Для ученых, подобных Митчеллу, изъян эпигенетического наследования выражается не просто в том, что для него не существует полного биологического объяснения. Такое наследование требует пересмотреть целые области науки, в которых исследователи уже довольно хорошо разобрались.
__________
В 2014 г. Роберт Мартиенсен стал одним из установщиков отрезвляющего холодного душа для новых ламаркистов. Совместно с биологом Эдит Хёрд из парижского Института Кюри он проанализировал все проведенные к тому времени исследования на эту тему и опубликовал в журнале Cell обзор «Эпигенетическое трансгенерационное наследование: мифы и механизмы»
[965].
Хёрд и Мартиенсен спрашивают: «Могут ли пища, которую мы едим, воздух, которым дышим, и даже эмоции, которые испытываем, влиять не только на наши гены, но и гены наших потомков?» Несмотря на все внимание, уделенное учеными и обществом этому вопросу, исследователи не видят никаких причин отвечать на него положительно. Авторы обзора заключают: «Пока слишком мало доказательств».
В 2017 г., когда я приезжал к Мартиенсену в Колд-Спринг-Харбор, он все еще не видел никаких причин пересмотреть свой вывод. До сих пор исследования на животных и, в частности, на людях выявили слишком мало информации, чтобы стоило беспокоиться на этот счет. Он не видит убедительных механизмов, с помощью которых эпигенетические признаки могут передаваться через многие поколения животных.
Кроме того, Мартиенсена, похоже, немного забавляет, что он приобрел репутацию маловера. Он считает неубедительными доказательства для животных, но при этом сам бóльшую часть времени занимается растениями. А здесь доказательства эпигенетического наследования бесспорны. «В природе такое постоянно происходит», – сказал он мне.
Ботаники обнаружили первые признаки особого пути передачи наследственной информации еще в середине XX в. У зерен кукурузы появлялась новая окраска, но проявление этого признака у потомков не соответствовало закону Менделя, и иногда через несколько поколений вновь возникала прежняя. Внимательно изучив ДНК кукурузы, исследователи выяснили, что смена цвета не была связана с мутацией в каких-то генах. Менялась схема метилирования. Каждый раз, когда клетка растения делилась, она достраивала метильные группы в тех же местах на ДНК, где они располагались в материнской клетке. Однако время от времени клетка меняла эту схему: добавляла новые метильные группы туда, где их раньше не было, или убирала и не восстанавливала их. Эти изменения могли выключать или включать гены у растения, что приводило к разным последствиям и в том числе придавало новый цвет зернам кукурузы.
Такое странное наследование было выявлено также у других видов сельскохозяйственных и диких растений, в частности льнянки. Энрико Коэн с коллегами открыл, что трубковидный цветок пелории возникает из-за определенного, передающегося по наследству метилирования гена l-cyc. Другие ученые обнаружили у разных видов растений в дикой природе передачу по наследству эпигенетических изменений, влияющих на размер, форму и устойчивость к суровым условиям. В своих экспериментах исследователи убирали метильные группы с определенных генов и затем размножали эти растения. И те действительно могли передавать новую эпигенетическую схему на протяжении 20 и более поколений.
По-видимому, растениям проще, чем животным, осуществить передачу эпигенетической информации между поколениями. У них, в отличие от животных, нет обособления клеток зародышевой линии в начале развития и нет сброса старого метилирования. Желудь красного дуба прорастает, его клетки развиваются в побеги и корни, и с годами их число увеличивается так, что получается дерево. Примерно через 25 лет оно оказывается готово к размножению и меняет программу некоторых клеток кончиков ветвей, превращая их в ботанический аналог стволовых клеток.
Эти клетки начинают быстро делиться, формируя цветки либо с пыльцой (растительный аналог сперматозоидов), либо с семязачатками (растительные аналоги яйцеклеток). Семязачатки оплодотворяются пыльцой от другого дерева и развиваются в желуди. На следующий год тот же дуб снова образует на кончиках веток стволовые клетки, из которых появляются цветки и половые клетки. Так будет продолжаться столетиями. Иначе говоря, прежде чем из соматической клетки образуется половая, проходит много делений и много времени, в течение которого эпигенетическая схема красного дуба может измениться. Поскольку растения не сбрасывают эпигенетические метки в половых клетках, молодой красный дуб может унаследовать эпигенетические изменения своих родителей.
Есть еще одна важная разница в эпигенетике растений и животных. Хотя растения прикрепляют к своим генам те же самые метильные группы, молекулы, посредством которых они это делают, различаются. Мартиенсен и другие исследователи открыли, что растения используют для этого молекулы малой РНК, каждая из которых подходит к определенному участку ДНК. Как только РНК достигает своей цели, она собирает вокруг себя белки, которые и прикрепляют метильные группы. Когда клетка делится, дочерние клетки получают эти молекулы РНК, которые продолжают контролировать работу генов.
Нечто похожее могло произойти и у пелории. Теперь, когда Мартиенсену удалось обнаружить последний в мире источник этих растений, он сможет проверить, правильна ли его догадка. Он планирует извлечь молекулы РНК из этих удивительных цветков. «Я надеюсь, – говорит он, – что у нас получится, наконец, разобраться с этим монстром и закрыть тему».
__________
У животных в силу их биологических особенностей меньше возможностей для эпигенетического наследования, чем у растений. Тем не менее и для них эта возможность не закрыта полностью. Некоторые ученые продолжают в нее верить.
Мы понимаем эпигенетику в той мере, в которой можем за ней наблюдать. Когда ученые только начали отслеживать метилирование, покрывавшее ДНК, им с трудом удавалось вообще обнаруживать эти метки. В 1990-х гг. Энрико Коэн мог вырезать отдельный ген и проверять его на наличие метильных групп. Затем исследователи разработали инструменты для оценки метилирования на всей ДНК в клетке. Однако для этого им требовалось извлечь ДНК из примерно миллиона клеток. Если они были разных типов, с разными схемами метилирования, то ученые имели возможность получить лишь очень размытые эпигенетические представления. К 2010-м гг. исследователи научились помещать клетки на своеобразную микроскопическую конвейерную ленту, где можно было проверять всё метилирование в каждой клетке по очереди.
При более подробном изучении эпигенетики многие прежние предположения оказались неверны. Вот пример. В 2015 г. биолог Азим Сурани из английского Института Уэлкома провел одно из первых эпигенетических исследований на эмбриональных клетках человека
[966]. В частности, он с коллегами изучал клетки, находящиеся на пути к превращению в сперматозоид или яйцеклетку. Ученые наблюдали, как первичные половые клетки избавляются от большей части своих метильных меток перед тем, как прикрепить новые группы. Однако несколько метильных групп упрямо оставались на своих местах ДНК.
