Климатический стресс вызывает генетические изменения, сохраняющиеся на поколения

Фото из открытых источников

Жара часто ощущается как короткое, но интенсивное явление. Проходит день экстремальной жары, и жизнь возвращается в нормальное русло. Но новые исследования показывают, что организмы могут сохранять память об этой жаре на протяжении гораздо более длительного периода, чем одна конкретная жизнь. Эта идея меняет представления ученых об эволюции, наследственности и выживании в условиях глобального потепления. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

В недавнем исследовании Юэна Харни и Хосефы Гонсалес из Испанского национального исследовательского совета (CSIC) этот вопрос изучается на примере плодовых мушек. Их работа показывает, что кратковременное воздействие тепла может оставлять следы, сохраняющиеся из поколения в поколение. В некоторых случаях эти изменения даже улучшают выживаемость. Далее мы подробнее рассмотрим, как это работает и почему это важно.

На протяжении десятилетий биология рассматривала наследование как простой процесс. Гены, передаваемые от родителей к потомству, формировали признаки, а естественный отбор действовал на эти признаки. Сейчас эта точка зрения расширяется.

Новое исследование показывает, что стрессовые факторы окружающей среды, такие как жара, могут влиять не только на одно поколение, но и на несколько. Кратковременное воздействие высоких температур может изменить поведение генов у потомков, которые сами никогда не испытывали подобного стресса. Это открытие добавляет новый аспект к нашему пониманию адаптации.

Исследователи работали с плодовыми мушками из двух совершенно разных регионов. Одна группа прибыла из Финляндии, где прохладный климат. Другая — из центральной Испании, где лето жаркое и сухое.

Разница в устойчивости к высоким температурам была очевидна. Испанские мухи выдерживали более высокие температуры, чем финские. Это соответствовало условиям, в которых они эволюционировали. Этот контраст создал предпосылки для изучения того, как каждая популяция реагирует на тепловой стресс.

Исследовательская группа подвергла самок мух кратковременному воздействию высокой температуры в 37 градусов Цельсия. Затем они изучили яичники, чтобы увидеть, как изменилась активность генов.  В обеих популяциях отреагировали тысячи генов. Многие из этих генов связаны с белками теплового шока. Эти белки помогают восстанавливать повреждения, вызванные стрессом.

У испанских мух наблюдалась более организованная реакция. Активность их генов хорошо коррелировала с изменениями доступности ДНК. У финских мух реакция была более рассеянной, что указывает на больший стресс на клеточном уровне. 

Геном не статичен. Он содержит транспозоны, часто называемые «прыгающими генами». Эти сегменты ДНК могут перемещаться и влиять на соседние гены. У финских мух эти элементы были связаны со снижением активности генов при тепловом стрессе. У испанских мух они были ассоциированы с более открытыми участками ДНК, хотя это не всегда приводило к увеличению экспрессии генов.

Это показывает, что одни и те же генетические элементы могут вести себя по-разному в зависимости от окружающей среды и контекста. Наиболее поразительный результат был получен спустя несколько поколений. Исследователи изучали потомков, которые никогда не испытывали теплового удара.

У финских мух изменения коснулись лишь небольшого числа генов. У испанских мух же изменения наблюдались в сотнях генов. Многие из них были теми же генами, которые пострадали при первоначальном воздействии тепла. Направление этих изменений оставалось неизменным. Это говорит о стабильной форме биологической памяти.

Одно из возможных объяснений этой «памяти» — хроматин, который контролирует доступность ДНК. Однако исследование выявило очень мало доказательств того, что изменения хроматина передаются по наследству.

Лишь у немногих генов наблюдались наследственные изменения доступности. Это позволяет предположить, что другие механизмы, такие как малые молекулы РНК, могут передавать сигнал из поколения в поколение. Наследование, по-видимому, включает в себя взаимодействие множества систем.

Время размножения после воздействия тепла также имело значение. Яйца, отложенные вскоре после теплового стресса, показали низкую выживаемость. Но яйца, отложенные позже, рассказывали совсем другую историю. У испанских мух потомство развивалось быстрее обычного. Они быстрее достигали взрослого состояния.

Этот эффект отражает концепцию, известную как гормезис, согласно которой умеренный стресс приводит к последующим положительным результатам. Это преимущество не ограничилось одним поколением. Даже спустя три поколения потомки испанских мух, подвергшихся воздействию тепла, развивались быстрее.

В природе скорость может означать выживание. Личинки плодовых мушек развиваются в гниющих фруктах, которые быстро нагреваются. Более быстрое развитие помогает им избежать опасных условий.

«Наблюдаемые нами трансгенерационные эффекты в экспрессии генов и времени развития демонстрируют, что стресс может не только способствовать отбору лучше адаптированных мух, но и способствовать эволюции», — сказал Харни.

Это исследование выделяется тем, что в нем использовались дикие популяции, а не лабораторные штаммы. Кроме того, оно было сосредоточено на признаках, имеющих значение в естественной среде. Результаты позволяют предположить, что популяции могут адаптироваться к изменению климата быстрее, чем ожидалось. Экологический опыт может формировать будущие поколения без изменений в последовательности ДНК. Это может помочь видам адаптироваться к резким изменениям температуры.

Многие вопросы всё ещё остаются без ответа. Исследование было сосредоточено только на самках мух. Самцы могут реагировать иначе. Точный механизм этих унаследованных изменений до сих пор неясен. Сильная реакция у испанских мух также поднимает вопросы о том, развилась ли эта способность сама по себе.

«Понимание того, почему одни варианты генов могут лучше передаваться из поколения в поколение, чем другие, может иметь важное значение для выявления групп населения, подверженных риску, по мере того как климат Земли продолжает меняться», — сказал Харни.

Данное исследование расширяет представление о наследственности. Речь идёт не только о генах, но и о том, как эти гены регулируются и как на них влияют условия окружающей среды в прошлом. В мире, сталкивающемся с повышением температуры, эти скрытые слои биологической памяти могут определять способы выживания видов.