Рассмотрим в рамках гипотезы об эволюции техноклетки, которую я изложил в статье «Преображение техноклетки» [1], что такое эпигенетическая информация и наследование для техноклетки.
Но сначала напомню, что такое эпигенетическое наследование. Это такое наследование приобретенных признаков, которые обусловлены не мутациями генов, а изменением их активности.
В указанной статье, я отметил, что на сегодняшний день «общеизвестно 3 механизма эпигенетической, т.е. внешней по отношению к клетке, регуляции жизнедеятельности клетки: геномный (метилирование ДНК), протеомный (модификация гистонов) и транскриптомный (регуляция посредством РНК, в первую очередь микроРНК).» Из этих механизмов наиболее изученных два — метилирование ДНК (присоединение метильной группы к цитозину) и разнообразные химические модификации гистонов - белков, обеспечивающих упаковку ДНК внутри клеточного ядра. В результате гистоны либо уплотняют упаковку ДНК (и тогда активность экспрессии генов снижается), либо, наоборот, делают упаковку менее плотной (что способствует повышению экспрессии генов). То есть от этой упаковки зависят процессы транскрипции и репликации ДНК. Третий механизм сформировался в отдельную научную ветвь — РНК-эпигенетика - изучение эпигенетических процессов, связанных с РНК, в том числе с метилированием информационной РНК.
Первая по-настоящему эпигенетическая в современном понимании гипотеза о роли метилирования в экспрессии генов была предложена в 1969 г. русским биологом Борисом Федоровичем Ванюшиным (член-корреспондент РАН c 22.05.2003).[2] В 1975 году эта гипотеза была подтверждена, когда были открыты ферменты-рестриктазы, которые позволили разрезать либо метилированные, либо неметилированные участки ДНК.
То, что ацетилирование гистонов связано с контролем экспрессии генов, было доказано только в 1996 г. [3]
И совсем недавно, только в 1998 г., при введении двухцепочечной РНК в организм круглого червя Caenorhabditis elegans был описан эффект сайленсинга генов, т.е. способность клетки подавлять экспрессию определенного гена. Это явление получило название РНК-интерференция, определяющую роль в котором играют различные классы РНК, выступающие в роли маяков для других белков, модифицирующих ДНК. [4]
За эту работу – «открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определенных генов» - Крейг Мелло (Craig C. Mello) и Эндрю Файер (Andrew Fire) были удостоены в 2006 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Кроме описанных выше механизмов эпигенетической регуляции жизнедеятельности клетки был предсказан второй информационный уровень в молекуле ДНК. Его наличие стали обсуждать еще в середине 90-х. Именно тогда была высказана гипотеза, что второй уровень - это механика молекулы ДНК, т.е. организация ее в пространстве, которая определяет, какие участки ДНК будут доступными для считывания, а значит, структура ДНК определяет какие будут производиться белки. Это означает, что в каждом виде клеток ДНК свернута так, чтобы производились только нужные данному типу клеток белки.
Однако впервые исследования, подтвердившие эту гипотезу, были опубликованы лишь в 2013 г. [5] В статье было заявлено о существовании скрытого вторичного кода, определяющего порядок считывания последовательности основных генетических инструкций, содержащихся в ДНК. Результаты исследования показали, что информация в генетическом коде записана на двух различных языках: первый описывает и регламентирует структуру и количество вырабатываемых клетками белков, второй определяет последовательность выполнения инструкций, управляющих считыванием генов. Конструкции второго языка долгое время были скрыты от внимания ученых, потому что были записаны поверх конструкций первого.
Несколько лет назад представления о втором информационном уровне были подтверждены на виртуальных фрагментах ДНК.[6] Ученые при помощи компьютерного симулятора исследовали способы «упаковки» молекулы при различном расположении механических «сигналов», которые существуют в нуклеосомах. Оказалось, что пространственные характеристики молекулы влияют и на то, как себя проявляют мутации. Также удалось доказать, что генетические мутации, которые, как ранее считалось, влияли только на структуру основного кода генетической последовательности, отражаются и на механической структуре ДНК, что приводит, в конечном итоге, к изменениям в последовательности считывания инструкций по производству белков, изменению типа и количества последних.
Этот второй информационный уровень ДНК был выявлен также в экспериментах на плодовых мушках, в котором было показано, что нарушения в упаковке хромосом в ядре, когда каждая хромосома специфическим образом выравнивается напротив другой, приводит к таким порокам развития, как слепота, замену усиков на конечности, к другим дефектам. То есть компактная форма ДНК определяет, какие гены должны быть активны в дальнейшем, а какие нет.[7]
После выхода более 10 лет назад замечательной обзорной статьи А.В. Маркова «Гены управляют поведением, а поведение — генами»[8] на вопросе о влиянии воспитания на геном и передаче эпигенетических изменений по наследству можно было бы поставить точку, если бы понимание последствий социального влияния человека и человеческое общество стало бы достоянием общественной мысли и практической деятельности.
Приведу некоторые важные экспериментальные данные, описанные в этой статье, которые показывают, как работает механизм передачи полученных с воспитанием навыков будущему поколению:
«Генотип определяет не поведение как таковое, а скорее общее принципы построения нейронных контуров, отвечающих за обработку поступающей информации и принятие решений, причем эти «вычислительные устройства» способны к обучению и постоянно перестраиваются в течение жизни. Отсутствие четкого и однозначного соответствия между генами и поведением вовсе не противоречит тому факту, что определенные мутации могут менять поведение вполне определенным образом.»
«…поведенческий признак, изначально появлявшийся каждый раз заново в результате прижизненного обучения, со временем может стать инстинктивным (врожденным) — изменившееся поведение будет «вписано» в генотип.»
«Взаимоотношения с сородичами могут приводить и к долговременным устойчивым изменениям экспрессии генов в мозге, причем эти изменения могут даже передаваться из поколения в поколение, то есть наследоваться почти совсем «по Ламарку». Данное явление основано на эпигенетических модификациях ДНК, например на метилировании промоторов, что приводит к долговременному изменению экспрессии генов. Было замечено, что если крыса-мать очень заботлива по отношению к своим детям, часто их вылизывает и всячески оберегает, то и ее дочери, скорее всего, будут такими же заботливыми матерями. Думали, что этот признак предопределен генетически и наследуется обычным образом, то есть «записан» в нуклеотидных последовательностях ДНК. Можно было еще предположить культурное наследование — передачу поведенческого признака от родителей к потомкам путем обучения. Однако обе эти версии оказались неверными. В данном случае работает эпигенетический механизм: частые контакты с матерью приводят к метилированию промоторов определенных генов в мозге крысят, в частности генов, кодирующих рецепторы, от которых зависит реакция нейронов на некоторые гормоны (половой гормон эстроген и гормоны стресса — глюкокортикоиды).»
«Гомозиготные рабочие с генотипом BB не терпят, когда в колонии более одной царицы, и поэтому колонии у них маленькие. Гетерозиготные муравьи Bb охотно ухаживают сразу за несколькими самками, и колонии у них получаются большие. У рабочих с разными генотипами сильно различаются уровни экспрессии многих генов в мозге. Оказалось, что если рабочие BB живут в муравейнике, где преобладают рабочие Bb, они идут на поводу у большинства и смиряют свои инстинкты, соглашаясь заботиться о нескольких царицах. При этом рисунок генной экспрессии в мозге у них становится почти таким же, как у рабочих Bb. Но если провести обратный эксперимент, то есть переселить рабочих Bb в муравейник, где преобладает генотип BB, то гости не меняют своих убеждений и не перенимают у хозяев нетерпимость к «лишним» царицам.»
«У млекопитающих окситоцин и вазопрессин вырабатываются нейронами гипоталамуса. У беспозвоночных, не имеющих гипоталамуса, соответствующие пептиды вырабатываются в аналогичных (или гомологичных) нейросекреторных отделах нервной системы. Когда крысам пересадили рыбий ген изотоцина (так называется гомолог окситоцина у рыб), пересаженный ген стал работать у крыс не где-нибудь, а в гипоталамусе. Это значит, что не только сами нейропептиды, но и системы регуляции их экспрессии (включая регуляторные области генов нейропептидов) очень консервативны, то есть сходны по своим функциям и свойствам у весьма далеких друг от друга животных.
У всех изученных животных эти пептиды регулируют общественное и половое поведение, однако конкретные механизмы их действия могут сильно различаться у разных видов.»
«Формирование личных привязанностей (к детям или к мужу), по-видимому, является лишь одним из аспектов (проявлений, реализаций) более общей функции окситоцина — регуляции отношений с сородичами. Например, мыши с отключенным геном окситоцина перестают узнавать сородичей, с которыми ранее встречались. Память и все органы чувств у них при этом работают нормально.»
«Очевидно, нейропептиды не создают тот или иной тип поведения из ничего, а только регулируют уже имеющиеся (генетически обусловленные) поведенческие стереотипы и предрасположенности.»
«Удивительные результаты дало сопоставление индивидуальной изменчивости людей по микросателлитам, расположенным недалеко от гена рецептора V1a, с психологическими и поведенческими различиями. Например, оказалось, что длина микросателлитов коррелирует со временем полового созревания, а также с чертами характера, связанными с общественной жизнью — в том числе с альтруизмом.»
«…. регулируя работу генов …… можно создать новую манеру поведения, которая в норме не свойственна данному виду животных.»
«Таким образом, у самых разных животных — от насекомых до млекопитающих — существуют весьма сложные и иногда во многом похожие друг на друга системы взаимодействий между генами, их экспрессией, эпигенетическими модификациями, работой нервной системы, поведением и общественными отношениями. Такая же картина наблюдается и у человека.»
В свой статье А.В. Марков приводит рисунок из работы [9].
Гены, мозг и социальное поведение связаны сложными отношениями. Эти отношения действуют на трех временных масштабах: (i) на уровне физиологии — влияя на активность мозга (сплошные линии), (ii) на уровне развития организма — через экспрессию генов в мозге и эпигенетические модификации (линия из точек), (iii) на эволюционном уровне — через естественный отбор (пунктирная линия). Направление влияния: розовые стрелки — от социальных отношений к изменению функций мозга и поведения, стрелки цвета морской волны — от генов к социальному поведению. Изображенные животные (сверху по часовой стрелке): зебровая амадина (T. guttata), цихлида (A. burtoni), медоносная пчела (A. mellifera), дрозофила (D. melanogaster), прерийная полёвка (M. ochrogaster), крыса (R. norvegicus), огненный муравей (S. invicta). Курсивом на фотографиях даны названия генов, связанных с тем или иным видом социального взаимодействия. Изображение из статьи Robinson et al.[9]
Точное определение эпигенетики принадлежит выдающемуся английскому биологу, нобелевскому лауреату Питеру Медавару: «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Сегодня уже очевидно, что главная цель эпигеномов — быстро «запомнить» реакции на окружающую среду, чтобы решения, когда-то принятые организмом, сохранялись как можно дольше. При этом, как пишет немецкий нейрофизиолог, доктор по нейробиологии Петер Шпорк: «Эпигенетические переключатели определяют, какие именно гены клетка в принципе может использовать, а какие — нет. Таким образом эпигеном создает грамматику, структурирующую текст жизни…Геном и белки функционируют как одна огромная библиотека: ДНК содержит тексты, а эпигенетические структуры выполняют функции библиотекарей, каталогов и указателей, распоряжающихся информацией и упорядочивающих ее».[10]
Эпигенетическое наследование техноклетки – это воспитание, когда в процессе индивидуального развития происходит не изменение алгоритмов выживания, связанных с рефлексами и инстинктами, а изменение их активности и иерархической важности.
Далее здесь
Свежие комментарии