Ошибка Дарвина — возвращение Ламарка?

Тезис о транспоколенческой — то есть преодолевающей границы поколений — эпигенетике поражает самую сердцевину биологии. Поскольку пробуждает подозрение, что идеи Жана Батиста Ламарка, единственного противника великого Чарльза Дарвина, в какой-то мере верны. Ламарк утверждал, что живые существа могут целенаправленно приспосабливаться к окружающей среде и затем передавать приобретенные навыки по наследству. Самое известное, часто цитируемое и еще чаще высмеиваемое утверждение Ламарка касалось жирафов — мол, у них потому такая длинная шея, что они постоянно тянулись к самым верхним листьям на деревьях.

Возможная реабилитация французского ученого подоспела в самый неподходящий момент, ибо 2009 год объявлен годом Дарвина. Патриарху биологии и гениальному создателю эволюционной теории в этом году исполнилось 200 лет, а с момента первой публикации его революционной работы «Происхождение видов» прошло ровно 150 лет.

Эпигенетика покушается на один из центральных тезисов дарвиновской теории — целенаправленной эволюции а-ля Ламарк не существует. И это не очень вписывается в праздничную атмосферу. Непрерывное развитие видов есть не что иное, как результат многочисленных мельчайших и случайных изменений, благодаря которым некоторые особи получают преимущество в борьбе за ограниченные ресурсы окружающей среды или в защите от опасностей. Благодаря своему преимуществу эти особи в дальнейшем дают более многочисленное потомство, чем другие представители того же вида, так что признак в течение долгого времени закрепляется, а в предельном случае ведет к образованию новых видов.

Это верное основное положение Дарвина и по сей день находит все больше подтверждений и позволяет объяснить развитие жизни на Земле — от бактерии и червя до обезьяны и человека. Обоснование происхождения видов было незаурядным достижением британского ученого. И все современные псевдотеории — например, креационизм или разумный замысел, ставящие под сомнение это основополагающее биологическое открытие, не приводят сколько-нибудь веских научно подтвержденных данных. Они совершенно ненадежны и не выдерживают рациональной критики.

Гораздо больше внимания заслуживают аргументы группы исследователей, провокационно называющих себя неоламаркистами. Они утверждают, что Дарвин, как минимум, немного ошибался, а Ламарк был немного прав.

Разумеется, они не верят в теорию Ламарка о сознательном вытягивании шеи у жирафа. Но полагают, что эпигенетические коды иногда могут передаваться по наследству, а вместе с ними и целенаправленные, неслучайно приобретенные механизмы приспособления к окружающей среде.

Одна из самых горячих поборниц этих идей — израильский генетик и философ Ева Яблонка. Многие годы она собирает доказательства эпигенетического наследования и защищает тезис о том, что второй код оказывает непосредственное влияние на эволюцию. Разумеется, это выходит далеко за рамки того простого факта, что родители передают по наследству в том числе и эпигенетически закрепленные модели активации генов. Если Ева Яблонка права, придется допустить, что эпигенетическая информация может в долгосрочной перспективе изменять гены, а следовательно, и генетические «монтажные схемы» целого вида. Она сама так описывает эту дилемму: «Ученые готовы поверить в некое наследование по Ламарку, но противятся идее о существовании Ламарковой эволюции».

Эпигенетические модификации до сих пор считаются причиной сравнительно кратковременных, но резких изменений внутри одного вида, для которых не находится генетического объяснения ввиду невероятной скорости приспособления. Так, предположительно вследствие значительного улучшения питания голландцы в течение 150 лет превратились из самого низкорослого в самый высокий народ Европы. Но представляется невероятным, чтобы это изменение повлияло также на их ДНК — что, выражаясь словами Яблонки, и было бы «Ламарковой эволюцией». Скорее, модификации второго кода помогли им максимально эффективно использовать генетический потенциал наследственного материала.

Тем не менее базельский эпигенетик Ренато Паро намерен доказать, что эпигенетические механизмы приспособления в долговременной перспективе способствуют также изменениям самого генетического текста. В этом случае Ламарк в каком-то смысле был бы окончательно реабилитирован. «Мы хотим повторить эксперимент Уоддингтона пятидесятых годов и показать, что эпимутация создала базу для закрепления генетической мутации», — заявляет Ренато Паро. Конрад Уоддингтон, основатель эпигенетики и автор метафоры «эпигенетический ландшафт», на протяжении 20 лет подвергал мух воздействию эфира. Это привело к изменениям в строении насекомых. Некоторые перемены закрепились и постоянно передавались по наследству следующему поколению.

Сейчас Ренато Паро повторяет этот эксперимент. Но, в отличие от Уоддингтона, он может изучать последствия непрерывного трансгенетического воздействия также методами молекулярной биологии. В первую очередь он сосредоточил внимание на генах, которые настраивают биохимические реакции на длительный биологический стресс. Так он хочет доказать, что эпигенетика этих генов изменяется. Кроме того, он намерен показать, что экстремальные нагрузки в долгосрочной перспективе приводят к тому, что гены мухи, испытавшие эпигенетическое воздействие, также мутируют. Это стало бы первым неопровержимым доказательством влияния внешнего фактора на модификацию генома посредством изменений в эпигенетическом коде.

Импринтинг: борьба полов

В то время как эволюционная биология по-прежнему отстаивает свою любимую догму, генетика еще с 1984 года наблюдает, как разрушается одна из ее основ — законы Менделя. Ровно 25 лет назад выяснилось, что они действуют не всегда. И виной тому снова эпигенетика.

Эта история началась в XIX веке. Тогда монах-августинец Грегор Мендель скрещивал сорта гороха с цветками разного цвета. На основании полученных результатов он сформулировал закономерности, в соответствии с которыми высшие организмы передают наследственную информацию своим потомкам. Это принесло ему звание «отца генетики» и заставило несколько поколений школьников, изучающих биологию, зубрить понятия «рецессивный» и «доминантный». В среднем от обоих родителей растения и животные наследуют по одному гену с одинаковой функцией. Если гены не идентичны, один из них, доминантный, подавляет другой, который называют рецессивным. Например, многочисленные «монтажные схемы» белков, которые обеспечивают темный цвет волос или кожи, в большинстве случаев доминируют над генами, отвечающими за более слабую пигментацию. При этом, по Менделю, совершенно безразлично, какой ген унаследован от матери, а какой — от отца.

Но вот наступил 1984 год, и генетики Дейвор Солтер и Азим Сурани в результате одинаковых опытов обнаружили, что отцовский и материнский геномы не могут просто так заменить друг друга. Они попытались создать эмбрионы мыши, у которых оба набора хромосом были взяты либо из двух яйцеклеток матери, либо из двух сперматозоидов отца. В обоих случаях эмбрионы оказались нежизнеспособны.

Если у зародышей были только материнские гены, то поначалу они развивались нормально, но плацента была слишком маленькой и не приносила им достаточного питания. Если гены были позаимствованы только у отцов, плацента чрезмерно разрасталась и у эмбрионов быстро развивались фатальные нарушения роста. Следовательно, чтобы быть жизнеспособным, млекопитающему нужен комплекс материнских и отцовских генов. Но, по Менделю, вообще безразлично, от кого унаследован геном — от матери или от отца.

Собственно говоря, генетики могли предвидеть такой результат, ведь при скрещивании близкородственных видов млекопитающих очень важно, кто отец, а кто — мать. Не случайно мул и лошак так отличаются друг от друга. В первом случае мать — лошадь, а отец — осел, во втором — наоборот. Еще более впечатляющий пример, который невозможно объяснить законами Менделя, — скрещивание льва и тигра. Если лев выступает в роли отца, детеныш достигает непомерных размеров — его вес может быть вдвое больше родительского, а длина превышать три метра. Если же, наоборот, львица выступает в роли матери, то потомство намного мельче.

«Даже если последовательности родительских ДНК полностью совпадают, у млекопитающих они не могут быть произвольно заменены друг на друга», — считает Рэнди Джертл. Активность некоторых генов, очевидно, зависит от того, чьи они — отцовские или материнские, а не от их доминантности или рецессивности.

За этим феноменом скрывается процесс, называемый геномным импринтингом. При этом даже в наших человеческих половых клетках эпигенетически отключаются некоторые специальные гены. Информация передается затем через яйцеклетки и сперматозоиды хромосомам наших детей. Поскольку мужчины и женщины отключают все же разные гены, то в норме дети наследуют активную и неактивную формы любого импринтированного гена.

Для того чтобы этот процесс мог столь же безупречно повториться и в следующем поколении, дети, формируя собственные половые клетки, стирают второй код своих родителей. Затем они устанавливают собственные эпигенетические переключатели, зависящие от пола. Это гарантирует, что мужчина, например, в своих сперматозоидах не установит на хромосомы, унаследованные от матери, дополнительно к материнским выключателям еще и отцовские. Таким образом мужчины превращают унаследованные от матери гены в активируемый по мужскому типу геном. По тому же образцу женщины преобразуют полученные от отцов эпигеномы в женскую форму.

Если где-то в этот процесс вкрадывается ошибка, что в природе происходит в одном случае из тысячи, в клетках нового поколения считываются дважды или не считываются совсем те гены, которые в норме должны считываться лишь однократно. Последствия могут быть более или менее тяжелыми в зависимости от количества затронутых генов. У мышей с чисто материнским или чисто отцовским геномом были затронуты все импринтированные гены. Они-то и привели к открытию импринтинга. Неудивительно, что животные оказались нежизнеспособными.

Предполагается, что решающее значение для развития у людей синдромов Прадера — Вилли, Ангельмана или Беквита — Видеманна тоже может иметь дефект импринтинга. Карин Бёйтинг из группы эссенского эпигенетика Бернхарда Хорстхемке обнаружила даже, где может скрываться причина болезни у пациентов с синдромом Прадера — Вилли и дефектом импринтинга. В зародышевой линии отца, перед тем как он начинает программирование своей собственной мужской модели активации генов, не полностью стирается эпигенетический код его матери.

В результате на определенном участке генома ребенок наследует женский код импринтинга в двойном размере — от матери и от бабушки по отцовской линии. А некоторые гены, важные для здорового развития, вообще не активируются. «Насколько мне известно, это одно из первых явных доказательств, что эпигенетическая информация может наследоваться также и человеком», — комментирует Хорстхемке.

На сегодняшний момент известно: у млекопитающих, а значит, и у человека импринтингу подвержены как минимум 83 гена, по разным оценкам возможно даже — от 100 до 600. Малейшее нарушение баланса в этих отрезках генома может привести к серьезным последствиям. Толчком становится, как правило, потеря импринтированным геном эпигенетических задвижек в ранний период развития.

Представляется, что на характер человека, а в предельном случае даже на развитие болезней влияет то, какие гены доминируют в его мозге — контролируемые по мужской или по женской модели. «Существуют теории, что при таких сильных и устойчивых болезненных изменениях личности, как аутизм, хроническая депрессия или шизофрения, модель импринтинга мозговых клеток сильно смещена в одном из родительских направлений», — говорит саарбрюккенский эпигенетик Йорн Вальтер.

Следовательно, многие тяжелые психические заболевания могут быть результатом серьезного дефекта импринтинга во время раннего развития. На этом же базируется уже упоминавшаяся в третьей главе теория возникновения различий между полушариями головного мозга, ведущих к леворукости или праворукости. Соответствующие участки ДНК еще только предстоит открыть. Ясно только, что генетики должны искать их среди импринтированных генов.

Но ученые упорно ищут те участки генома, которые подвергаются эпигенетическому отключению по половому признаку, не только из-за этого. Дело в том, что среди импринтированных генов очень много таких, которые связаны с серьезными и часто встречающимися соматическими недугами. Риск заболеть раком, ожирением, болезнью Альцгеймера, диабетом и астмой, а также опасность возникновения многих нарушений развития может возрасти в результате мутации активного гена импринтированной пары. Причина заключается в том, что одна из родительских копий этого гена была отключена. Если бы она была активна, то могла бы скомпенсировать дефектную модификацию гена.

Эта амортизация возможных последствий генетического дефекта, конечно, считается основной причиной, почему в ходе эволюции утвердились живые существа с двойным набором хромосом. Рэнди Джертл предлагает такое сравнение: «Природа предпочитает летать на двухмоторных самолетах. Если откажет один двигатель, можно будет вполне уверенно приземлиться на втором». Если, например, перестает функционировать ген, защищающий клетки от злокачественного перерождения, это не страшно, пока исправно работает второй ген. Но если последний отключен в результате импринтинга, то организм уже, скорее всего, проиграл решающую битву с раком.

Можно предположить существование лишь очень важных причин, по которым иные живые существа пожертвовали столь фундаментальным преимуществом, чтобы родители могли оказывать эпигенетическое влияние на своих потомков. О том, каковы эти причины, биологи дискутируют вот уже 25 лет, с момента открытия феномена импринтинга. Самая убедительная и признанная теория принадлежит австралийскому эволюционисту Дэвиду Хэйгу. Он высказывает предположение, что отец и мать через программирование своих половых клеток стремятся отстоять антагонистические интересы. Это создает потомкам преимущества, компенсирующие те риски, которыми они расплачиваются за импринтинг.

Мать заинтересована в том, чтобы потомство не расходовало слишком много собственных ресурсов и оставляло достаточно энергии для самих себя и будущих детей. Эволюция мужской линии, напротив, выигрывает в том случае, если ее потомки максимально сильны и жизнеспособны, пусть даже в долгосрочной перспективе это происходит за счет матери. Поэтому матери подавляют прежде всего гены, стимулирующие рост детеныша, тогда как отцы прежде всего отключают гены, активность которых тормозит развитие и питание детей.

В пользу этого тезиса свидетельствует многое. Например, конкурирующее эпигенетическое воздействие отца и матери на модель активации генов потомства, по масштабам эволюции, — довольно молодой феномен, который независимо друг от друга сформировали только две различные формы жизни — растения и млекопитающие. Единственное, что их объединяет: на питание потомства матери тратят много, а отцы — мало энергии. Женские растения образуют так называемый эндосперм — ткань, которая обволакивает росток и первоначально снабжает его энергией. Самки млекопитающих выращивают детенышей в своей утробе и кормят их через плаценту.

В эту картину вписывается также тот факт, что эволюция явно изобрела импринтинг одновременно с детским местом. Во всяком случае, у яйцекладущих млекопитающих, не имеющих плаценты, например у утконоса, пока не наблюдается программирования наследственного материала по половому признаку. Кроме того, Йорн Вальтер смог недавно показать, что многие импринтированные гены очень активны в плаценте, то есть используются предположительно для питания плода. И последним косвенным доказательством служит тот факт, что некоторые импринтированные гены действительно вмешиваются в рост и развитие живых существ.

Для Вальтера это предполагаемое соперничество полов в сфере потребления ресурсов потомством — особенно яркий пример того, что эволюция тоже использует разнообразные возможности эпигенетики. «Импринтинг предоставляет живым существам возможность ускорять свою собственную эволюцию», — считает ученый. Посредством сравнительно небольших изменений молекулярной структуры генов в зародышевых линиях растения и млекопитающие могут эффективно воздействовать на модель активации генов собственного потомства.

И природа действительно использует свой новый инструмент исключительно активно. Это видно по тому, что у разных млекопитающих геномному импринтингу подвергаются иногда совершенно разные гены. Может ли быть, что млекопитающие и растения научились направлять свою эволюцию и таким путем? Этот вопрос тоже пока ждет ответа.