Какова роль эпигенетики в эволюции?
Понятие «эпигенетика» относится к ряду молекулярных механизмов, которые влияют на активность генов. Эпигенетические «переключатели» повышают или понижают активность гена. Они обладают длительным эффектом, который может сохраняться при делении клеток, а иногда и при половом размножении. Генетик Эдриан Берд изучает доказательства того, что эпигенетические признаки могут передаваться из поколения в поколение.
Первые представления о некоторых механизмах эпигенетических явлений мы начали получать в 1970-х и 1980-х годах. Сначала было открыто метилирование ДНК, включающее в себя небольшой химический блок под названием «метильная группа», который добавляется к ДНК. К другим механизмам эпигенетики относятся химические изменения белков, которые упаковывают ДНК. Одним из самых интересных аспектов эпигенетики является направленность влияния окружающей среды на наше тело и поведение, а не на наши гены, – и то, что эти признаки могут передаваться потомству.
Какие есть доказательства эпигенетического наследования? У растений их много. Например, определенная форма цветка у некоторых льнянок исправно передается из поколения в поколение, но она, по-видимому, не создает никаких изменений в последовательности ДНК. Оказывается, что такая «пелорическая» форма цветка, известная уже более 200 лет, вызывается подавлением гена через метилирование ДНК. И все же нет никаких доказательств того, что это происходит адаптивно. Другими словами, одно поколение растений не может обучаться чему-то, эпигенетически связанному с «памятью», а затем передавать эти «знания» дальше.
Доказательства трансгенерационного наследования у животных довольно малочисленны. Лучшим примером можно назвать влияние рациона питания на мышь с необычным окрасом агути. Как правило, благодаря гену агути потомство этих мышей имеет разнообразный окрас: от желтого до темно-коричневого. Но если беременная самка питается пищей с высоким содержанием определенных витаминов и аминокислот, богатых метильными группами, то она рожает больше коричневых детенышей.
Еще одна иллюстрация – детеныши крыс, на которых матери не обращают внимания в гнезде, из-за чего крысята вырастают пугливыми и робкими особями. Существует доказательство того, что подобный эффект достигается через метилирование ДНК в гене, регулирующем реакцию на стресс. Метилирование выключает «регулятор громкости» гена, что приводит к постоянной тревожности. Согласно эволюционно-адаптивной теории, это готовит крыс к суровой окружающей среде, делая их более осторожными. И все же этот пример демонстрирует эффект внутри поколения, а не тот, который передается из поколения в поколение.
В одном спорном исследовании мышей в 2013 году было выдвинуто предположение, что эпигенетически может передаваться даже боязнь определенного запаха. По сравнению с обычными мышами, особи, чей отец или дедушка научились ассоциировать вишневый запах с электрическим током, начинали нервничать при появлении этого запаха и реагировали на его меньшую концентрацию. Но самым убедительным доказательством того, что образ жизни отца может влиять на следующее поколение, служит исследование 2016 года на лягушках. Оно показало, что эпигенетические метки сперматозоидов изменяют экспрессию генов у эмбрионов.
Ну а что насчет людей? Могут ли эпигенетические последствия голода, беспризорности или болезней передаваться по наследству от поколения к поколению?
Одно исследование показало, что люди, чьи бабушки или дедушки пережили голод в подростковом поколении, в среднем умирали раньше, если были того же пола, что и голодавший предок. Считается, что подобный опыт (голод) изменяет эпигеном, и этот эффект неизменно передается двум последующим поколениям, что ставит под угрозу здоровье внуков. Исследования такого рода являются статистическими и ретроспективными, поэтому трудно понять, что происходит на молекулярном уровне. Кроме того, невозможно исключить вероятность того, что такие эффекты передаются через культуру, а не эпигенетику. Сейчас активно проводится широкомасштабное картирование эпигеномов человека, отражающее его опыт и имеющиеся заболевания. Это может помочь нам в решении данной проблемы. Но даже тогда нельзя будет исключать возможность того, что за передачу признаков отвечает культура и модель поведения в семье, а не эпигенетика.
Эволюция через эпигенетику?
А вдруг окажется, что особи могут приобретать какие-то черты при взаимодействии с окружающей средой, а затем передавать их своим потомкам? Следует ли нам тогда переосмыслить геноцентричный взгляд на эволюцию и саму идею о том, что ген является основной единицей наследований? Все большее число биологов уверены, что пересмотр основ неизбежен (подробнее см. главу 11). Но не все ученые разделяют это мнение.
«В некоторых кругах возможность того, что признаки, приобретенные при жизни особи, могут эпигенетически запоминаться и передаваться следующему поколению, привела к возрождению веры в давно дискредитированную эволюционную теорию ламаркизма, – рассказывает генетик Эдриан Берд из Эдинбургского университета. – Общее мнение, подкрепленное огромным количеством фактов, все еще сводится к тому, что эволюция происходит посредством естественного отбора случайно возникающих генетических вариантов. Большая часть имеющихся данных ненадежна. Однако это не остановило распространение идеи о том, что среда "общается" с эпигеномом и способна обеспечить передачу благоприятных или, чаще, неблагоприятных признаков без мутаций. Но все-таки эпигенетические механизмы могут играть второстепенную роль в эволюции».
А что об этом думает Ричард Докинз, автор книги «Эгоистичный ген»?
«"Трансгенерационные" эффекты сейчас мало кого интересуют, но они не ставят под сомнение теорию эгоистичного гена», – говорит он. И все же Докинз предлагает заменить слово «ген» на понятие «репликатор». Этому эгоистичному репликатору, действующему как единица отбора, не обязательно быть геном, однако он должен четко реплицироваться, игнорируя случайные мутации. А уж получится ли сделать так, что в конечном итоге эпигенетические метки будут считаться «эгоистичными репликаторами», целиком и полностью зависит от того, действительно ли они являются репликаторами с высокой достоверностью воспроизведения, способными «работать» вечно. Это важно, потому как в противном случае сотрутся все интересные различия между теми, кто успешен в естественном отборе, и теми, кто нет. «Если в течение нескольких первых поколений все эффекты пропадают, то нельзя говорить о том, что они действительно отобраны», – подводит итог Докинз.
