Мы больше, чем сумма генов. Эпигенетические механизмы, управляемые такими факторами, как рацион, болезни или образ жизни играют важную роль в управлении ДНК. Фактически, они способны включать или выключать определённые гены. В течение долгого времени активно обсуждалось, могут ли эпигенетические изменения, накопленные в течение всей жизни, перейти по наследству к детям или даже внукам. Теперь исследователи из Института иммунобиологии и эпигенетики Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik) смогли представить убедительные доказательства того, что на экспрессию генов потомков влияет не только сама ДНК, но и передаваемые по наследству эпигенетические инструкции. Оказалось, что материнская «эпигенетическая память» необходима для развития и выживания новых поколений.
В человеческом организме присутствуют клетки 250 разных видов. Все они содержат одни и те же азотистые основания, расположенные в одном и том же порядке. Тем не менее, клетки печени и нейроны выглядят по-разному — отличаются и их функции. Это разнообразие и обеспечивается эпигенетическими процессами. Они маркируют отдельные фрагменты ДНК так, что белки, ответственные за активацию генов, приближаются или, напротив, не могут приблизиться к этим участкам. В отличие от фиксированных последовательностей «букв» ДНК, эпигенетические модификации могут меняться в течение жизни — в ответ на изменения условий окружающей среды или образа жизни. Например, курение меняет эпигенетические маркеры лёгочных клеток, что, в конце концов, может привести к развитию рака. Стрессы, болезни и особенности питания тоже отражаются на эпигенетической памяти клеток.
В течение долгого времени считалось, что эпигенетические модификации никогда не передаются следующим поколениям. Учёные полагали, что эпигенетическая память полностью «обнуляется» в процессе созревания яйцеклеток или сперматозоидов. И только относительно недавно, в начале 1990-х, появились первые сообщения о том, что эпигенетические маркеры в действительности способны передаваться по наследству. Эта информация вызвала огромный интерес со стороны научного сообщества, но механизмы наследования эпигенетических особенностей оставались неясными. «Мы видели признаки передачи эпигенетических модификаций. Например, эпидемиологические исследования обнаружили связь между диетой дедов и повышением риска сахарного диабета и сердечно-сосудистых заболеваний у внуков. С тех пор авторы различных исследований предполагали, что эпигенетическая наследственность существует, но её молекулярные механизмы оставались неясны», — рассказывает один из авторов исследования Никола Иовино (Nicola Iovino).
Иовино и его сотрудники из Института иммунобиологии и эпигенетики Общества Макса Планка использовали дрозофил в качестве модельных животных. Целью исследования стало изучение процесса передачи эпигенетических модификаций от матери к зародышу. Учёные сфокусировались на определённой модификации, называющейся H3K27me3 — она присутствует и у людей. H3K27me3 меняет хроматин, в основном, подавляя экспрессию генов.
Исследователи обнаружили, что модификация H3K27me3, помечающая хроматин в материнской яйцеклетке, присутствует и в эмбрионе после оплодотворения, хотя другие эпигенетические маркеры «стираются». Когда учёные внимательно изучили эмбрион, они обнаружили, что в отсутствие H3K27me3 некоторые важные гены — в норме выключенные в ходе раннего эмбриогенеза — оказываются включёнными. «Мы полагаем, что слишком раннее включение этих генов нарушает эмбриогенез и, в конце концов, приводит к гибели зародыша. По-видимому, унаследованная эпигенетическая информация нужна для корректной обработки генетического кода эмбриона», — поясняет соавтор работы Фидес Ценк (Fides Zenk).
Учёным удалось не только продемонстрировать, что эпигенетические модификации передаются из поколения в поколение, но найти данные, подтверждающие, что передача этих модификаций от матери потомству — это тонко настроенный механизм, необходимый для управления активацией генов в сложном процессе раннего эмбриогенеза. Поскольку нарушение эпигенетических механизмов может приводить к развитию таких заболеваний, как рак, диабет и аутоиммунные расстройства, результаты нового исследования могут оказаться важны для медицины.
