Импринтинг: борьба полов
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.