Реабилитация Ламарка?

Эксперименты, о которых рассказывается в статье, дают возможность предположить, что эволюция — ради каких-то еще непонятных целей — позаботилась о дополнительных, кроме генетического, путях наследования. Так что, возможно, Ламарк был хоть отчасти прав?

Мыши в клетке выглядели очень странно. Их окраска варьировала от ярко-желтой до пятнистой. Между тем все они принадлежали к одной генетической линии, а значит, должны были, казалось, выглядеть совершенно одинаково. Их потомство тоже вело себя странным образом. Окраска новорожденных мышат почему-то куда больше зависела от окраски матери, чем отца: у пары «желтая мать — пятнистый отец» рождалось больше желтых детей, а у пары «пятнистая мать — желтый отец» — больше пятнистых. А ведь, по генетическим законам Менделя, окраска детей в каждой такой паре должна была распределяться по законам случая, то есть желтых и пятнистых мышат должно было быть поровну. Короче, мыши Эммы Уайтлоу, биохимика из Австралийского университета в Сиднее, явно вели себя «не по правилам». Что это означало? Крах всех представлений молекулярной генетики?

Проведя тщательные исследования, Уайтлоу и ее коллеги установили, что это не так. Первая часть наблюдений — различная окраска исходных мышей — могла быть объяснена в полном согласии с молекулярно-генетическими законами. В клетках мышиных волос имеется особый ген, именуемый «agouti», который «заведует» окраской волос. Как известно, гены выдают клетке инструкции на производство определенных белков. Ген «agouti» кодирует производство белков-пигментов, создающих желтую окраску мышиной шерсти. Но, оказывается, он может работать по-разному, то есть более или менее энергично, и это зависит от приказов соседнего с ним участка ДНК, именуемого «регулятором». В свою очередь, приказы «регулятора» меняются в зависимости от того, насколько он «метилирован», то есть сколько к нему присоединено метиловых групп. Изменение числа таких групп в регуляторе меняет активность работы гена окраски. В каждой индивидуальной волосяной клетке регулятор гена окраски метилирован по-разному. Там, где ген окраски работает менее активно, пигментный белок вырабатывается в меньших количествах. Такие волосики, естественно, окрашиваются слабее, а то и вообще остаются бесцветными. В результате мышиная шерсть становится пятнистой.

Отсюда понятно, что характер окраски каждой данной мыши определяется распределением метиловых групп в регуляторах всех ее волосяных клеток. Такое распределение, или, как говорят, «схема метилирования» складывается в ходе созревания и сохраняется у мыши всю ее жизнь. Оно отличает ее от других мышей, хотя все гены, включая ген окраски, у них одинаковы. Никакого противоречия с молекулярной генетикой здесь нет. Гены окраски у всех мышей действительно остаются одинаковыми, но у каждой мыши имеется своя схема регулирования их активности в той или иной клетке. Чтобы отличить эти отличия в регуляторах от отличий в самих генах, их называют «эпигенетическими различиями» или иногда «эпигенетическими мутациями». Греческая приставка «эпи», означающая «вовне», «рядом» и т.п., используется, чтобы напомнить, что речь идет всего лишь о различиях, имеющих место где-то рядом с генами, около них, но не в них самих.

Выяснив, что различие окраски подопытных мышей вызвано разницей в схемах регулирования гена окраски, Уайтлоу и ее коллеги, надо думать, вздохнули с облегчением — они оказались на знакомой почве. Исследование процессов регуляции генной активности — целое направление молекулярной биологии, созданное еще в 1960-е годы Жакобом и Моно и энергично развивающееся сегодня. В ходе этого развития уже установлено, что природа создала множество самых поразительных по тонкости и сложности способов такой регуляции. Метилирование — один из этих способов и притом весьма распространенный.

Оно отличается тем, что это единственный способ регуляции, который позволяет объяснить явление «клеточной памяти». Выше было сказано, что ген окраски в разных волосяных клетках мыши активирован по-разному, и это вызывает их разную пигментацию (окраску). Но ведь эти клетки не бессмертны — они рождаются, живут, а потом делятся. Тем не менее окраска мыши не меняется на протяжении ее жизни. Это значит, что каждая дочерняя клетка-волосок запоминает, а проще — наследует ту степень метилирования, какая была у клетки-матери.

Однако в эксперименте Уайтлоу было обнаружено принципиально иное. Различные «схемы метилирования», то есть эпигенетические различия между мышами, наследовались их потомками. Подобное явление еще никем не наблюдалось, и объяснить его было затруднительно. Объясним, в чем тут трудность. Мыши — это млекопитающие. А у млекопитающих половые клетки, из которых впоследствии образуются потомки, формируются еще в эмбриональном состоянии и после этого изолируются от остального организма. Эти клетки не могут воспринять от родительского организма информацию о том, что с ним произошло после их изоляции, в частности о том, какая «схема метилирования» в нем сложилась. Это создает непреодолимую, казалось бы, преграду на пути передачи «схемы метилирования»: она может передаваться внутри организма от одного поколения его телесных клеток к другому, но не может проникнуть в его половые клетки и с их помощью передаться потомку. Как выразился некий биохимик, «половые клетки оказываются весьма эффективной посудомоечной машиной, которая удаляет с генетических тарелок все следы эпигенетических модификаций».

Значение эксперимента Уайтлоу состояло в том, что он показал принципиальную преодолимость этого препятствия, то есть возможность наследования эпигенетической специфики не только в коллективе клеток одного организма, но и в цепи «родитель — потомок». Однако механизм такого наследования экспериментаторам объяснить не удалось.

Надо сказать, что в последние годы сообщения о случаях наследования эпигенетических признаков (или «эпигенетических мутаций») начали появляться в научной печати все чаще. Но до сих пор это были исключительно эксперименты над растениями, плодовыми мушками-дрозофилами или дрожжами. Работа Уайтлоу особенно взволновала биологические круги, потому что была первым убедительным подтверждением того, что феномен наследования эпигенетических мутаций существует также у млекопитающих.

Эти результаты были вскоре подтверждены последующими экспериментами. В одном из них, проделанном той же группой, в одну из хромосом генетически идентичных мышей был введен дополнительный ген, вызывающий образование особого вида красных кровяных клеток. Как и ожидали экспериментаторы, активность этого гена у разных мышей оказалась различной: одни мыши стали вырабатывать до сорока процентов кровяных клеток нового вида, а другие почти ничего. Проверка показала, что результат (как и разная окраска тех же мышей в предыдущем эксперименте) объясняется разными «схемами метилирования» регуляторов этого гена у разных мышей. Эти эпигенетические различия и в данном случае оказались наследуемы: «схемы метилирования» у потомков (судя по составу их крови) в точности повторяли таковые у родителей.

Однако устойчивость такого наследования оказалась не очень высокой. Эпигенетические различия между мышами продержались всего три поколения, у мышей четвертого поколения состав крови стал одинаковым. Более того, эти мутации оказались обратимыми. Когда мыши второго поколения (с подсаженным геном) были скрещены с мышами, не подвергшимися генной пересадке, это тотчас привело к исчезновению у потомства каких бы то ни было различий в составе крови. Этот результат позволяет думать, что эпигенетические различия, в отличие от генетических, представляют собой нечто характерное лишь для данной особи и сохраняющееся только на протяжении ее жизни, хотя иногда, в каких-то особых условиях, передающееся по наследству, но в ограниченном числе поколений.

В последнее время, однако, появились свидетельства того, что в некоторых ситуациях эпигенетические различия могут настолько закрепляться и углубляться от потомка к потомку, что в конце концов способны привести к образованию нового вида. Такую возможность подтверждает и недавний эксперимент американской исследовательницы Ширли Тильгман и ее коллег из Принстонского университета. Эти ученые скрестили две родственные линии мышей и получили гибрид, отличающийся аномальным ростом. Как им удалось показать, эта особенность роста гибрида, отличающая его от обоих родителей, была вызвана тем, что в ходе скрещивания произошло резкое нарушение эпигенетических особенностей, свойственных каждому из родителей (в данном случае это были так называемые импринтиговые особенности, отличающие в организме потомка материнские гены от отцовских). Как считает Тильгман, это могло бы объяснить известные случаи очень быстрого возникновения новых видов, не объяснимые с позиций чисто генетических мутаций (которые обычно происходят очень редко).

Еще несколько лет назад термины «эпигенетика», «эпигенетические различия», «эпигенетические мутации» были известны только очень узким специалистам. С тех пор границы их применения резко возросли. Молекулярный биолог Эрик Зелкер из университета штата Орегон (США) считает, что «становится все более очевидно, что эпигенетические различия и механизмы их образования играют важную, иногда даже критическую роль в биологии». Как мы видели, «эпигенетическими» факторами может объясняться появление новых признаков, действие импринтных генов и т.д. А Майкл Балтер, автор недавней обзорной статьи по эпигенетике, пишет: «Эпигенетические воздействия на гены, например «подавление» генной активности с помощью присоединения метиловых групп к отдельным участкам ДНК, могут оказывать влияние и на целый ряд других биологических процессов, вплоть до развития организмов и возникновения рака».

Что касается рака, то здесь амбиции эпигенетиков подкрепляются недавней гипотезой известного американского биолога Питера Дюсберга, согласно которой эта болезнь тоже вызывается эпигенетическими причинами, хотя в данном случае и не метилированием. Дюсберг уже прославился выдвинутой им более десяти лет назад (и позже убедительно опровергнутой) альтернативной теорией, утверждавшей, что СПИД вызывается не вирусом, а определенными лекарствами. Его новая гипотеза имеет столь же вызывающе радикальный характер. Она полностью отвергает какую-либо связь между раком и генетическими мутациями. Дюсберг обращает внимание на тот известный факт, что в клетках многих видов раковых опухолей обнаруживается аномальное число хромосом. Он утверждает, что эта аномалия может вызываться канцерогенными веществами и в свою очередь оказывать влияние на работу генов. (Такое влияние было бы эпигенетическим, поскольку оно вызвано не изменением внутри генов, не генетическими мутациями, а фактором, внешним по отношению к самим генам.) По мнению Дюсберга, добавление или удаление целой хромосомы должно очень резко изменить сложнейшую и тончайшую систему взаимодействия концентрации тысяч белков. В результате этого клетка может потерять контроль над координацией идущих внутри нее биохимических процессов, а это приведет к тому, что ее деление и рост станут неуправляемыми и она переродится в раковую.

Как бы ни относиться к этим размашистым эпигенетическим гипотезам и претензиям, несомненным является, что нынешний взрыв интереса к эпигенетическим феноменам не случаен. Подтверждением этого является тот факт, что на недавнем организационном совещании нескольких крупнейших научных центров Европы было принято решение о создании Европейского эпигенетического консорциума. Первой задачей консорциума будет изучение тех различных способов, которыми обычно метилируются регулировочные участки самых важных генов. Как надеются организаторы, это может пролить свет на некоторые аномалии развития организма и его склонность к тем или иным заболеваниям. Но эти эпигенетические различия имеют не только практическую, но и теоретическую важность. Обнаруженное группой Уайтлоу наследование таких различий, с рассказа о котором мы начали нашу статью, способно существенно расширить современные представления об изменчивости и наследственности, а тем самым о природе эволюционного процесса в целом.

Со времен Дарвина и Менделя биологи утвердились в представлении, что в эволюции нет места так называемому наследованию приобретенных признаков и что говорить об этом — значит возвращаться к Ламарку. Жан-Батист Ламарк (1744 — 1829), одним из первых выдвинувший мысль о естественном ( в отличие от сверхъестественного, божественного) характере эволюции, полагал в то же время, что потомки наследуют те изменения (признаки), которые родители приобрели в течение своей взрослой жизни. Он иллюстрировал это примером жирафы, которая всю жизнь вытягивает шею, чтобы достать все более высокие древесные листья. По Ламарку, приобретенное таким образом небольшое удлинение ее шеи должно передаваться потомкам, и именно это постепенно привело к появлению нынешних долгошеих жираф. (Отсюда, в частности, можно было заключить, что животные сами и целенаправленно совершенствуют себя, и такое наивное объяснение оказалось столь соблазнительным, что даже полтораста лет спустя Трофим Лысенко мог еще провозглашать с академической трибуны: «Клетка не дура! Клетка сама знает, как ей меняться!»).

Позже эти представления Ламарка были отброшены, поскольку наблюдения и исследования подтвердили правоту альтернативной, дарвиновской теории эволюции. Как известно, дарвинизм отрицает возможность целенаправленного изменения живыми существами самих себя. По Дарвину, небольшие изменения происходят в животном мире сами собой, совершенно случайно, непреднамеренно и ненаправленно, поэтому одни из них могут вести к «улучшению» животного (в смысле его лучшего приспособления к окружающей среде), другие — к его «ухудшению», а то и просто к гибели (и таких даже намного больше), а третьи оказываются «нейтральными»; решает же судьбу животных сама среда, то есть природа посредством «естественного отбора», как бы отбирая тех, кто по счастливой случайности оказался наиболее приспособленным к ней, и вознаграждая их тем, что их потомство, получившее в наследство от родителей эту «приспособленность», постепенно становится численно преобладающим в популяции.

Как подтвердили бесчисленные эксперименты, позже обобщенные в фундаментальных представлениях молекулярной биологии, передаются по наследству лишь те приспособительные признаки, которые запечатлелись в генах в виде генетических мутаций. И вот теперь эксперименты Уайтлоу и других исследователей эпигенетических различий показали, что такие различия тоже способны передаваться по наследству, хотя они и не закреплены в генах. Как легко видеть, наследование таких различий отчасти сходно с наследованием приобретенных признаков, по Ламарку. Ведь та специфическая «схема метилирования», которая характерна для каждой мыши в опыте Уайтлоу, «приобретена» ею в ходе ее индивидуального развития. Конечно, здесь нет и речи о каком-то целенаправленном «стремлении» организма сохранить и передать приобретенные им в ходе жизни признаки. Но оказывается, что некоторые такие признаки (в данном случае «схема метилирования») в определенных условиях действительно наследуются. Это можно истолковать в том смысле, что эволюция ради каких-то еще непонятных целей позаботилась, чтобы, кроме основного, генетического пути наследования, живые существа имели про запас на какие-то случаи также и путь дополнительный, эпигенетический.

Так что Ламарк, возможно, был все-таки хоть отчасти прав.

Рафаил Нудельман