Фантастическая новая «генетика», обеспечиваемая половыми гормонами
Приближаясь к концу книги, я хотела бы дать читателю надежду и рассказать о некоторых удивительных, новых фантастических концепциях, отражающих состояние современных представлений и отсутствие знаний.
У полных женщин – полные внучки, а дедушки-курильщики неблагоприятно влияют на здоровье своих внуков по мужской линии.
Мы имеем представление об эпигенетике, которая обусловлена не генетическими изменениями, не мутациями, а факторами среды, влияющими на активность или экспрессию наших генов. Токсины, высокие температуры или пища способны привести к формированию РНК, которая активирует химические модификации () и модифицирует генную экспрессию. Эти явления не относятся к генетике и поэтому называются эпигенетическими. Обычно они «подчищаются» в процессе спаривания. У следующего поколения все начинается сначала. Поэтом эти явления в лучшем случае сохраняются на протяжении жизни одного поколения и не передаются новому поколению.
Тем не менее кое-что все же происходит: неожиданно выяснилось, что какая-то информация передается от бабушек к внучкам и от дедушек к внукам. Питание дедушек и бабушек влияет на гены их внуков и внучек. Перенос этой информации, вероятнее всего, носит ограниченный характер и происходит в определенные периоды беременности. На протяжении трех поколений эпигенетические изменения генов передаются от беременных матерей эмбриону и эмбриональным зародышевым клеткам, о чем свидетельствуют результаты исследования людей, родившихся после голландской «голодной зимы».
В настоящее время известен двухгенерационный эффект (эффект двух поколений), наследование без мутированных генов, более устойчивая эпигенетика. Барбара Макклинток охарактеризовала окраску кукурузных зерен как эпигенетические изменения. И уже тогда, когда она описывала этот эпигенетический эффект, кукурузные зерна продемонстрировали еще одно явление, которое проявляется не только в течение жизни, но и может передаваться нескольким поколениям. Это явление наблюдал канадский специалист по генетике растений Ройял Александр Бринк уже в 1956 г. и назвал его «парамутация». Это не было ни настоящей мутацией, ни эпигенетическими изменениями, сохраняющимися на протяжении жизни одного поколения. В настоящее время мы называем это явление трансгенерационным эффектом, поскольку оно влияет на несколько поколений.
Приведу пример: у мутировавших мышей на хвосте есть белые полоски. При спаривании таких мышей у потомства тоже появляются полоски, что противоречит законам наследования. Можно не скрещивать мышей, а пойти еще дальше: взять РНК у мышей с белыми хвостами и внутривенно ввести ее мышам с черными хвостами. Их потомство может иметь белые хвосты – это совершенно неожиданный результат. И все это достигается лишь при помощи кусочка РНК! Такая РНК называется piРНК, а ген – kit-геном. Этот ген известен исследователям онкогенов, его протоонкоген является рецептором тирозинкиназы стволовой клетки, сигнальной молекулы. Было показано, что сигнальная молекула, проходя через сперму, передается новому поколению. Кроме того, ее можно выделить из спермы. В 2006 г. это продемонстрировала Мину Рассулзадеган из Ниццы, мой друг и коллега, которая пыталась и до сих пор пытается убедить скептиков в том, что полученные ею удивительные результаты корректны. По ее оценкам, примерно 200 из 10 000 мышиных генов могли бы вести себя подобным образом. Влияет ли это главным образом на репродуктивную функцию? Мне интересно!
Белые полосы – характерная черта зебр, а также рыбок-зебр (данио). Их исследованием занималась лауреат Нобелевской премии Кристиана Нюсляйн-Фольхард с целью изучить особенности развития. Эти полосы обусловлены не вирусом или средовыми факторами, а в основном двумя-тремя видами клеток, а в основе этого явления лежат генетические факторы. Мутантную рыбку данио можно использовать для демонстрации вертикальных полос, повернутых на 90°! Даже крапчатость может быть результатом мутаций.
Дарвин предположил, что окрас влияет на сексуальную привлекательность и репродуктивность. Кроме того, цвет выполняет важную социальную функцию: например, жители африканских племен раскрашивают кожу, чтобы показать свою принадлежность к определенному сообществу. Нам, людям, приходится краситься, носить унифицированную одежду, соблюдать дресс-код и делать тому подобные вещи, поскольку у нас нет паттернов (структур), за исключением разве что меланоцитов, отвечающих за темную или светлую кожу, и, вероятно, еще одного типа клеток, определяющих рыжий цвет волос. Все полоски, обусловленные как генетическими, так и эпигенетическими факторами, предусматривают периодическое образование паттернов, имеющих активатор и ингибитор. Знаменитый английский математик Алан Тьюринг, известный своим вкладом во взлом кода Enigma, который во время Второй мировой войны использовали на немецких подводных лодках, а также Джон Мюррей из Принстонского университета в своей статье «Откуда у леопарда пятна» рассматривают вопрос о том, как образуются паттерны. Это меня очень заинтересовало, поскольку существует вирус пестролепестности тюльпанов, вирус кольцевой пятнистости дынного дерева и вирус кольцевой пятнистости картофеля, которые отвечают за полоски, точки, кольцевую пятнистость и крапчатость, при этом в формировании паттернов участвуют даже мелкие вироиды, такие как вироид веретеновидности клубней картофеля. Возможно, мутации, парамутации и вирусные инфекции имеют нечто общее. Мы до сих пор недостаточно хорошо представляем себе молекулярные механизмы, включая сайленсинг.
Трансгенерационный эффект проявляется и у растений. Если при выращивании помидоров и картофеля на их листья положить гусениц, то растения начинают бороться с ними, вырабатывая токсины, и в следующем поколении оба этих растения продолжают вырабатывать токсины в отсутствие опасных гусениц. Даже арабидорсис – растение, имеющее очень небольшой геном, в течение многих поколений помнит, как справляться с избыточным количеством соли в почве или жарой. Это пример быстрой реакции и памяти, сохраняющейся несколько поколений. Может ли быстрая переходная коррекция предшествовать долговременной памяти? Можно ли говорить о памяти, сохраняющейся более трех поколений?
И в конце я хотела бы поговорить о «чудесах», о том, что мы до сих пор не понимаем, но чем все равно интересуемся. Червей привлекает капля феромона, которая служит сигналом к спариванию; происходит это в лабораторных условиях в чашке для культивирования. А вот теперь начинается «чудо»: через несколько поколений потомство червей собирается на том же месте, даже когда запах феромона уже исчез. Им не нужны никакие сигналы. Установлено, что такая память сохраняется у червей в течение 50 поколений. Это кажется невероятным. Второй эксперимент подтвердил этот результат. Черви любят жить во фруктовых садах, например, в таких как в Орсе под Парижем, где их и изучали. Обычно в садах черви с удовольствием питаются упавшими на землю гнилыми яблоками, в которых содержится некоторое количество алкоголя. «Алкозависимые» черви запоминают места в чашке Петри, куда был налит спирт, и следующие 30 поколений этих животных приползают в эти места, когда алкоголя там уже не осталось.
В данном случае «подозреваемым» является небольшая РНК, которая, вероятно, вызывает изменения хроматина и хранит эту информацию. В связи с таким поведением возникает вопрос: найдут ли внуки бордели, которые за много лет до этого часто посещали их деды? Нет. Человек – очень сложноорганизованное существо. Могут ли черви быть совершенным исключением или их можно использовать как модель для других организмов, для изучения алкогольной зависимости?
Хорошо известно, что у пчел существует четко отлаженная социальная структура, и в настоящее время ее изучают на предмет передаваемой РНК. Только пчеломатка получает маточное молочко. Имеются данные, что маточное молочко содержит ингредиент, определяющий социальное поведение следующих поколений. В настоящее время составляющие маточного молочка препарируются и анализируются в поиске piРНК. В немецких супермаркетах маточное молочко можно купить за €5. Это что, для совершенствования нашего социального поведения? Было бы слишком просто. Но на примере червей и растений достоверно доказано, что существует пища, приводящая к трансгенерационному эффекту или парамутации, но у человека такие изменения носят не столь долгосрочный характер.
Содержащаяся в сперме РНК уже получила название – PIWI-взаимодействующая РНК, или piРНК. Это означает, что РНК может взаимодействовать с белком PIWI, «ножницами», РНКаза Н-подобной молекулой. Что разрезают эти «ножницы»? Транспозоны, «прыгающие» гены, и РНК транспозонов подвергается сайленсингу, разрезается. piРНК немного длиннее siРНК, характерна для зародышевых клеток, отвечает за «приручение» «прыгающих» генов и является «охранником» наших геномов в зародышевых клетках. Это необходимо для обеспечения фертильности. Возможно, это служит профилактикой «катастрофы ошибок», слишком большого количества ошибок. Влияет ли это на обучаемость и память (на клетки головного мозга, нейроны), а также на наследование способности к обучению, соответствующего социального поведения и долголетия? И наконец, связано ли это с сексуальной активностью, спариванием и производством потомства? Полагаю, что да. Возможно, в подобном исследовании захотят поучаствовать молодые ученые. Если да, то нужно обращаться в Кембриджский университет (Великобритания) к Эрику Миска.
piРНК могут находиться где угодно. Возможно, специализация piРНК – спаривание и выживание разных видов организмов.
Это нам звоночек, напоминание о наследовании приобретенных свойств – такую гипотезу выдвинул французский ботаник и зоолог Жан Батист Ламарк (1744–1829). Он опубликовал книгу «Философия зоологии» (1809), в которой высказывает точку зрения, противоречащую позиции Дарвина и тому, что тот пишет в книге «Происхождение видов» (1859), основываясь на адаптации путем селекции. Эти вопросы в настоящее время активно обсуждаются. Возможно, разногласия между этими двумя учеными не столь серьезны, как кажется. Может ли быть так, что приобретенные свойства, то есть парамутации, через несколько поколений генетически фиксируются, становясь настоящей мутацией? РНК может превратиться в ДНК, и с некоторых пор мы это знаем. Этому может способствовать чудесная и вездесущая обратная транскриптаза.
Вероятно, то же самое происходит с piРНК, но возможно, это лишь мой досужий вымысел. Таким образом, круг замыкается, связывая первичные пре- и про-РНК, РНК вироидного типа, рибозимы и кольцевую РНК, а теперь еще и piРНК, находящуюся в сперме, все шпилько-петлеобразные структуры настолько прочно, что, как оказалось, они были способны противодействовать всем опасностям в течение примерно 3,8 млрд лет – с самого начала появления жизни на Земле и по настоящее время. Так мы закольцевали вопросы, рассматриваемые в этой книге.
Тем не менее остается немало открытых вопросов. А как работает система глобального позиционирования (GPS) в части, касающейся хранения информации у различных животных? Черепахи 20 лет подряд в одиночку переплывают океан, преодолевая 12 000 км, чтобы отложить яйца на определенном пляже. Последует ли их потомство тем же маршрутом, чтобы в том же месте отложить яйца, если их этому не научили матери, погибшие до того, как маленькие черепашки вылупились? В Берлинском зоопарке смотрителям за животными пришлось на собственном опыте понять, что в вольере для черепах нельзя перемещать ни одного камня, в противном случае черепахи перестают размножаться. Каждую весну аисты находят свои гнезда в небольшой деревушке Линум недалеко от Берлина. Прилетают они туда из Африки – сначала самцы, чуть позже самки, и находят друг друга. Бабочки-монархи погибли, когда деревья, на которых они обычно спаривались, вырубили. Хорошо известно, что форель или лосось помнят место откладывания икры и оплодотворения ее семенной жидкостью. С начала возникновения жизни на Земле 3,8 млрд лет назад на все это – и главным образом на процесс репродукции и формирования потомства – могли влиять следующие факторы: состояние магнитного поля, запахи, свет и поляризация света, цвет, пища, хемотаксис, враги, равно как и все средовые факторы. Способна ли piРНК содействовать формированию первого этапа – оплодотворению икры семенной жидкостью в дополнение к генам в форме ДНК? РНК существует с самого начала жизни на Земле, а piРНК – ее вариант, и в РНК-мире информация наследуется как РНК, а затем как ДНК, но РНК все равно сохраняется.
