Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Аналогичные результаты были получены и в экспериментах на животных. Вот один пример. В начале 2000-х гг. биолог из Университета штата Вашингтон Майкл Скиннер со своими коллегами исследовал влияние винклозолина – вещества, убивающего грибы [942] См.: Nilsson and Skinner 2015; Skinner 2015; Tollefsbol 2014. . Несмотря на то что оно препятствует работе половых гормонов, многие фермеры используют его, чтобы защитить свои фрукты и овощи от плесени.

Скиннер и его коллеги ввели винклозолин беременным крысам, что привело к деформации сперматозоидов и другим половым нарушениям у потомства. Затем один из сотрудников Скиннера по ошибке скрестил между собой животных из такого потомства, получив уже новое поколение крыс. Эта ошибка позволила Скиннеру совершить открытие, которого никто не ожидал. У внуков отравленных крыс сперматозоиды тоже оказались деформированы, несмотря на то что эти животные никогда не подвергались прямому воздействию винклозолина.

Скиннер с коллегами начал новое исследование, чтобы понять, насколько далеко может распространяться этот эффект. Он воздействовал на самок винклозолином, а затем скрещивал между собой их потомков. Ученые обнаружили, что даже через четыре поколения у самцов были деформированные сперматозоиды. Воздействие таких веществ, как ДЭТА и авиатопливо, тоже влияло на крыс на протяжении нескольких поколений.

Работа Скиннера вдохновила и других исследователей искать подобные наследуемые изменения. Брайан Диас из Университета Эмори задался вопросом, могут ли мыши передавать своим потомкам память [943] См.: Dias and Ressler 2014; Hughes 2014. .

Каждый день Диас помещал молодых самцов в камеру, куда время от времени впрыскивал ацетофенон. Людям его запах напоминает аромат миндаля или вишни. Мыши вдыхали ацетофенон в течение десяти секунд, затем Диас бил их по лапкам несильным электрическим током.

Чтобы мыши связали запах с ударом тока, хватало трех дней, по пять таких опытов в день. Когда Диас давал обученным животным понюхать ацетофенон, они замирали на месте. Кроме того, Диас обнаружил, что запах ацетофенона повышал пугливость мышей при громких звуках. В других опытах Диас вводил в камеру иной запах (спирта пропанола) или не давал мышам удара током. В этих случаях мыши не обучились бояться запаха ацетофенона.

Через десять дней после окончания мышиного обучения коллеги из другого отдела зашли к Диасу, собрали сперму у обученных мышей и отнесли ее в свою лабораторию. Там они ввели сперматозоиды в мышиные яйцеклетки, которые затем имплантировали самкам. Позже, когда родившиеся детеныши подросли, Диас протестировал их поведение. Как и их отцы, новое поколение мышат оказалось чувствительно к ацетофенону. Если им в клетку подавали этот запах, они сильнее пугались громкого звука – при том, что их никогда не обучали такой связи. Когда особи из этого поколения спарились и у них родилось потомство, то чувствительность к ацетофенону сохранилась и у внуков мышей, которых изначально обучали бояться этого запаха.

Затем Диас исследовал нервную систему мышей в надежде найти физические следы этой памяти. Когда мышь чувствовала ацетофенон, информация о нем проходила в нервной системе по определенному пути. В носу у мыши молекулы запаха соединялись только с одним типом нервных окончаний, затем импульсы поступали в один небольшой участок в передней части мозга. Предыдущие исследования показали, что, когда мышь обучалась бояться ацетофенона, этот участок увеличивался в размере.

Сектор мозга, который был увеличен у обученных мышей, оказался увеличенным также и у их потомков. При этом единственной связью между напуганными отцами и их детьми и внуками были сперматозоиды. И каким-то образом через эти клетки потомкам передались не только гены. Животные передали детям не только ту информацию, которую получили по наследству, но и жизненный опыт.

Работа Диаса позволила предположить, что поведение может быть сначала выучено, а затем унаследовано [944] См.: Bale 2014, 2015; Bohacek and Mansuy 2015; Rodgers and Bale 2015. . К схожим выводам пришли и другие исследователи, проведя собственные эксперименты. Стрессовые ситуации, с которыми встречаются молодые мыши, могут изменить их реакцию на стресс и когда они станут взрослыми. Например, поведение мышат, разлученных с матерями на несколько часов кряду, похоже на поведение людей с депрессией. Если таких мышат положить в воду, они быстро перестанут барахтаться и станут беспомощно дрейфовать. Самцы мышей могут передать эту беспомощность своим детям, а потом и дальше – внукам.

Особенно удивительно, что самцы могут влиять на будущие поколения так же, как и самки. При этом, в отличие от самок, у них нет прямой связи с эмбрионом. И действительно – самец может передавать детям поведенческие признаки даже при искусственном оплодотворении [945] Lim and Brunet 2013. . И если эти результаты достоверны, то следует вывод, что в сперматозоидах (и, по-видимому, в яйцеклетках) должно быть нечто, способное передать эту таинственную информацию. А поскольку тут влияет жизненный опыт, то это не могут быть гены.

Для объяснения такой странной наследственности некоторые ученые обратились к эпигеному, т. е. набору молекул, окружающему наши гены и контролирующему их работу. К концу XX в. стало абсолютно ясно, что эпигеном необходим для правильного развития организма из зиготы. Наши клетки сматывают свою ДНК и изменяют расположение метильных групп, когда клетка делится. Определенные комбинации включенных генов помогают клетке стать мышечной, превратиться в клетку кожи или другой части тела. Эти комбинации сохраняются довольно долго, выдерживая деление за делением. Именно поэтому из зачатков сердец вырастают сердца, а не почки.

Однако эпигеном – не просто жесткая программа переключения генов в развивающемся организме. Он чувствителен и к окружающим условиям. Например, в течение дня наш эпигеном управляет биологическим циклом нашего тела. Мы бываем сонными и бодрыми, теплыми и прохладными на ощупь, наш уровень метаболизма может повышаться или понижаться. Внутренние циклы совпадают с 24-часовым периодом вращения нашей планеты вокруг своей оси, потому что в разное время суток нам в глаза попадает разное количество света. В дневные часы работают те определенные гены, с которых клетка синтезирует белки, нужные для активной жизни. Когда приходит вечер, вокруг этих генов скапливается все больше белков, скручивающих ДНК и меняющих расположение метильных групп. Ночью эти гены остаются выключенными и беспомощными, пока их снова не разбудит армия утренних молекул [946] Papazyan et al. 2016. .

Эпигеном может изменять работу генов в ответ не только на такие регулярные сигналы, как восход и закат, но и на непредсказуемые. Когда у нас развивается инфекция, в боевой режим переходят, сталкиваясь с патогеном, иммунные клетки [947] См.: Allis and Jenuwein 2016; Busslinger and Tarakhovsky 2014. . Они начинают выделять смертельные вещества или посылать сигналы соседним кровеносным сосудам – пусть те запустят отек с воспалением. Чтобы эти изменения произошли, клетки реорганизуют свою ДНК, позволяя определенным генам синтезировать белки и одновременно подавляя работу других генов. А когда иммунные клетки делятся, они передают потомкам свой боевой эпигеном как своего рода клеточную память [948] Henikoff and Greally 2016. .