Ученые обнаружили скрытый слой наследственности, выходящий за рамки ДНК

Фото из открытых источников

Если у двух мышей имеется немаркированная копия гена, то и их потомство должно иметь немаркированную копию. По одному экземпляру от каждого родителя, объединенных предсказуемым образом. Простая математика, надежный результат.

Недавно исследователи проверили это предположение на трех поколениях мышей, отслеживая химические метки, которые включают или выключают гены. Результаты не совпали с тем, что указано в учебнике.

Команда, проводившая это исследование, хотела выяснить, как часто стандартные правила наследования действительно работают. Они сосредоточились на том, чего Мендель не мог увидеть в своих гороховых растениях: метилировании ДНК.

Эти метки работают как система химических переключателей, прикрепляясь к ДНК и включая или выключая определенные гены без изменения самого генетического кода. Они находятся на одной из копий гена и передаются от родителя к ребенку.

Профессор Эндрю Файнберг из Университета Джонса Хопкинса руководил исследованием совместно с коллегами из Техасского университета A&M. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Genetics.

Чтобы отследить перемещение меток, исследователи вывели три поколения лабораторных мышей: 26 в исходной группе, 34 в следующей и 19 в третьей.

Эксперты взяли образцы ткани печени и мышц у каждого животного и измерили как генетическую последовательность, так и характер метилирования на одних и тех же молекулах ДНК. Секвенирование длинных прочтений позволило реализовать двойное считывание.

Этот метод позволяет захватывать гораздо более длинные участки ДНК, чем старые методы, что дает возможность команде увидеть метки метилирования, расположенные далеко от генов, которые они регулируют.

Большая часть того, что обнаружила команда, совпала с выводами Менделя. Примерно 93% паттернов метилирования в той или иной форме соответствовали его классическим правилам. Оставшиеся 7% — нет.

В результате было выявлено примерно 522 участка, где теги не соответствовали скрипту. Кроме того, на 54 из этих участков было обнаружено нечто более странное: метки метилирования у потомства, которых не было ни у одного из родителей.

При скрещивании двух мышей, у которых отсутствует метилирование в определенном участке генома, должно родиться потомство, у которого также отсутствует метилирование в этом участке. Команда продолжала обнаруживать потомство с метилированием в обеих копиях гена.

Самый странный результат связан с явлением, называемым парамутацией. Метилирование на одной копии гена каким-то образом копируется на другую копию. Обе копии помечены тегами, даже если тег был добавлен только одним из родителей.

Исследователи задокументировали это на растениях, мухах и генетически модифицированных мышах, но никогда на мышах без генетических манипуляций. Парамутация обнаружилась в гене, который способствует нормальному развитию сперматозоидов у мышей и людей.

Более ранние исследования связывали снижение функциональности человеческой версии с бесплодием. Таким образом, это новое открытие относит к области исследований фертильности – не как окончательную связь, а как закономерность, заслуживающую внимания.

Геномный импринтинг — один из хорошо известных способов, которым наследование отклоняется от правил Менделя. Метка от матери подавляет ее копию гена, или метка от отца подавляет его копию гена. Подавление экспрессии зависит от того, какой из родителей передал копию гена, а не от того, какая версия гена сильнее или слабее.

Команда Файнберга выявила еще пять генов, которые ведут себя подобным образом, расширив тем самым ранее скудный каталог в геноме мыши. Метилирование может происходить извне генома. В более ранних исследованиях было показано, что диета, стресс и воздействие окружающей среды связаны с изменениями в паттернах метилирования.

Некоторые из этих изменений могут передаваться потомству. Это делает новые результаты необычными. Эпигенетическое наследование, изменяющееся в ответ на воздействие окружающей среды, может распространяться в популяции быстрее, чем ожидание случайного изменения в самой последовательности ДНК.

«Неменделевские закономерности наследования эпигенетики могут быть более быстрым способом приобретения разнообразных или новых признаков, чем изменения в самой геномной последовательности, особенно в ответ на воздействие окружающей среды», — сказал Файнберг.

До этого исследования парамутация у млекопитающих была лабораторной диковинкой. Ее можно было получить только путем прямой генной инженерии. Эти мыши продемонстрировали, что это происходит само по себе, в геноме, который никто не изменял.

Теперь Файнберг и его коллеги планируют применить тот же подход к данным генома человека. Команда будет искать аналогичные закономерности в семьях, чтобы подтвердить, происходит ли подобная наследственность у людей так же, как это было недавно обнаружено у мышей.

В тех случаях, когда стандартные генетические объяснения оказываются недостаточными, клиническим генетикам, отслеживающим наследственные заболевания, может быть полезно одновременно анализировать как последовательность ДНК, так и паттерн метилирования.

Если заболевание передается по наследству в семье без очевидной генетической причины, ответ может находиться в слое ДНК, который стандартные инструменты секвенирования никогда не считывают.