Эпигенетика

Эпигенетика изучает, как проявление, или экспрессия, генов регулируется факторами окружающей среды. При этом последовательность ДНК не меняется, хотя новые признаки могут передаваться следующим поколениям.

В каждой человеческой клетке содержится от двух до трех метров ДНК. Это длинное и хрупкое химическое соединение нужно хранить очень бережно, и для этого природой придуманы гистоновые белки, благодаря которым ДНК сворачивается в компактные блоки. Строение гистонов и других поддерживающих химических веществ формирует эпигеном, который наследуется вместе с геномом

Генетика произвела революцию и навсегда изменила биологию, но добавила и путаницы: можем ли мы сбежать от наших генов или все запрограммировано заранее? Затем появилась эпигенетика и запутала все еще больше. Центральная аксиома генетики заключается в том, что сам организм никогда не изменяет наследуемый генетический материал, или ДНК, которая кодирует наши гены. Что бы вы ни унаследовали от родителей, вы передадите это своим детям. Этот факт лежит в основе наших знаний о генах и фомирует некоторые взгляды на эволюцию, популяционную генетику и биологию развития. (Конечно мутации, или ошибки в генах, случаются, но это происходит при копировании непроизвольно или в результате внешнего воздействия, меняющего химию ДНК, а не по инициативе организма.)

Другими словами, генетика постулирует, что вы наследуете лишь генетические признаки ваших родителей, а не признаки, которые они приобрели за свою жизнь — например, развитые мышцы от поднятия тяжестей или мозоли на ногах из-за тесной обуви.

Эпигеном

Между тем новая область, названная эпигенетикой, предполагает, что в процесс наследования включается еще один элемент. Аксиома, приведенная выше, продолжает действовать, но приобретенные признаки могут оказывать влияние на то, как тело развивается и распоряжается генами, — и могут передаваться от родителей (по крайней мере от матери). Центральное место в теории занимает понятие «эпигеном». Термин обозначает огромное множество химических веществ, например белков-гистонов, окружающих ДНК и управляющих ею.

Жизненный опыт — плохое питание, физические упражнения, перенесенные заболевания, — влияет на эпигеном значительным образом. В результате этого воздействия некоторые гены не используются клеткой, тогда как другие активируются — те, что в противном случае были бы «выключены». Геном передается от родителя потомству без изменений, а эпигеном, сопровождающий его, может категорически не совпадать с тем, который унаследовал сам родитель.

Гистоновые белки, поддерживающие и организующие длинные нити ДНК в клетке, когда-то считались исключительно опорными конструкциями. Но эпигенетика предполагает, что они играют роль в наследовании, по крайней мере в краткосрочной перспективе

Последствия голода

Самое наглядное доказательство правоты эпигенетики получено в результате масштабных исследований семей на протяжении нескольких поколений. Одно из наиболее крупных предприняли после Второй мировой войны: ученые изучали следствия голодной зимы 1944 г. в Нидерландах.

Обследование начали с детей, родившихся во время или сразу после голода. Также учли опыт их родителей, а затем детей тех детей, а вскоре и их внуков. Дети, родившиеся в тот период, выросли в основном невысокими и худыми (но совершенно здоровыми). Появившиеся сразу после голода — то есть большую часть голодного времени они находились в утробе — имели лишний вес и были склонны к психическим заболеваниям. Что удивительно, дети, родившиеся у этих двух групп, несли те же признаки, что и их матери. Судя по всему, недостаток питания отразился на матери, на развивающемся ребенке и на клетках девочек-младенцев, которые затем стали яйцеклетками и передались следующим поколениям. Голод повлиял на все три поколения — на мать, ребенка и внуков. Через несколько лет будут доступны данные о четвертом поколении. Как долго еще голод будет влиять на эпигеном?

Эпигенетика — мост между природой и породой: она показывает, как окружающая среда влияет на гены. Она объясняет, как жизненные переживания могут менять генную деятельность без вмешательства в последовательность ДНК. Эпигенетика имеет большое значение для понимания работы мозга и дает надежду на новые методы лечения неврологических расстройств.

Как так вышло, что нейроны совершенно не похожи на клетки кожи или легких, хотя и у тех, и у других, и у третьих одна и та же ДНК? И почему однояйцевые близнецы ведут себя по-разному, хотя генетический код у них один и тот же? Ответы нужно искать в эпигенетике — новой области знания, которая за последние десять лет уже радикально перелицевала биологию.

Эпигенетика — изучение наследуемых изменений генетической активности, возникающих без модификации последовательности ДНК. Она объясняет, как жизненный опыт и окружающая среда влияют на активность генов, а возникающие изменения могут быть переданы следующему поколению. Наши эпигенетические знания все еще в зачаточной стадии, однако мы уже понимаем, что этот аспект влияет практически на все стороны деятельности мозга.

Ламарк против Дарвина

Около 200 лет назад Жан-Батист Ламарк выдвинул теорию происхождения жизни на Земле. Он считал, что организмы приспосабливаются к окружающей среде и эти изменения передаются по наследству. Шея жирафа, например, постепенно удлинялась — животное пыталось достать более высокие ветки, и потому его отпрыски унаследовали шею длиннее. Чарлз Дарвин предложил альтернативную теорию — эволюцию путем естественного отбора. По Дарвину, все отдельные особи одного и того же вида отличаются друг от друга.

Жан-Батист

Чарлз Дарвин

Естественный отбор действует на наследуемые различия между организмами. Эпигенетика не «примиряет» ламаркизм с дарвинизмом и не доказывает в общем виде наследование приобретённых признаков. Она показывает, что активность генов может зависеть от клеточного состояния и некоторых воздействий среды; вопрос о межпоколенческой передаче отдельных эпигенетических изменений у человека остаётся сложным и исследуется.

Шея жирафа

Грегор Мендель

Материнская любовь

В 2004 году канадские исследователи опубликовали знаменательную работу, показывающую, что качество материнской заботы оказывает серьезное и длительное влияние на потомство. Они обнаружили, что крысята, которых мать в течение первой недели жизни регулярно облизывает и вычесывает, лучше справляются со стрессовыми ситуациями во взрослой жизни, чем получившие мало общения с матерью или не получившие совсем.

Исследователи изучили и состояние мозга этих животных и обнаружили, что разница в поведении связана с различиями в активности гена, кодирующего глюкокортикоидный белок-рецептор, играющий ключевую роль в отклике на стресс: у крысят, обласканных матерью, выявили гораздо более высокий уровень содержания этого рецептора в гипоталамусе, чем у обделенных материнской заботой.

В последующих работах изучили мозг самоубийц — некоторые пережили насилие в детстве — и людей, внезапно погибших по другим причинам. Оказалось, что эпигенетические отличия мозга самоубийц, переживших скверное обращение в детстве, связаны с иной активностью гена, кодирующего глюкокортикоидный рецептор, что увеличило риск самоубийства.

Эпигенетика в действии

Эпигенетика обусловлена химическим видоизменением хромосомальной ДНК или связанных с ней белков. Самое известное видоизменение — метилирование: метиловая группа, маленький фрагмент молекулы из одного атома углерода и трех атомов водорода, присоединяется к специфическому месту в последовательности ДНК или к белку-гистону при участии фермента метилтрансферазы. Эта реакция присоединения метиловой группы «помечает» хромосому: ее структура подлежит изменению.

Эти «метки» перестраивают общую структуру хромосомы и тем самым влияют на активность генов. Эпигенетические метки, или маркеры, могут оказывать противоположное влияние на генную активность. Некоторые открывают тот или иной участок хромосомы, и генетическая информация, закодированная в нем, становится доступной для синтеза белков. Другие, наоборот, закрывают хромосому, целиком заглушая гены на данном участке.

Эпигенетические механизмы задействованы практически во всем, чем занят здоровый мозг. Они контролируют разделение задач нейронных стволовых клеток во время развития мозга, к примеру, и вносят свой вклад в формирование и обслуживание памяти. При старении в профиле эпигенетических маркеров появляются изменения — и в мозге, и в других областях тела; нейробиологические расстройства типа болезни Альцгеймера также связаны с эпигенетическими изменениями в нейронах. То же касается и наркотической зависимости.

Расстановка эпигенетических маркеров, однако, обратима. В экспериментах на крысах канадские ученые обнаружили, что передача прежде не обихоженных крысят заботливой матери устраняет эпигенетические маркеры на гене, кодирующем глюкокортикоидный рецептор. Также обнаружилось, что эффект отсутствия матери можно обратить, если дать крысятам вещество, которое замедляет вызванную скверным уходом эпигенетическую модификацию гена, отвечающего за производство глюкокортикоида. У всех этих открытий есть очевидные глубинные следствия применительно к воспитанию детей. Важно отметить: результаты этих экспериментов подсказывают, что для детей, выросших в агрессивной или убогой среде, не все потеряно.

Чётки жизни

Ядро любой клетки нашего тела содержит более метра ДНК, упакованного в 23 пары хромосом. Каждая хромосома состоит из одной длинной двойной спиральной молекулы ДНК, в которой закодирована информация для синтеза тысяч различных белков клетки. ДНК туго свернута вокруг бочкообразных белков — гистонов, — и вся конструкция похожа на четки, нанизанные на нитку. Она скручена в спиральные волокна диаметром 30 нанометров (миллиардные доли метра), а волокна, в свою очередь, уложены петлями. Комбинация ДНК и белков внутри хромосомы называется хроматином. Хромосомы претерпевают постоянные структурные изменения, регулирующие активность генов. Хроматин раскрывается в определенных областях и подпускает к генетической информации молекулярный аппарат, осуществляющий синтез белков, после чего захлопывается, и ген опять становится неактивен. Эти изменения контролируются эпигенетическими механизмами, «метящими» хромосомы. Совокупность маркеров составляет эпигеном.

Наследование травмы

Эпигенетика — форма «генетического отпечатка»: клетки, делясь, передают свои эпигенетические маркеры дочерним клеткам. И хотя нейроны не делятся, эпигенетические модификации нейрональных генов могут быть переданы от поколения к поколению. Вот один пронзительный пример из исследования 2005 года: беременная женщина, пережившая атаку на Башни-близнецы, передала свою травму детям, и эпигенетический механизм этой передачи пока нам неведом. У детей, рожденных от матерей, находившихся на последнем триместре беременности во время атаки и перенесших посттравматическое расстройство, как выяснилось годы спустя, общий уровень кортизола в крови ниже нормы, а возбудимость и раздражимость острее.