EMBO Journal: наследственность — это нечто большее, чем просто ДНК

Фото из открытых источников

Передача биологических признаков от одного поколения к другому обычно связывается с ДНК. Но могут ли некоторые изменения передаваться без изменения последовательности ДНК? Ученые из Женевского университета показали, что у нематод — круглых червей с длинным и тонким телом — временное изменение в регуляции генов может сохраняться на протяжении многих поколений, даже если потомки больше не несут генетический элемент, который первоначально вызвал это изменение. Эти результаты, опубликованные в журнале EMBO Journal, дают новое понимание механизмов, лежащих в основе эпигенетического наследования.

Каждая клетка организма содержит одну и ту же ДНК, которая несет все инструкции, необходимые для ее функционирования. Однако клетки используют не одни и те же гены: например, нервная клетка активирует не те же гены, что и мышечная клетка. Эпигенетика — это механизмы, позволяющие модулировать активность генов без изменения последовательности ДНК.

Эти механизмы включают, помимо прочего, тонкие и обратимые модификации белков, которые упаковывают и организуют ДНК. Они могут изменять организацию ДНК, но не ее содержимое, и влиять на доступность генов для клеточных белков. Некоторые из этих модификаций могут сохраняться при делении клеток и, в некоторых случаях, передаваться следующему поколению.

Такой тип наследования может представлять собой дополнительный механизм, позволяющий организмам реагировать и потенциально адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Чтобы определить, как долго эпигенетические изменения могут сохраняться в нескольких поколениях, группа исследователей под руководством Флориана Штайнера, профессора кафедры молекулярной и клеточной биологии факультета естественных наук Женевского университета, изучила Caenorhabditis elegans. Этот крошечный червь стал важным модельным организмом в биологии благодаря многочисленным открытиям фундаментальных биологических механизмов, которые он позволил осуществить. Его быстрое размножение также позволяет легко отслеживать несколько поколений в лабораторных условиях.

Ученые сосредоточились на модификации гистонов — белков, вокруг которых обернута ДНК, — известной как H3K27me3. Эта эпигенетическая метка связана с подавлением определенных генов, то есть она помогает предотвратить их экспрессию. Исследователи временно нарушили распределение H3K27me3, заставив червей экспрессировать мутированную форму гистона H3.3. Первоначальное нарушение привело, помимо прочего, к снижению фертильности: с примерно 300 потомков от одного родителя до 100 или даже 50. Однако это не передавалось по наследству: потомки были генетически нормальными. Затем ученые проследили за регуляцией генов и фертильностью от одного поколения к другому.

«Удивительно, но мы обнаружили, что последствия не исчезли после устранения первоначального триггера. У потомков, которые были генетически нормальными, изменения в регуляции генов и дефекты фертильности сохранялись по меньшей мере в течение пятнадцати поколений!», — объясняют соавторы исследования Иса Оздемир и Франсуа-Ксавье Стуббе.

Затем ученые попытались понять, как эта информация может сохраняться так долго. Команда выявила два механизма, действующих последовательно. Первый необходим для установления нового эпигенетического состояния после первоначального нарушения. Второй затем позволяет поддерживать это состояние в разных поколениях. «Наши результаты показывают, что поддержание эпигенетического состояния зависит от последовательности специализированных механизмов, а не от одного единственного процесса», — объясняют Иса Оздемир и Франсуа-Ксавье Стюббе.

«Временное нарушение регуляции генов может оставить стойкий и передаваемый след, даже если генетическое изменение, первоначально вызвавшее это нарушение, исчезло у потомков. Этот тип наследования может представлять собой дополнительный механизм, позволяющий организмам реагировать и потенциально адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды», — заключает Флориан Штайнер.