МЫШИ, ЕВРЕИ, ВИШНЕВЫЕ КОСТОЧКИ И БЕССМЕРТИЕ
В 2013 году журнал Nature (один из самых важных для всех ученых, занимающихся естественными науками) опубликовал результаты экспериментов, поставленных учеными из Университета Эмори в Атланте. Там сначала научили самцов мышей бояться запаха вишневых косточек (на самом деле ацетофенона, который создает этот аромат), сочетая его подачу в клетку с небольшими ударами электрическим током, а потом исследовали потомков этих самцов. Обнаружилось, что мышата следующих поколений, никогда не получавшие никаких ударов током, точно так же ассоциировали запах с болью и дрожали в присутствии ацетофенона.
Исследованиями такого рода занимается эпигенетика. Греческий предлог επί — «над, выше» — показывает, что речь идет обо всем, что может надстраиваться над генетическим наследованием в традиционном понимании.
Среда, безусловно, определяет, как реализуется наш собственный геном, но передача этой информации между поколениями остается одним из открытых вопросов современной науки. Доказано, что клетки в нашем теле хранят информацию не только о том, как часто мы употребляем алкоголь или пробегаеммарафон
, какие вирусы атаковали нас в детстве и сколько раз мы подвергались действию солнечной радиации, — но и о том, что ели и каким стрессам подвергались наши родители. В геноме каждого из нас закодирована самая разная информация — цвет кожи и глаз, группа крови, то, что кислород в наших эритроцитах переносится гемоглобином, наличие веснушек или наследственных заболеваний. Но в процессе исследований генома ученые не раз сталкивались с тем, что многие гены не работают постоянно, а активируются и ингибируются в зависимости от внешних факторов. Именно объяснением того, как устроены механизмы регуляции активности генов, и занимается эпигенетика.
В середине августа The Guardian опубликовали обзор нового исследования ученых из Медицинской школы Mount Sinai в Нью-Йорке, проведенного под руководством профессора психиатрии и неврологии Рейчел Йехуды: они подтвердили, что образ жизни людей и факторы среды, в которой они живут, могут оказывать влияние не только на их собственные гены, но и на гены их детей. Группа исследовала ДНК 32 еврейских мужчин и женщин, переживших Холокост, и их потомков, а потом сравнила результаты с контрольной группой — евреями, которые в годы Второй мировой войны жили за пределами Европы, и их потомками. Оказалось, что особенности метилирования ДНК в этих группах различались, причем у выживших в период Холокоста и их потомков они достоверно коррелировали.
Метилирование ДНК — это специфическая модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности, которая является одним из способов регулировать активность генов. От характера метилирования может зависеть, в частности, как будет происходить считывание информации с гена и синтез закодированного в нем белка, как конкретный участок ДНК будет реплицироваться при делении клетки и восстанавливаться при повреждениях.
Американские специалисты исследовали ген FKBP5, кодирующий одноименный белок. В организме человека этот белок задействован в процессах иммунорегуляции и высвобождения кортизола — гормона надпочечников, участвующего в развитии стрессовых реакций. Предыдущие исследования уже подтвердили роль FKBP5 в возникновении посттравматического стрессового расстройства, депрессии и тревожных состояний. В частности, было показано, что отличия в последовательности ДНК всего в одну букву именно в этом гене могут помочь предсказать тяжесть симптомов посттравматического стрессового расстройства у взрослых, которые в детстве подверглись жестокому обращению.
Рейчел Йехуда и ее коллеги в своем исследовании пошли дальше и продемонстрировали, что тяжелый стресс — и это совсем не обязательно должны быть многолетние пытки в концентрационном лагере — не просто оставляет свой след в организме человека, но и, отпечатавшись поверх его ДНК, влияет на несколько поколений вперед. 32 человека — это совсем небольшая выборка, и результаты подобных исследований, к сожалению, не помогут рассказать, какими будут последствия пережитого стресса для ваших детей и внуков, какой интенсивности и продолжительности должен быть стресс, чтобы эти последствия проявились, и не нужно ли заранее обзаводиться семейным психотерапевтом; но они вполне уверенно демонстрируют, что эмоциональный багаж тоже передается по наследству.
По сути, эпигенетические изменения — это механизм краткосрочной адаптации к изменившимся условиям среды. Наследовать их, как и генетические мутации, может быть выгодно: если потомки адаптировавшегося родителя будут обладать такими же адаптациями, это может повысить их шанс на выживание в мире. С другой стороны, шансы могут оказаться и ниже, если условия окружающей среды опять существенно изменятся.
Одна из концепций эволюционной биологии, которая объясняет наследование таких адаптаций, называется «теория несоответствия» (Mismatch theory). Суть теории сводится к тому, что организмы обладают чертами, в том числе поведенческими, которые были переданы через поколения и сохраняются при естественном отборе из-за своей адаптивной функции в данной среде. При этом среда эволюционного периода может быть довольно отличной от текущей среды. Таким образом, черты, которые были в свое время важным способом адаптации в определенных условиях, в настоящее время им не соответствуют. Это может создать ряд проблем для организма-носителя адаптаций.
Еще один пример эпигенетической наследственности, ставший уже классическим, — обследование голландцев, чьи матери были беременны в период массового голода в 1944–1945 годах. Было показано, что дети, которые родились у этих женщин, обладали меньшей массой тела и повышенным риском развития диабета и болезней сердца, чем те, кто родился на год-два до или после этого. При этом женщины — но не мужчины, — которые находились в утробе матери в этот период, были в дальнейшем более репродуктивно успешными, чем те, матери которых не страдали от голода в период их эмбрионального развития: у них было больше потомства, рождалось больше близнецов, первая беременность случалась в более молодом возрасте (26 лет).
Другое исследование, проведенное специалистами из Университета Бристоля, показало, что регулярное курение до наступления полового созревания у мужчин связано с повышенным индексом массы тела у их сыновей (но не дочерей).
В конце концов, то, что каждый из нас антропоморфен — очевидный результат эпигенетических изменений, ведь в самом начале каждый был одной единственной клеткой с единственным набором генов внутри. Однако в процессе деления клетки эмбриона формируют абсолютно разные клеточные линии, дифференцируясь и складываясь в итоге в совершенно не похожие друг на друга ткани: нейроны, эпителий, эритроциты, мышечные клетки. Это различие достигается путем выключения и включения различных генов с помощью эпигенетических механизмов.
Раньше считалось, что все эпигенетические модификации происходят на ранних этапах развития, практически не затрагивают организм во взрослом состоянии и, уж конечно, не могут передаваться по наследству. Но, как это часто происходит в науке, со временем выяснилось, что некоторые эпигенетические маркеры, особенно метилирование материнской ДНК, все-таки могут сохраняться у потомства.
Значит ли это, что ребенок обречен этим жизненным опытом руководствоваться — тема для дальнейших исследований.
Для фундаментальной науки каждое новое открытие означает все больше вопросов, больше ответов, лучшее понимание тех закономерностей, которым следует окружающий нас мир и мы сами. «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает», — сказал однажды нобелевский лауреат Питер Медавар — и оказался прав. Если расшифровка генетического кода казалась когда-то возможностью раз и навсегда описать способности и перспективы каждого конкретного человека, заранее запрограммированные в его ДНК, то эпигенетика, в свою очередь, намекает, что все не настолько однозначно. Формально это не вполне так, и от осознанного и контролируемого использования механизмов генной регуляции нас, скорее всего, отделяет еще не одно десятилетие исследований, но уже сейчас ясно, чего можно добиться, научившись бороться с диктатом собственных хромосом: ранняя диагностика и лечение болезней, адаптация к любым условиям внешней среды, потенциальное бессмертие. Неплохо для одной-единственной клетки с единственным набором генов внутри.