«Отцы и дети»: как нематоды наследуют прижизненные изменения

Почему некоторые прижизненные изменения могут наследоваться почти по Ламарку, как их наследует свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans, что об этом думают эволюционисты и почему это важно для нас, рассказывает Indicator.Ru.

Последние исследования показывают, что «опыт» родителей (недостаточное питание, болезни и токсины) у некоторых видов может влиять на наследственность. Группа ученых из Университета Мериленда предложила свое объяснение этих механизмов, опираясь на данные, полученные при работе с круглым червем Caenorhabditis elegans. Работа о влиянии двухцепочечной РНК на передачу эпигенетической информации потомству опубликована в PNAS.

«Мы впервые увидели, как двухцепочечная РНК передавалась от одного поколения другому, — рассказывает ведущий автор работы Энтони Жозе, доцент кафедры клеточной биологии и молекулярной генетики Университета Мериленда. — Наша работа приоткрывает их возможную роль: они могут быть «сообщениями» для потомков».

Сейчас хорошо известны принципы и механизмы наследования признаков. При половом размножении каждый родитель передает половину своей ДНК (по одной копии каждого гена) потомству, эти гены влияют друг на друга, и формируется фенотип — внешнее проявление генотипа. Однако у некоторых видов доказано влияние наследования признаков, полученных при жизни. Почему это не опровергает эволюционные идеи, а лишь дополняет их?

Война за ламаркианское наследство: историческая ретроспектива

Порой ученым удается приостановить работу генов модельного организма при жизни и получить такие же изменения в потомстве, не вмешиваясь в сам генотип. Объяснением таких механизмов занимается эпигенетика (буквально «надгенетика») — наука, изучающая прижизненные модификации генов, которые могли бы заставить торжествовать Жана-Батиста Ламарка. Этот ученый (как и его последователи) утверждал, что изменениями видов движет «закон упражнения и неупражнения органов» (например, если болотная птица вытягивает ноги, чтобы не вязнуть в иле, ее птенцы появятся на свет более длинноногими) и внутреннее «стремление к совершенству». Последователи Дарвина и Ламарка много спорили, а на упоминание Дарвином странных мельчайших «геммул», которые якобы циркулируют в крови и содержат «память» о прижизненных изменениях, и способны проникать в половые клетки, передавая эту информацию потомству, закрывали глаза.

К середине XX века было полностью доказано, что наследование признаков происходит по механизму Дарвина. Был сформулирован принцип вейсмановского барьера, который предотвращает переход информации о прижизненных изменениях в половые клетки. Показать это было нетрудно: так, Август Вейсман отрезал мышам хвосты в нескольких поколениях, а затем сделал вывод, что укорачивание хвоста от этого не произошло. В других экспериментах черным самцам мышей пересаживали яичники белых — и мышата рождались белыми.

Ученые объединили разработанные дарвинистами идеи с данными Грегора Менделя, Томаса Моргана (изучившего совместно — сцепленно — наследуемые признаки на плодовых мушках-дрозофилах) и умением расшифровывать геномы. Дополнили картину и изящные опыты Лурии и Дельбрюка, которые продемонстрировали возможность наследования прижизненных изменений у бактерий, из-за чего генетически одинаковые бактерии-клоны могут разделяться на несколько групп. Полученный синтез теорий так и назвали — «синтетическая теория эволюции» (СТЭ).

Но наука не остановилась в развитии и продолжает дополнять нашу картину мира новыми деталями, делая наше понимание все более глубоким и объемным, поэтому синтетическая теория эволюции не может довлеть над наукой вечно в неизменном виде. Так, эпигенетика показывает, что некоторые прижизненные изменения внешних условий могут вызвать блокировку работы генов по тем же механизмам, которые позволяют каждой из наших клеток производить не все белки одновременно, а те, которые полагаются ее ролью в организме. Среди механизмов, способных «выключать» определенные гены на разных стадиях, — метилирование (присоединение к нуклеотидам метильной группы –СН3) и РНК-интерференция.

Нематода и мы

Круглый червь Caenorhabditis elegans стал модельным объектом для исследования неспроста: этот маленький (около 1 мм), но горячо любимый генетиками червячок состоит всего из 959 клеток (302 из которых — нервные), а его прозрачность позволяет наблюдать за судьбой каждой из них. Его геном, отсеквенированный и опубликованный в 1998 году, стал первым прочитанным геномом многоклеточного существа.

Биологи ввели взрослым нематодам в жидкость полости тела (аналог нашей кровеносной системы) двухцепочечные РНК, помеченные флуоресцентной меткой, белком GFP, который заставляет их излучать зеленый свет в ответ на синее освещение, и пронаблюдали, как РНК переходит из взрослого организма в яйцо. Как оказалось, двухцепочечная РНК у взрослых особей не всегда заставляет замолчать их гены, но вот клетки яиц червей таким образом могут получать «послания из прошлой жизни», точнее, из жизни родительского организма.

Двухцепочечные РНК нестандартны. Эта молекула, очень похожая на ДНК и обычно являющаяся посредником между ДНК и белком, синтезированным с нее, в отличие от своей родственницы, модель которой создали Уотсон и Крик, обычно состоит всего из одной цепи. Когда клетка «видит» РНК из двух цепей, она начинает искать соответствующие ей гены и блокирует их работу. Это называется РНК-интерференцией (подробнее об этом механизме и одном из вариантов его прикладного применения Indicator.Ru писал ранее).

«Есть признаки того, что подобное может наблюдаться и у человека, — сообщает ведущий автор исследования Энтони Жозе. — Мы знаем, что в крови человека попадаются фрагменты РНК, но мы понятия не имеем, куда они направляются и что собираются делать. Возможно, это «сообщения» нашим потомкам».

Его слова заставляют вспомнить пангеномную теорию Дарвина, его «геммулы», циркулирующие в крови. Удивительно, что клетка, для которой двухцепочечная РНК выглядит как опасная и даже вирусная структура, может не просто выключить связанные с ней гены, но и передать ее следующему поколению. По словам ученых, клетки яиц круглых червей получают двухцепочечные РНК тем же путем, что и питание. В дальнейшем цель исследователей — выяснить более точные механизмы их передачи через несколько поколений.