Эпигенетика и наследование

Раньше мы думали, что эпигеном нового эмбриона был полностью стерт и воссоздан с нуля. Но это не совсем так. Некоторые эпигенетические метки остаются на месте, поскольку генетическая информация передается от поколения к поколению, процесс, называемый эпигенетическим наследованием.
Эпигенетическое наследование является нетрадиционным открытием. Это противоречит идее о том, что наследование происходит только через код ДНК, который передается от родителей к потомству. Это означает, что родительский опыт в виде эпигенетических меток может передаваться будущим поколениям.
Каким бы нетрадиционным это ни было, мало кто сомневается, что эпигенетическая наследственность реальна. На самом деле, это объясняет некоторые странные закономерности наследования, над которыми генетики ломали голову на протяжении десятилетий.

Большинство сложных организмов развиваются из специализированных репродуктивных клеток (яйцеклеток и сперматозоидов у животных). Две репродуктивные клетки встречаются, затем растут и делятся, образуя все типы клеток взрослого организма. Чтобы этот процесс произошел, эпигеном должен быть стерт посредством процесса, называемого «перепрограммированием».
Перепрограммирование важно, потому что яйцеклетки и сперматозоиды развиваются из специализированных клеток со стабильными профилями экспрессии генов. Другими словами, их генетическая информация помечена эпигенетическими метками. Прежде чем новый организм сможет превратиться в здоровый эмбрион, эпигенетические метки должны быть стерты.
В определенные периоды развития (время зависит от вида) специализированный клеточный механизм просматривает геном и стирает его эпигенетические метки, чтобы вернуть клетки к генетическому «чистому листу». Тем не менее, для небольшого меньшинства генов эпигенетические метки проходят через этот процесс и передаются в неизменном виде от родителей к потомству.

Перепрограммирование перезагружает эпигеном раннего эмбриона, чтобы он мог формировать все типы клеток в организме. Чтобы перейти к следующему поколению, эпигенетические метки должны избегать стирания во время перепрограммирования.

У млекопитающих около 1% генов избегают эпигенетического перепрограммирования посредством процесса, называемого импринтингом.

В обход репродуктивных клеток
Эпигенетические метки могут передаваться от родителя к потомству таким образом, что полностью минуют яйцеклетку или сперматозоид, что позволяет избежать эпигенетической чистки, которая происходит на раннем этапе развития.
Многих из нас учили, что наши черты жестко запрограммированы в ДНК, которая передается от родителей к потомству. Появляющаяся информация об эпигенетике может привести нас к новому пониманию того, что такое наследование.

Воспитывающее поведение крыс У детенышей крысы, которые получают высокую или низкую заботу от своих матерей, развиваются эпигенетические различия, которые влияют на их реакцию на стресс в более позднем возрасте. Когда щенки женского пола сами становятся матерями, те из них, которые получили высококачественный уход, становятся высоко заботливыми матерями. А те, кто получил некачественный уход, становятся малозаботливыми матерями. Заботливое поведение само по себе передает эпигенетическую информацию в ДНК щенков, не проходя через яйцеклетку или сперму.

Гестационный диабет У млекопитающих во время беременности может развиться гормональный диабет, известный как гестационный диабет. Когда у матери гестационный диабет, развивающийся плод подвергается воздействию высоких уровней сахара-глюкозы. Высокий уровень глюкозы вызывает эпигенетические изменения в ДНК дочери, увеличивая вероятность того, что у нее самой разовьется гестационный диабет.

Примеры эпигенетического наследования
Нет сомнений в том, что эпигенетическая наследственность имеет место у растений и грибов. Есть также хороший случай эпигенетического наследования у беспозвоночных. Хотя многие исследователи скептически относятся к возможности эпигенетического наследования у млекопитающих, есть некоторые свидетельства того, что это возможно.

льнянка

(Линария обыкновенная)

Обыкновенная льнянка и пелорическая льнянка во всем идентичны, за исключением формы цветков. Это два варианта одного и того же растения с разницей в одном гене. Но это не разница в коде ДНК. Это эпигенетическая разница. И пелорическая жаба может передать эту «эпимутацию» своему потомству.

Дикая редька

(Рафанус Рафаниструм)

Когда растения редьки атакуют гусеницы, они производят неприятные химические вещества и отращивают защитные колючки. Потомство редиски, поврежденной гусеницами, также вырабатывает эту защиту, даже если они живут в среде, свободной от гусениц. Доказательства эпигенетического наследования в данном случае косвенные, хотя весьма вероятно, что информация передается от родителя к потомству через репродуктивные клетки.

Водяная блоха

(Дафния)

Самки водяных блох реагируют на химические сигналы своих хищников, отращивая защитные шлемы. Потомство шлемоносных дафний тоже рождается со шлемами — даже при отсутствии сигналов хищника. Этот эффект сохраняется и в следующем поколении, хотя шлемы у внуков намного меньше.

Лабораторные крысы
Винклозолин — это фунгицид, обычно используемый на виноградных растениях. Скармливание винклозолина беременным крысам вызывает пожизненные эпигенетические изменения у крысят. Во взрослом возрасте потомство мужского пола имеет низкое количество сперматозоидов, плохую фертильность и ряд болезненных состояний, включая заболевания простаты и почек. Правнуки подвергшихся воздействию щенков мужского пола также имеют низкое количество сперматозоидов.
Две линии доказательств в этом случае поддерживают эпигенетическое наследование. Во-первых, низкое количество сперматозоидов сохранялось в третьем поколении. Во-вторых, сперматозоиды имели аномально высокий уровень метильных меток (типа эпигенетической метки, которая обычно подавляет гены). На сегодняшний день это лучший случай эпигенетического наследования у млекопитающих (февраль 2009 г.).

Обоснование эпигенетической наследственности у людей остается особенно сложной задачей.
— У людей большая продолжительность жизни, поэтому отслеживание нескольких поколений занимает много времени. — Люди обладают большим генетическим разнообразием, чем лабораторные штаммы животных, что затрудняет исключение генетических различий — Этические соображения ограничивают количество возможных экспериментальных манипуляций.
Но у нас есть несколько намеков, которые предполагают, что это может произойти.

Генетики проанализировали записи урожая за 200 лет из небольшого шведского городка. Они увидели связь между наличием пищи (большие или малые урожаи) в одном поколении и заболеваемостью диабетом и сердечными заболеваниями в последующих поколениях.
Количество еды, которое дедушка должен был съесть в возрасте от 9 до 12 лет, было особенно важно. Это когда мальчики проходят через период медленного роста (SGP) и формируют клетки, которые дадут начало сперматозоидам. По мере формирования этих клеток эпигеном копируется вместе с ДНК. Поскольку строительные блоки для эпигенома поступают из пищи, которую ест мальчик, его диета может повлиять на то, насколько точно копируется эпигеном. Эпигеном может представлять собой снимок окружающей среды мальчика, который может передаваться через сперму будущим поколениям.

Доказать эпигенетическое наследование не всегда просто. Чтобы представить убедительные доводы в пользу эпигенетического наследования, исследователи должны:

Исключите возможность генетических изменений В организмах с большим геномом одна мутация может спрятаться, как иголка в стоге сена.
Показать, что эпигенетический эффект может передаваться через достаточное количество поколений, чтобы исключить возможность прямого воздействия. У беременной матери три поколения одновременно подвергаются непосредственному воздействию одних и тех же условий окружающей среды. Эпигенетический эффект, который сохраняется в 4-м поколении, может передаваться по наследству, а не в результате прямого воздействия.

Исследователи сталкиваются с дополнительной проблемой, заключающейся в том, что эпигенетические изменения по своей природе преходящи. То есть эпигеном меняется быстрее, чем относительно фиксированный код ДНК. Эпигенетическое изменение, вызванное условиями окружающей среды, может быть обращено вспять, когда условия окружающей среды снова изменятся.

Одновременно три поколения подвергаются воздействию одних и тех же условий окружающей среды (диета, токсины, гормоны и т. д.). Чтобы предоставить убедительные доказательства эпигенетического наследования, эпигенетические изменения должны наблюдаться в 4-м поколении.

Эпигенетическая наследственность добавляет еще одно измерение к современной картине эволюции. Геном меняется медленно, в результате процессов случайных мутаций и естественного отбора. Требуется много поколений, чтобы генетический признак стал обычным явлением в популяции. Эпигеном, с другой стороны, может быстро меняться в ответ на сигналы из окружающей среды. А эпигенетические изменения могут происходить одновременно у многих людей. Благодаря эпигенетическому наследованию часть опыта родителей может передаваться будущим поколениям. В то же время эпигеном остается гибким, поскольку условия окружающей среды продолжают меняться. Эпигенетическая наследственность может позволить организму постоянно корректировать экспрессию своего гена в соответствии с окружающей средой без изменения кода ДНК.