Мужская ответственность: эпигенетические изменения, передаваемые потомству от отцов
Брайан Диаз стал отцом в октябре 2013-го года и, как и любой другой на его месте, чувствовал за собой невероятную ответственность, ведь с этого момента все его действия и принятые им решения будут сказываться на физическом и психическом развитии его новорожденных сыновей. Но, в отличие от многих других молодых родителей, Диаз также понимал, что уже полученный им самим опыт, а также опыт его отца, деда, прадеда и поколений до него будет иметь влияние на его детей. И если утверждение о том, что среда и условия жизни предков могут проявляться в виде определенных последствий у последующих поколений, давно звучит в научной среде, то влияние на наш генетический материал состояния здоровья наших прародителей вызывает большое количество вопросов. Важно ли то, курили ли они, голодали и участвовали ли в военных действиях – поиском ответов на эти вопросы занимался Диаз со своими коллегами в лаборатории университета Эмори в Атланте (штат Джорджия, США) за два года до появления на свет его собственных наследников.
В эксперименте на мышах ученые исследовали влияние чувства страха на животных: будет ли иметь какие-либо последствия взаимосвязь чувства страха с определенным запахом и найдутся ли какие-то признаки в ткани головного мозга у потомков подвергавшихся такому воздействию мышей. Самцам мышей давали вдыхать ацетофенон (ароматичский кетон со сладким, напоминающим цвет черемухи запахом) и сразу же после этого подавали на лапу слабый электрический разряд. Процедура повторялась в течение трех дней, по пять раз в день для каждого испытуемого грызуна. На третий день был выработан условный рефлекс с ответным поведением по типу стрессовой оборонительной реакции - мыши испуганно замирали, почуяв ацетофенон, даже если при этом они не получали удар тока. При подаче для вдыхания контрольного запаха (пропанол) подобной реакции у мышей не наблюдалось. Через десять дней прошедшие процедуру с ацетофеноном и током мыши были скрещены с не сталкивавшимися с подобным воздействием самками. Мыши полученного после спаривания поколения реагировали значительно чувствительнее на запах ацетофенона, чем на другие запахи, хотя сами они с этим запахом до этого не сталкивались. Кроме того, они вели себя настороженно и пугались неожиданных звуков, если данное химическое соединение находилось во вдыхаемом воздухе. Также дети мышей данного поколения – «внуки» исходно подвергшихся испытанию ацетофеноном и током мышей – демонстрировали повышенную нервозность в присутствии ацетофенона в воздухе. Что интересно, во всех трех поколениях со стороны анатомических изменений было обнаружено увеличение клубочков обонятельных луковиц, связанных с рецепторами типа М71, а экспрессия гена, кодирующего данные рецепторы, была повышена, что в совокупности обеспечивало повышенную чувствительность к ацетофенону. Рецептор типа М71 специфически связывается с ацетофеноном, далее раздражение передается по нервным волокнам в обонятельную луковицу, где волокна заканчиваются, образуя синаптические контакты – клубочки – с которых происходит переключение на вторичные нейроны. По итогам эксперимента ученые выдвинули предположение о том, что наследование особенностей реакции на внешние раздражители может основываться на эпигенетических механизмах регуляции активности тех или иных участков генома, что было опубликовано в 2014-м году в Nature Neuroscience.
Выводы Диаза и его коллег вызывали и продолжают вызывать споры, поскольку, несмотря на достаточно конкретный результат, вопросов остается немало. К тому же, утверждение о наследовании приобретенных реакций на раздражающие факторы среды вызывает в памяти давнюю и опровергнутую теорию французского биолога Жана Батиста Ламарка, гласящую о передаче организмами будущим поколениям по наследству приобретенных в ходе «упражнения органов» изменений, что наводит на мысль: «А не заблуждаемся ли мы и сейчас?»
В действительности, механизмы эпигенетической формы наследования еще недостаточно ясны. Чтобы разобраться в них, необходимо углубиться в основы репродуктивной биологии, чтобы выявить, как и когда формируются решающие сигнальные пути в первичных половых клетках, развивающихся впоследствии в сперматозоиды и яйцеклетки, ответственные за передачу генетического материала будущему организму. Поскольку мать, вынашивая плод, связана с ним метаболически в течение беременности, а значит, так или иначе подвергает его воздействующим на нее саму факторам, то для большей чистоты исследования ученые сконцентрировали свое внимание на отцах, а в особенности на том, как сперматозоиды приобретают и теряют свою эпигенетическую маркировку.
Еще с момента зарождения представлений об эпигенетических механизмах в научных докладах сообщалось о том, что внешние обстоятельства жизни людей – начиная с недостатка материнской заботы и заканчивая употреблением жирной пищи и неблагоприятными экологическими условиями – могут влиять на добавление/удаление химической маркировки ДНК, что опосредованно влияет на генную активность. Более того, данные изменения могут сохраняться и наследоваться в измененном виде рядам последующих поколений. Такое эпигенетическое наследование через поколения наблюдается и у растений. Как ни странно, но первым, кто столкнулся с данным явлением (в 1704 году), стал шведский ботаник Карл Линней. Он обнаружил образец растения, сходного с Linaria vulgaris (льнянка обыкновенная), но имеющего совершенно иные по строению цветки. Находка привела ученого в изумление, ведь это, казалось бы, ставило под сомнение теорию о классификации сортов, основанную на особенностях строения частей растения. В своих письмах Линней охарактеризовал свое открытие так: «Это не менее достойно внимания, как если бы корова родила теленка с волчьей головой» и назвал растение пелорией, что в переводе с греческого означает «монстр». Позднее, в 1990-х гг, биолог Энрико Коэн обнаружил, что метильные группы, находящиеся в области задействованного в формировании цветка гена, были ответственны за его активность: был полностью выключен ген Lcyc. Экспериментально Коэн подтвердил, что метильная эпигенетическая маркировка передается через семена растениям дальнейших поколений. После этого было проведено много обширных статистических исследований по всей Европе, которые указывали на охватывающие не одно поколения наследуемые эффекты и у людей.
К примеру, записи шведских ученых свидетельствуют о том, что внуки мужчин, испытывавших в пубертатном периоде голод, не так часто страдают от болезней сердца и диабета, как внуки мужчин, не имевших недостатка в питании. Еще одно исследование 2005-го года в Великобритании охватывало мужчин, начавших курить в возрасте ранее 11-ти лет: был выявлен повышенный риск избыточного веса у потомков мужского пола. Однако результаты подобных исследований не умаляют существующих сомнений, ведь статистическая работа ненаглядна и исключить множество побочных факторов, оказывающих влияние на результат, просто невозможно.
Тем не менее, продолжавшиеся эксперименты с грызунами подтверждали вышеописанные утверждения и объясняли передачу различных приобретенных свойств модификациями генома в сперматозоидах. Например, кормление мышей-самцов богатой липидам пищей привело к появлению в потомстве самок с отклоняющимся от нормы профилем метилирования ДНК в клетках поджелудочной железы. А при содержании исходных самцов на низкобелковой диете, у мужской части их потомства в первом поколении обнаруживается измененная экспрессия генов, отвечающих за обмен холестерина в печени. В дальнейшем, у самцов также было зафиксировано состояние преддиабета, которое было опосредовано эпигенетическими изменениями в расположении метильных групп. Состояние повышенного риска развития диабета было унаследовано мышами в двух дальнейших поколениях.
Говоря об исследованиях на лабораторных животных, нельзя не вспомнить о работе, проводившейся в 2005-м году при университете Вашингтона командой Майкла Скиннера. Ученые подвергли молодых крыс действию сильных пестицидов и фунгицидов, что привело к тяжелым повреждениям органов, а в сперматозоидах еще четырех последующих поколений были выявлены нарушения в метилировании ДНК. Однако как минимум двум другим независимым группам исследователей не удалось повторить это результат, а ситуация с присвоением одним из постдоков Скиннера результатов подобной работы вызвала еще больше недовольства и обсуждений.
Получается, четко обнаружить механизмы функционирования трансгенерационной эпигенетики не так просто. Дополнительные трудности в правильной оценке причины и следствий составляет то, что в каждом конкретном случае исследуется отдельное последствие, будь то плодовитость или отклонения значений глюкозы или холестерина, каждое из которых находится в зависимости от большого количества факторов. В этом плане выгодно выделяется описанное в самом начале поста исследование Диаза и его коллег, поскольку использованное в эксперименте химическое соединение связывается только с определенным типом рецепторов слизистой носа, который кодируется одним единственным геном – Olfr151. Но, несмотря на определенное преимущество, и это исследование не лишено белых пятен в конечных выводах. Ученые выдвинули предположение о том, что информация о сопряженном с чувством страха запахе достигла каким-то образом формирующиеся в яичках половые клетки, что повлекло за собой снижение метилирования гена Olfr151 в сперматозоидах. Исследователи прибегли даже к проведению оплодотворения in vitro, чтобы исключить возможность того, что самцы каким-то образом передали самкам приобретенную боязнь ацетофенона, взаимодействуя с ними, и уже от них способность была унаследована потомством. Но как именно происходит закрепление влияний среды в половых клетках (в данном случае в сперматозоидах мышей) и как именно происходит передача данных изменений между поколениями? Одно из предположений по первому пункту – синтез молекул РНК (возможно, в клетках головного мозга) в тот период, когда мышь подвергалась одновременно воздействию обонятельного раздражителя и болевого. Образующиеся в таких условиях молекулы РНК попадают в кровоток и, достигая сперматозоидов, избирательно взаимодействуют с геном Olfr151 в половых клетках. О таком способе системного транспорта РНК свидетельствуют и исследования на примере растений, когда транспортируемые по сосудистой системе молекулы РНК доставлялись к различным тканям растения, влияя в них на экспрессию определенных генов. Но вот вопрос о передаче полученных изменений многим поколениям остается открытым, поскольку, чтобы сохраниться в каждом из следующих друг за другом поколении, химический маркер должен «преодолеть» несколько этапов эпигенетического перепрограммирования. Первый из них наступает через несколько часов после оплодотворения, когда в одноклеточном зародыше большая часть меток ДНК сперматозоида удаляется. Во время деления зиготы и постепенной дифференцировки клеток в определенные типы, характерные для будущих тканей зародыша, происходит все новое и новое перераспределение метильных групп на протяжении ДНК различных клеток. И, наконец, если претерпев все предшествующие изменения, сигнал от отцовской ДНК сохраняется, собственные примордиальные клетки зародыша также проходят повторное эпигенетическое перепрограммирование. И действительно, существуют гены, способные избежать изменения метилирования ДНК в своей области. Но даже если тот же ген Olfr151 обошел системы репрограммирования, то каким образом это может ощутимо влиять на поведение уже взрослых особей?
Во всех вышеописанных сложностях предстоит разобраться. И тем не менее, лежащие в основе процессов наследования «генетической памяти» механизмы уже не являются просто предположениями, просто их необходимо разобрать детально. Хочется закончить цитатой из знаменитого мюзикла Роджерса и Хаммерштайна «Золушка»: «Невозможные вещи происходят каждый день». Так почему бы не найти им объяснение.
Источники:
