Спроектированная схема метилирования сохраняется в четырех поколениях мышей, демонстрируя возможность трансгенерационного эпигенетического наследования у млекопитающих.
Эпигенетические модификации изменяют способ экспрессии генов на протяжении всей жизни организма. Затем эти изменения стираются из геномов репродуктивных клеток, давая потомству возможность начать жизнь с чистого листа - так считалось. 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 эпигенетическую мутацию в четырех поколениях лабораторных мышей, обнаружив признаки изменения в каждом из последующих поколений. Эти изменения, по-видимому, 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", - считает Патрик Аллард, специалист по экологической эпигенетике из Калифорнийского университета, который не принимал участия в исследовании. "И результаты одновременно восхищают и сбивают с толку".
До 1990-х годов было принято считать, 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 Алларда, в среднем 70% генома метилировано, но до недавнего времени ученые отказывались верить в то, что изменения в структуре метилирования организма передаются потомству. По его словам, это неверие связано с тем, что все метильные связи в геноме зародышевых клеток эмбриона, за исключением 10%, стираются до того, как эти клетки дают начало гаметам. Этот процесс, который происходит, по крайней мере дважды в половых клетках прежде чем они становятся гаметами, создает то, что ученые в этой области называют "чистым листом". По словам Алларда, когда в наследственной структуре метилирования стирается большая часть, изначально трудно было представить, что изменения, наблюдаемые у родителей, могут передаться их детям. "Это действительно создало основу для того, чтобы понять, что наследование, отрицающее воздействие окружающей среды, невозможно, потому что у вас чистый лист", - объясняет он.
Однако многие ученые все еще верили, что эпигенетическое наследование происходит; им просто нужен был лучший способ изучить этот процесс. Искусственное редактирование метиловых меток могло бы дать ученым контроль над тем, какие гены экспрессируются, и открыть новые возможности для изучения наследования эпигенетических признаков в разных поколениях. Однако, по словам соавтора исследования Юты Такахаши, эпигенетика и старшего научного сотрудника биотехнологической компании Altos Labs, технология для этого была ограничена до 2017 года, когда он и его коллеги представили метод, с помощью которого они использовали CRISPR Cas-9 для вставки и изменения паттернов метилирования в геноме стволовой клетки человека. С этой новой технологией в руках Такахаши мог начать свои исследования по наследованию эпигенетических изменений.
Используя технологию редактирования метилирования ДНК, ученые заглушили в стволовых клетках мышей 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 эмбрионы мышей, 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 стали более тучными, 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 аллели модифицированной 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 паттерны метилирования образцов, они обнаружили, что все мыши-потомки на протяжении четырех поколений, унаследовавшие измененный аллель, демонстрировали 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 для нашей работы", - говорит Аллард. "Нам нужно было создать специальное изменение в эпигеноме и действительно тщательно отслеживать его на протяжении поколений на всех стадиях развития". По мнению Алларда, самым запутанным и захватывающим результатом исследования стало то, как эпигенетические изменения проявлялись во время развития. В ДНК, взятой из половых клеток мышей, Такахаши 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, вновь появились и сохранились по мере взросления мыши. Это указывает на существование некой системы, которая каким-то образом сохраняет память об этих утраченных паттернах, что стало неожиданностью для многих исследователей эпигенетики.
"Было так много вопросов: "Может ли что-то противостоять эпигенетическому перепрограммированию, этому чистому листу?" - рассказывает Аллард. "И ответ заключается в том, что, по крайней мере для этих [генов], им не обязательно этому сопротивляться. Вы можете иметь свой чистый лист и все равно быть воссозданными".
Такахаши подчеркивает, что им предстоит еще много работы. "Это очень увлекательно, но когда вы сталкиваетесь с очень большими результатами, вы должны подтвердить эти результаты". Возможно, например, что способность этой эпигенетической модификации передаваться дальше может быть полностью обусловлена способом ее создания, или что гены, которые они выбрали, оказались особым исключением. Аллард также надеется, что им удастся лучше понять закономерности стирания и замены метилирования.
"Как работает эта молекулярная память?" - спрашивает он. "Каков на самом деле механизм?".
Если их работа окажется воспроизводимой, то, по словам Такахаши, следующим шагом будет перенос исследования на человека и окончательное выяснение того, происходит ли у нас трансгенерационное эпигенетическое наследование. Если это так, подчеркивает он, то это может иметь глубокие последствия для понимания и лечения наследственных заболеваний. Аллард подчеркивает, что эпигенетические исследования на людях невероятно сложны из-за длительного времени жизни поколения, 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 мышах, это создаст очень прочный фундамент".
