Эпигенетические изменения меняют способ экспрессии генов на протяжении всей жизни организма. Затем эти изменения стираются из генома репродуктивных клеток, давая потомству возможность начать жизнь с чистого листа - так казалось раньше. Теперь появились новые доказательства того, что эпигенетические изменения могут передаваться через несколько поколений, несмотря на стирание. В исследовании, опубликованном 7 февраля в журнале Cell, группа ученых проследила за эпигенетической мутацией в четырех поколениях лабораторных мышей, обнаружив признаки изменения в каждом из последующих поколений. По всей видимости, эти изменения появлялись даже после эпигенетического стирания. Авторы утверждают, что это первое экспериментальное доказательство трансгенерационного эпигенетического наследования с использованием мышей, подвергшихся метилированию.

"Это своего рода эксперимент мечты", - говорит Patrick Allard, специалист по экологической эпигенетике из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. "Результаты одновременно восхищают и сбивают с толку".

До 1990-х годов считалось, что любые изменения в генетической экспрессии являются результатом изменений в последовательности ДНК. Все изменилось с появлением эпигенетики, которая доказала, что факторы окружающей среды и поведения могут побуждать регуляторы включать или выключать гены, изменяя их экспрессию без изменения самой последовательности ДНК. Наиболее распространенным механизмом, с помощью которого различные регуляторы могут вызывать эпигенетические изменения, является метилирование ДНК. При метилировании молекула, известная как метильная группа, присоединяется к ДНК и сигнализирует остальной части клетки о том, следует ли включить или выключить данный участок ДНК, тем самым изменяя влияние этого участка ДНК на результирующий фенотип. По словам Allard, в среднем 70 процентов генома метилировано, но до недавнего времени ученые отказывались верить в то, что изменения в структуре метилирования организма передаются потомству. По его словам, это неверие объясняется тем, что все, кроме 10 процентов метильных связей в геноме зародышевых клеток эмбриона, стираются до того, как эти клетки дают начало гаметам. Этот процесс, который происходит в половых клетках по меньшей мере дважды, прежде чем они становятся гаметами, создает то, что ученые в этой области называют "чистым листом".

По словам Allard, при такой степени стирания наследственного метилирования изначально было трудно представить, что какие-либо изменения, наблюдаемые у родителей, могут передаться их детям. "Это действительно создало предпосылки к тому, что наследование, отрицаемое окружающей средой, невозможно, потому что у вас есть чистый лист", - объясняет он.

См. “Epigenetics May Remember Ancestors’ Mutations”.

Однако многие ученые все еще верили, что эпигенетическое наследование имеет место. Искусственное редактирование метиловых меток позволило бы ученым контролировать экспрессию генов и открыло бы новые возможности для изучения наследования эпигенетических признаков в разных поколениях. Однако, по словам соавтора исследования Yuta Takahashi, эпигенетика и старшего научного сотрудника биотехнологической компании Altos Labs, технологии для этого были ограничены до 2017 года, когда он и его коллеги представили метод, с помощью которого они использовали CRISPR Cas-9 для вставки и изменения шаблонов метилирования в геноме стволовых клеток человека. С этой новой технологией Takahashi смог начать свои исследования по наследованию эпигенетических изменений.

Неотредактированная мышь (слева) в сравнении с оригинальной мышью, отредактированной с помощью метилирования (P0), и ее внуком (F2), несущим ту же эпигенетическую мутацию. Мышь слева маленькая по сравнению с двумя другими, страдающими ожирением.

Используя технологию редактирования метилирования ДНК, ученые отключили в стволовых клетках мыши два гена, связанных с метаболизмом (что представляет интерес из-за их связи с такими заболеваниями, как диабет и ожирение). Затем они ввели эти стволовые клетки в мышиные эмбрионы, поместили эмбрионы в суррогатных матерей и наблюдали за мышами от рождения до десятимесячного возраста. Как они и ожидали, у мышей с эпигенетически модифицированными клетками наблюдались фенотипические изменения: они страдали ожирением в большей степени, чем контрольные мыши, и имели более высокий уровень холестерина.

Затем они скрестили самца модифицированной мыши с самкой мыши из неродственного штамма. У 12 потомков были взяты образцы ДНК, чтобы определить, кто из них унаследовал измененный аллель родительской мыши. Затем они отобрали одного самца и одну самку, унаследовавших измененный аллель, и скрестили каждого из них с мышами из того же неродственного штамма, продолжая этот процесс в течение четырех поколений. Очистив и проанализировав образцы метилирования, ученые обнаружили, что у всех мышей-потомков в четырех поколениях, унаследовавших модифицированный аллель, наблюдался подавленный паттерн метилирования, независимо от того, кто был родителем - самка или самец отредактированной мыши. Фенотипические изменения также сохранялись: мыши с подавленным паттерном метилирования в последующих поколениях продолжали страдать ожирением по сравнению с контрольной группой и имели высокий уровень холестерина.

"Это именно то, что было нужно нашей области", - говорит Аллард. "Нам нужно было создать целенаправленное изменение в эпигеноме и тщательно проследить за ним в разных поколениях на всех этапах развития".

См. статью “Does Human Epigenetic Inheritance Deserve a Closer Look?”.

По мнению Алларда, самым запутанным и захватывающим результатом исследования стало то, как эпигенетические изменения проявлялись в процессе развития. В ДНК, взятой из зародышевых клеток мышей, Такахаси и его коллеги увидели стирание метилирования, на которое ученые указывали ранее. Но позже, в процессе развития эмбриона, старые схемы метилирования в генах, которые они модифицировали, появились вновь и сохранились по мере взросления мыши. Это говорит о том, что существует некая система, которая каким-то образом сохраняет память об утраченных паттернах, что стало неожиданностью для многих исследователей эпигенетики, обсуждавших это открытие в Интернете.

"Было так много вопросов: "Может ли что-то противостоять эпигенетическому перепрограммированию, этой "чистой доске"?" - говорит Аллард. "И ответ заключается в том, что, по крайней мере для этих [генов], им не нужно сопротивляться этому. Вы можете иметь чистый лист и все равно быть воссозданными".

Такахаси подчеркивает, что им предстоит еще много исследований. "Это очень интересно, но когда вы сталкиваетесь с очень большим результатом, вам нужно подтвердить эти результаты". Например, возможно, что способность эпигенетической модификации передаваться по наследству полностью обусловлена способом ее создания или что выбранные ими гены оказались особыми исключениями. Аллард также надеется, что им удастся лучше понять паттерны стирания и замены метилирования. "Как выглядит эта молекулярная память?" - спрашивает он. "Каков на самом деле механизм?"

См. статью "Влияют ли эпигенетические изменения на эволюцию?".

Если их работа окажется воспроизводимой, Такахаси говорит, что следующим шагом будет перенос исследования на человека и определение раз и навсегда, происходит ли трансгенерационное эпигенетическое наследование в нас. Если это так, подчеркивает он, это может иметь глубокие последствия для понимания и лечения наследственных заболеваний. Аллард подчеркивает, что эпигенетические исследования на людях невероятно сложны из-за длительного периода поколений, а также поднимают множество моральных и этических вопросов. "Я не знаю, как бы мы проводили этот эксперимент на людях", - говорит он. "Но если [результат] будет подтвержден на мыши, это станет очень прочным фундаментом".