Борьба полов
Мэтт Ридли: «Если использовать антропоморфизмы, отцовские гены не доверяют материнским построить достаточно инвазивную плаценту и делают это сами»
В 1532 году при посещении Мартином Лютером города Дессау ему показали ребенка, ведущего себя настолько странно, что Лютер засомневался в его человечности. «Он только ел; в самом деле, он поглощал столько еды, сколько хватило бы четырем крестьянам, - отметил отец Реформации. — Он ел, какал и писал, и когда кто-либо к нему прикасался, он плакал». Диагноз Лютера был прост: в ребенка вселился дьявол, и его нужно утопить в реке Мулде. «Такой подменыш лишь кусок плоти, massa carnis, потому что у него нет души», - заявил Лютер.
Сегодня мы пришли бы к другому выводу. Симптомы, описанные хроникером Лютера Иоганном Матезиусом, заставят педиатров немедленно заподозрить синдром Прадера-Вилли. У таких детей отсутствует не душа, а область хромосомы 15q11, что приводит к абсурдному перееданию, вялым мышцам и затруднениям в учебе. Синдром был описан в 1956 году Андреа Прадером и Хайнрихом Вилли.
Подменыш Лютера унаследовал свою мутацию 15q11 от отца. Мы можем с уверенностью это утверждать, потому что если бы дефект произошел в материнской копии хромосомы 15, то развилось бы совершенно иное заболевание. В 1965 году английский врач Гарри Ангельман описал три редких случая, как он их назвал, «детей-марионеток». Они были маленькими и худыми, двигались скованно и резко, страдали тяжелой умственной отсталостью и обладали необычно радостным расположением духа. Как ни странно, их состояние вызывается тем же участком ДНК, что и синдром Прадера-Вилли.
Импринтинговые гены
Генетическое заболевание, которое получит ребенок с дефектом гена 15q11, зависит от того, кто из родителей предоставил мутированную хромосому. Если она передалась от матери, то разовьется синдром Ангельмана, если от отца — синдром Прадера-Вилли. Ген, лежащий в основе этих заболеваний, является импринтинговым, то есть он несет биологическую метку, приказывающую клетке использовать только материнскую или отцовскую копию. Импринтинговые гены «помнят» о своем происхождении благодаря процессу метилирования, в результате которого часть генов выключается, а часть, наоборот, включается.
Сейчас известны десятки импринтинговых генов, и многие из них участвуют в эмбриональном развитии. Для импринтинга необходимо, чтобы в жизнеспособный зародыш вносили вклад как мужчина, так и женщина. На поверхностном уровне это очевидно: зачатие происходит, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, поэтому, конечно же, в процессе участвуют оба пола. Однако после оплодотворения пронуклеусы (ядра) двух гамет сливаются не сразу, и пронуклеус сперматозоида может быть заменен на пронуклеус яйцеклетки, и наоборот. Таким образом, ученые могут создавать зародыши с двумя генетическими отцами или матерями.
В теории такие зародыши должны развиваться нормально: у них есть полный набор хромосом и клеточных структур, необходимых для роста. Но так не происходит. Эксперименты с эмбрионами мышей показали, что такие конструкты не просто погибают, но и сам процесс их гибели зависит от источника генов. Когда используется только женский генетический материал, внутренняя клеточная масса, которая, в конце концов, станет зародышем, начинает развиваться нормально, но погибает из-за отсутствия жизнеспособной плаценты. Когда зародыш происходит от двух отцов, плацента формируется нормально, но внутренняя клеточная масса представляет собой бесформенное нечто — massa carnis, как назвал бы ее Лютер. Необходимы оба пола: импринтинговые отцовские гены обеспечивают здоровую плаценту, а импринтинговые материнские гены структурируют зародыш.
«Процесс называется импринтингом (т. е. отпечатком), поскольку основная идея состоит в том, что существует некий отпечаток, накладываемый на ДНК в материнских яичниках или отцовских яичках и помечающий ДНК как материнскую или отцовскую. Это влияет на работу генов — на то, чем ген будет заниматься в следующем поколении в мужском и женском потомстве» Дэвид Хэйг
Рейдерский захват
Эволюционное объяснение данного явления можно сформулировать, рассуждая о плаценте как о зародышевом органе. Эту идею впервые предложил австралийский биолог Дэвид Хэйг в начале 1990-х годов. Благодаря плаценте зародыш становится чем-то вроде паразита, крадущего у матери питательные вещества, кислород и другие ресурсы, необходимые ему для развития.
Таким образом, интересы зародыша и матери немного различаются: эмбрион пытается выжать из матери как можно больше, не убивая ее, а мать пытается сохранить часть ресурсов себе. Это приводит к внутриутробному перетягиванию каната, которое, возможно, является причиной таких осложнений беременности, как преэклампсия и гестационный диабет.
Это означает, что хотя половина генов зародыша унаследована от отца, а половина — от матери, однако каждая из них преследует свои цели. Материнским генам выгодно быть менее требовательными, чтобы женщина смогла впоследствии выносить еще детей, тогда как для отцовских генов репродуктивное будущее матери не имеет значения. Им нужно, чтобы как можно больше ресурсов уходило на зародыш, ведь женщина может зачать следующего ребенка от кого-нибудь еще. Таким образом, импринтинговые гены отца создают агрессивную плаценту, которая устраивает нечто вроде рейдерского захвата матки.
Гипотеза Хэйга была подтверждена последующими открытиями импринтинговых генов и особенностей эмбрионального развития. Например, ген инсулин-подобного фактора роста IGF2 активно участвует в построении плаценты, но у взрослых выключен. Он является отцовским импринтинговым геном. Ген Н19, противодействующий эффектам IGF2, является импринтинговым материнским геном.
Импринтинговые гены редко встречаются у яйцекладущих животных: поскольку их зародыши не питаются через плаценту и не могут повлиять на ресурсы, нет нужды в борьбе материнских и отцовских генов. Плацента — не просто эффективный способ вскармливания потомства, она еще и казус белли войны полов.
Метилирование
В основе импринтинга лежит процесс, именуемый метилированием ДНК. Метилирование — это химическая модификация генов. К нуклеотиду ДНК цитозину присоединяется химическая метка — метильная группа, что снижает активность гена или даже останавливает ее. Это требуется для того, чтобы гены работали только в нужный момент и только в нужных тканях.
Большинство метильных меток удаляется на ранних стадиях эмбрионального развития. Основным исключением являются импринтинговые гены, которые сохраняют свои метильные группы, указывающие на их принадлежность матери или отцу.
Искусственные гаметы
Интересной перспективой исследования стволовых клеток является выращивание искусственных яйцеклеток и сперматозоидов, что позволит мужчинам и женщинам, не способным производить свои собственные гаметы, иметь генетических детей. Однако данная возможность также привела к размышлениям о том, что сперматозоиды можно сделать из яйцеклеток или яйцеклетки из сперматозоидов, что позволит зачать однополым парам. Была даже предложена возможность производства обоих типов гамет одним человеком в абсолютном акте нарциссизма.
Однако импринтинг делает создание работающих «мужских яйцеклеток» и «женских сперматозоидов» очень сложным. Необходимо удостовериться в том, что они несут нужные метки материнских или отцовских генов, не все из которых открыты. Сперматозоидам также нужна Y-хромосома, отсутствующая у женщин.
По-видимому, импринтинг также объясняет многие дефекты развития клонов животных. Другим его следствием является неспособность млекопитающих, в отличие от пчел, ящериц и акул, размножаться партеногенезом — процессом, в котором яйцеклетки самопроизвольно развиваются в зародыши без оплодотворения.