной среде. Единственное логическое объяснение этому: наряду с дефектным геном матери передали им также генетический переключатель, обезвреживающий этот ген.

Даже скептик Рэнди Джертл видит во многих опытах над животными свидетельство того, что наследование второго кода возможно. Но высказывается он очень осторожно: окончательно это пока еще не доказано. Не хватает пока причинной, молекулярно-биологической связи, которая завершила бы цепь доказательств. Если она когда-нибудь обнаружится, реакция общества может быть непредсказуемой. Например, предприятия, которые на протяжении многих десятилетий производили ядовитые вещества, вероятно, ожидает «настоящий кошмар в виде требований о возмещении ущерба».

Вдобавок невероятно возрастет ответственность родителей, коль скоро нездоровый образ жизни вредит не только им, но и следующим поколениям. В этом случае, как считает Джертл, родители отвечают не только перед собой, но и перед своими потомками.

И лишь немногие эпигенетики сомневаются, что в самое ближайшее время эти темы станут предметом общественной дискуссии.

Здоровье внуков — в руках деда

«В конце концов, гены — всего лишь марионетки в руках ферментов, которые могут включать и отключать их», — сказал еще в 2002 году в интервью «Шпигелю» Гуннар Коти, шведский специалист в области социальной медицины. Через ферменты факторы окружающей среды изменяют наследственный материал. «Эти изменения также могут передаваться затем по наследству», — добавил Коти. Причем он однозначно относил это к человеку, что в то время было еще очень смело.

Однако Гуннар Коти мог предъявить две работы, привлекшие внимание мировой общественности, которые он незадолго до этого опубликовал в соавторстве со своим коллегой Ларсом Олафом Бюгреном. В основу исследования были положены данные о 239 жителях небольшого городка Эверкаликс на севере Швеции. Эти люди родились в 1890, 1905 или 1920 годах, и о них сохранилась подробная медицинская документация. В дополнение к этому ученые установили даты рождения родителей, бабушек и дедушек испытуемых.

Поскольку имелись также документы о размерах урожая в этой местности в XVIII и XIX веках, после кропотливой розыскной работы Коти и Бюгрен весьма точно установили, насколько хорошо или плохо питались жители Эверкаликса в определенные периоды своей жизни. И получили потрясающий результат: если отцы и дедушки мужского населения в период, предшествующий наступлению половой зрелости (то есть когда им было около десяти лет), питались особенно хорошо, их дети и внуки жили меньше и страдали диабетом или инфарктом миокарда чаще, чем обычные жители городка.

Если же, напротив, отцам и дедушкам в возрасте около десяти лет приходилось довольствоваться скудной едой из-за бедного урожая, их потомки мужского пола достигали преклонного возраста, а также реже и позже заболевали старческими недугами. Само собой возникает подозрение, что мы можем передавать по наследству своим детям и внукам эпигенетические программы продления жизни, о которых шла речь в пятой главе. Вероятно, при определенных обстоятельствах потомкам могут передаваться также и негативные последствия «переедания».

Особое значение препубертатного периода и решающая роль предков мужского пола прекрасно вписываются в общую картину. Именно в этот период созревают мужские половые клетки. Очевидно, их второй код в этой фазе особенно восприимчив к информации, поступающей из окружающей среды. Эти данные он затем передает потомкам через переключатели на геноме.

Попутно эта теория объясняет, почему влияние матерей и бабушек из Эверкаликса было значительно слабее. Женские половые клетки созревают большей частью уже в стадии плода и в период сразу после рождения. Это согласуется также с результатами Ламбера Люмэ по нидерландской голодной зиме. Там с недостаточным весом рождались как раз дети, голодавшие в стадии плода. В их случае эпигенетическая программа передавалась, вероятно, по материнской линии, то есть через яйцеклетки. Похоже, отрицательное влияние голода из-за его экстремального характера сказалось на них иначе, чем на жителях Эверкаликса. Убедительно также и то, что младенцы, родившиеся с недостаточным весом, когда голод уже закончился, слишком быстро поправлялись, что приводило к ожирению.

Очень четко резюмировал эти данные британский эпидемиолог и генетик Маркус Пембри из Университетского колледжа (Лондон). Решающий фактор передачи эпигенетической информации следующим поколениям — фаза жизни, в которую она была запрограммирована. «Если голод или время избыточного питания случаются в фазе формирования половых клеток, условия внешней среды влияют также на детей и внуков», — говорит он. Поскольку в то время, когда образуются яйцеклетки или клетки, вырабатывающие сперму, эпигеном может собирать информацию из окружающей среды и транслировать следующему поколению.

Если теория подтвердится, родителям придется особенно тщательно следить за тем, чтобы их дети мужского пола в препубертатный период активно двигались, ели много фруктов и овощей и не набирали лишний вес. Эта фаза характерна тем, что мальчики, перед тем как вступить в период полового созревания, год-два почти не растут. У детей женского пола, напротив, именно внутриутробный период и время сразу после рождения представляются самыми значимыми для наследования компонентов второго кода.

Несмотря на пока еще скудные данные, Маркус Пембри абсолютно уверен, что механизм эпигенетического наследования существует также у человека. По его мнению, это совершенная стратегия адаптации к окружающей среде, которую в ходе эволюции должны были выработать практически все организмы. «Когда новорожденный появляется на свет, его обмен веществ уже приспособлен к условиям жизни предков», — поясняет ученый. Благодаря эпигенетическому наследованию — если оно все-таки существует — второй код хранит информацию, не только усвоенную в период собственного эмбрионального и фетального развития, но и восходящую к прародительскому поколению.

Курение вредит вашему незачатому ребенку!

«Пришло время серьезно отнестись к эпигенетическому наследованию», — так прокомментировал британский ученый Маркус Пембри работу своих шведских коллег сразу после публикаций 2002 года, а четыре года спустя сам предоставил еще одно доказательство. Он проанализировал данные большого опроса, в котором принимали участие отцы почти 14 тысяч детей, появившихся на свет в трех районах Великобритании в течение 20 месяцев. Одновременно было зафиксировано состояние здоровья детей после рождения и в возрасте девяти лет.

Вот один из вопросов: «Вы когда-нибудь курили?» Почти половина ответила утвердительно; большинство отцов начали курить в 16 лет. Небольшая группа из 116 мужчин пристрастились к курению уже в десятилетнем возрасте. Маркус Пембри и его коллеги пытались выяснить, не оказало ли раннее курение влияние на детей, хотя они были зачаты много позже — спустя несколько лет или даже десятилетий.

Эффект действительно обнаружился. Во всяком случае, у сыновей он выдержал испытание точной статистической проверкой, которая учитывала другие возможные факторы воздействия: если отцы курили уже в возрасте десяти лет или ранее, их девятилетние дети были в среднем толще, чем дети отцов, начавших курить лишь в одиннадцать или двенадцать лет. И даже дети последних были, в свою очередь, несколько толще мальчиков, отцы которых попали в никотиновую зависимость еще позже.

Эти данные согласуются с результатами из Эверкаликса и еще раз подтверждают, что мы с высокой степенью вероятности наследуем эпигенетические программы. Маркус Пембри считает, что условия жизни, в которых находились мужчины в возрасте десяти лет, определенно повлияли на обмен веществ их детей через эпигеномы половых клеток.

Так что в качестве предупреждения на сигаретных пачках следовало бы печатать следующее: «Курение может навредить здоровью детей, которых вы когда-нибудь произведете на свет!» Конечно, курильщики вредят прежде всего самим себе. Никотин и смолы вызывают тяжелые соматические и генетические нарушения. Последствия для следующего поколения, фиксируемые чисто статистическими методами, по сравнению с этим скорее второстепенны. Тем не менее ответственность курильщиков растет.

Итак, влияние образа жизни на второй код наших клеток, по всей вероятности, формирует программы активации генов также у всех наших потомков. Причем зафиксированные до сих пор наблюдения представляют собой лишь вершину гигантского айсберга, поскольку большая часть последствий от унаследованных адаптаций наших клеток, вероятно, не столь важна или не так хорошо распознается, как уже обнаруженная.

Ввиду этих новых данных мы должны внимательней отнестись к образу жизни своих детей. Нужно следить, чтобы начиная с внутриутробного и до пубертатного периода они вели здоровый образ жизни без излишеств, а также не подвергались воздействию каких бы то ни было ядовитых веществ. В этом случае мы проявляем заботу не только об их здоровье, но также о благополучии их потомков, то есть наших внуков и правнуков.

Разумеется, для стопроцентного подтверждения этого тезиса необходимо провести еще несколько обширных надежных обследований с участием людей. Но эпигенетики во всем мире не жалеют усилий для прояснения этого ключевого вопроса. Одно недавнее исследование на Тайване показало, например, что повлиять на эпигеномы половых клеток могут не только никотин и неправильное питание, но и жевание бетеля — смеси, включающей семена арековой пальмы.

Плоды арековой пальмы, которые жители Азии любят использовать в качестве возбуждающего средства, содержат большой набор биоактивных ингредиентов, например ареколин, оказывающий стимулирующее действие. По меньшей мере один из них, с большой вероятностью, влияет на эпигенетические переключатели в половых клетках. Если родители в молодом возрасте регулярно жевали бетель, у их детей может рано развиться метаболический синдром.

Симптомы этого заболевания в относительно короткое время развивались у мышей, которых исследователи кормили плодами арековой пальмы. Более того, самцы, шесть дней поедавшие бетель, в течение последующих четырех недель спаривались и порождали потомство с повышенным риском развития метаболического синдрома, несмотря на то что детеныши за всю последующую жизнь ни разу не ели плодов арековой пальмы. Этот эффект наблюдался у трех поколений.