Вот уже в течение нескольких лет в средствах массовой информации, а также в специальной прессе блуждает термин, значение которого связано с новаторскими достижениями биологов и медицинских работников — речь идет о эпигенетике. Часто говорится о «революции», о «смене парадигм» или о необходимости переписывать учебники. В университетах эпигенетика все чаще появляется как предмет, а некоторые кафедры сегодня используют этот термин в своем названии. Но существуют и сомнения относительно того, что новые научные достижения на самом деле являются столь новаторскими. Не имеем ли мы дело в данном случае с очередной раздутой в прессе шумихой?
Некоторые результаты эпигенетических исследований, действительно, выглядят впечатляюще — так, например, говорится о том, что приобретенный в течение жизни животными и людьми опыт может оказывать воздействие на их потомство, и иногда это может происходить именно в тот момент, когда эти события происходили, то есть еще до зачатия и вынашивания потомства.
Первые указания на подобного рода воздействие на человека изучили специалисты из Университета Умео с помощью регистрационных списков населения северной части Швеции. Внуки мужчин, которые в XIX веке пострадали от голода, имели несколько более продолжительный срок жизни, чем те люди, бабушки и дедушки которых не испытывали недостатка в продуктах питания.
Различные исследования, особенно проведенные в Университетской клинике в Амстердаме, показывают, что дети матерей, забеременевших в голодную зиму (Hongerwinter) 1944-1945 годов, были в большей степени склонны к тому, чтобы иметь избыточный вес, проблемы с сердцем, диабет, а также другие проблемы, и кроме того, иметь рост ниже средних показателей. Исследование, проведенное среди детей, матери которых пострадали по время голодной зимы, показывает, что у их сыновей были, скорее, толстые дети. То есть, приобретенный бабушками опыт действовал даже через поколение. Однако у детей дочерей подобное воздействие не было обнаружено. Исследования более раннего периода с несколько иными результатами опирались только на опросы родителей, и поэтому следует осторожно относиться к их интерпретации.
Лишь в прошлом году исследователи из нью-йоркской Клиники Маунт-Синай (Mount Sinai) сообщили о том, что дети людей, переживших Холокост и страдающих от посттравматического стресса, а также связанных с ним нарушений, не только были в большей степени предрасположены к соответствующим психическим проблемам, чем другие дети. Кроме того, поведение определенного гена, связанного с преодолением стресса, указывает на заметную регуляцию. В контрольной группе воздействие подобного рода не наблюдалось. Полученные травмы родители передают своим детям, сообщили после этого многие средства массовой информации.
Помимо упомянутых исследований, был еще проведен целый ряд экспериментов, прежде всего на мышах и крысах, и они, в частности, показывают, что испытавшие стресс животные затем имеют потомство, представители которого ведут себя так, как будто они сами пережили стресс.
Вдруг вновь заговорили о Ламарке
Полученные результаты имеют сенсационный характер, поскольку они, кажется, ставят под сомнение основные положения теории эволюции Чарльза Дарвина. Дарвин, упрощенно говоря, утверждает, что организмы на основе своих генов развивают определенные особенности. С помощью мутации у потомства могут появиться измененные или новые характерные черты, которые затем через гены передаются следующим поколениям. Если подобные изменения в определенной среде оказываются преимуществом для их носителей, то тогда, вероятнее всего, соответствующие гены будут распространяться в популяции (селекция). Таким образом из одного вида могут образоваться новые разновидности.
Тем временем из-за появившихся новых данных из забвения вновь возвращается давно считавшееся устаревшим представление — речь идет о теории Ламарка, появившейся в XIX веке. Классическим примером является жираф. Его длинная шея, согласно теории французского ученого Жан Батиста Ламарка (Jean-Baptist Lamarck), образовалась в результате того, что это животное тянулось за листьями на высоких деревьях. Поэтому несколько удлинившаяся шея родителей затем оказала влияние на потомство, а шея молодых особей еще больше удлинилась, поскольку и они вытягивали ее, пытаясь дотянуться до листьев, и так далее.
Результаты эпигенетики производят сенсационное впечатление еще и потому, что они, возможно, переносят ответственность родителей перед потомством в новое измерение. Поскольку мы теперь должны спрашивать себя о том, насколько наши дети будут страдать от нашего поведения — например, из-за того, что мы неправильно питались, курили, пили алкоголь или слишком мало двигались. К этому следует еще добавить и дискуссию на тему «Гены или окружающая среда», или «nature versus nurture» (англ.: природа против воспитания — прим пер.), в рамках которой гены теряют все свойства как основы определенных качеств, и поэтому, помимо биологов, эпигенетикой интересуются также медики и представители общественных наук. Кроме того, к этой теме проявляют интерес ученые, занимающиеся проблемами раковых заболеваний и гендерных особенностей.
Что же, на самом деле, нового в эпигенетике?
Однако вместе с восторгами увеличивается и критика по поводу интерпретации результатов проведенных научных исследований и сообщений о них. Прежде всего следует сказать о том, что эпигенетика не является новой областью исследований. Все, что находится «за пределами гена» или «вокруг него» (именно так можно перевести слово эпи-генетика), ученые исследуют с момента обнаружения ДНК и называют это генным регулированием.
Уже давно стало ясно, что в специальных клетках тела можно активировать лишь определенные гены, и эти установки «по наследству» получают дочерние клетки. Только так в растущей печени образуются лишь клетки печени, а в нервных тканях не образуются, к примеру, мускульные клетки, хотя, в целом, клетки организма обладают идентичным наследственным материалом.
Уже давно известен тот факт, что питание и другие виды влияния окружающей среды оказывают воздействие на экспрессию генов — то есть на трансляцию генов, — определенных клеток тела. «Бутерброд, который вы только что съели, также меняет экспрессию генов», — отмечает, к примеру, британский генетик Адам Ратерфорд (Adam Rutherford) на страницах газеты Guardian.
Без долгосрочного воздействия окружающей среды на генную регуляцию невозможно было бы себе представить, каким образом однояйцевые близнецы способны стать различными личностями, или о том, как полученные в раннем детстве травмы могут привести, в частности, к предрасположенности к депрессии у взрослых людей.
В последнее время хорошо изученными стали некоторые молекулы, участвующие в процессе генной регуляции — гистоны, которые наматываются на нити ДНК, метиловые группы, а также некоторые молекулы РНК. Это привело к тому, что в одной области генной регуляции закрепился термин «эпигенетика».
Убедительные результаты в модельных организмах
Относительно новыми — и, действительно, захватывающими — являются наблюдения за тем, как эпигенетическое регулирование затрагивает наследственный материал в яичных клетках и в сперме, который может передаваться потомкам. На самом деле это сложно себе представить, так как половые клетки «очищаются».
Активные в эпигенетическом отношении молекулы удаляются из ДНК, и делается это для того, чтобы из этой клетки в эмбрионе могли вновь образоваться все различные по своей специализации типы клеток. И таким образом, полученные свойства будут передаваться будущим поколениям?
Однако исследователям уже давно известно, что факторы окружающей среды могут приводить к такому же результату у растений и низших животных. Так, например, продолжительность жизни увеличивается у нематодов, принадлежащих к виду Caenorhabditis elegans, и происходит это в результате вторжения в их генную регуляцию. Полученный результат проявляется у их потомства даже в третьем поколении, а затем исчезает. Упомянутые эксперименты с грызунами показывают, что и у них эпигенетическое наследование может проявляться у нескольких поколений.
Так, например, убедительные доказательства представила Изабель Мансуй (Asabelle Mansuy), профессор нейроэпигенетики Цюрихского университета. Члены ее команды с помощью стресса вызвали «депрессивное» поведение у молодых мышей мужского пола, признаки которого затем были отмечены у представителей их потомства, не испытывавших стресса. Затем исследователи извлекли из сперматозоидов подвергнувшихся стрессовому воздействию мышей мужского пола определенные молекулы РНК (микро-РНК), участвующие в процессе регуляции, и ввели их с помощью шприца в уже оплодотворенные яйцеклетки других особей женского рода. Появившиеся в результате мышата вели себя так, как будто они подверглись стрессовому воздействию, и то же самое происходило с их потомством.
«Было бы неправильным предполагать, что в процессе развития геном в целом очищается, — отметила Мансуй. — У многих генов эпигенетический профиль стирается, но не у всех». По ее мнению, идея перепрограммирования была ошибочным образом обобщена. «Это большая концептуальная проблема, и она затормозила прогресс в области биологии, поскольку многие люди ошибочно считали, что гены определяют все, игнорируя при этом воздействие окружающей среды».
Несмотря на подобные убедительные исследования, остаются открытыми многочисленные вопросы относительно механизмов эпигенетического наследования через поколения. А в некоторых случаях при наблюдении за воздействием различных факторов — в том числе депрессии или избыточного веса — трудно себе представить, что они могут обладать эволюционными преимуществами. Тем не менее, не все виды эпигенетического воздействия являются долговременными, считает Мансуй. «Некоторые режимы питания на ранних этапах жизни способны улучшить здоровье и увеличить продолжительность жизни. И травматический стресс может иметь позитивный вариант поведенческого приспособления в сложной ситуации».
Сомнения относительно значения для человека
Однако целый ряд ученых сомневаются в том, что в человеке, на самом деле, происходит эпигенетическое наследование через поколения — несмотря на проведенные исследования. Тем более сомнительным кажется то, что результаты проведенных на грызунах исследований постоянно представляются в средствах массовой информации таким образом, как будто они могут иметь отношение к человеку.
Так, например, исследование, проведенное с людьми, пережившими Холокост и их детьми, вызвало значительную критику. Юэн Берни (Ewan Birney) из Европейского института биоинформатики (European Bioinformatics Institute), расположенном в английском Кембридже, в своей статье в газете Guardian указал на «такое количество ошибок» в этой работе, «которое ставит под сомнение научный характер данной публикации». Так, по его мнению, количество испытуемых оказалось «абсурдно малым» — всего их было 32 человека, — контрольная группа была еще меньше и состояла из восьми человек, и, кроме того, количество исследованных генов было недостаточным.
Эволюционный биолог Джерри Койн (Jerry Coyne) из Чикагского университета и генетик Джон Грили (John Greally) из Центра эпигеномики при Медицинском колледже имени Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке основательно и подробно объяснили, почему они вообще не считают это исследование значимым.
«Я думаю, что мы должны быть открытыми для идеи относительно существования действующей через поколения наследственности, которая передается иным путем, а не через секвенирование ДНК, — отметил Грили в беседе с корреспондентом Süddeutsche Zeitung, — но пока нет доказательств существования подобного феномена у человека».
Свен Хеникофф (Steven Henikoff), изучающий генную регуляцию в расположенном в Сиэтле Центре исследований раковых заболеваний Фреда Хатчинсона (Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle), также настроен скептически: «Я не отношусь серьезно к этим исследованиям, потому что ни в одном из них не было проведено серьезное тестирование». Кроме того, по его мнению, полученные данные все легче объяснить обычным образом. Так, например, авторы исследования относительно внуков женщин, переживших «голодную зиму», ясно указывают на то, что обнаруженное ими воздействие может быть следствием влияния окружающей среды. По мнению Хеникоффа, за этим могут скрываться плохие привычки в области питания родителей, которые затем оказали воздействие на детей.
Важных медицинских достижений эти ученые пока не ожидают от исследований в области эпигенетики. По мнению Грилли, большинство работ, в которых предпринимаются попытки найти в эпигеноме причину болезней, страдают «от некоторых проблем в области разработки и проведения, которые в значительной мере затрудняют интерпретацию», — подчеркнул он вместе с Эваном Берни и Джорджем Смитом (George Davey Smith) из Бристольского университета на страницах специализированного журнала PLOS Genetics. По их мнению, сложно, например, однозначно сказать, является ли состояние проведенного эпигенетического регулирования, на самом деле, возможной причиной или следствием какой-то болезни.
Что касается Хеникоффа, то он «не может представить себе, каким образом без проведения экспериментов на человеке — а они, в конечном счете, запрещены — можно установить, что является природой, а что окружающей средой». По его мнению, уже достаточно сложно убедительно показать, является ли определенное питание преимуществом или недостатком, несмотря на эпидемиологические исследования. И значительно сложнее будет показать, что поведение также оказывает воздействие на будущие поколения. «Представьте себе хаотизированную клиническую попытку доказать, что масло является полезным или вредным для ваших внуков или правнуков».
В отличие от этого, Изабель Мансуй подчеркивает возможности эпигенетики для понимания заболеваний и их лечения. «Эта область открывает новые возможности. В области раковых болезней она уже это сделала». Благодаря полученным эпигенетическим достижениям, теперь имеются такие препараты как 5-азацитидин и децитабин, которые, прежде всего, используются пациентами с миелодиспластическим синдромом, то есть страдающими от предварительной фазы лейкемии. Эти препараты снимают блокаду определенных генов, и в результате продолжительность жизни увеличивается на несколько месяцев.
Революция или нет?
Имеем ли мы, таким образом, дело с революцией и со сменой парадигмы в генетике, и не возродилась ли идея Ламарка? «Я полагаю, что это революционная область, — говорит Мансай. — Воздействие эпигенетического наследования является исключительно важным феноменом».
По ее мнению, эпигенетическое наследование важно также для эволюционной теории, поскольку оно позволяет быстро приспособиться к окружающей среде. В долгосрочной перспективе, возможно, нужны будут изменения генома. «Однако некоторые эпигенетические изменения могут быть стабильными и постоянными. И есть теория, в соответствии с которой генетические изменения вновь вызывают генетические изменения — и таким образом вносят вклад в классическую эволюцию», — подчеркнула она.
Что касается молекулярного биолога Хеникоффа из Сиэтла, то он рассчитывает на новые результаты в биологии. «В отношении растений и простых животных эти результаты могут оказаться революционными», — подчеркнул он. Однако для биологии в целом «там никакой революции нет». И теория Ламарка не возродится. «В целом, можно, вероятно, провести, лишь селекцию мутаций в наследственном материале, но не эпимутаций, имеющих отношение только к регуляции. А это и есть дарвинизм».
