Мы больше, чем сумма наших генов. Эпигенетические механизмы, модулируемые сигналами окружающей среды, такими как диета, болезни или наш образ жизни, играют важную роль в регуляции ДНК путем включения и выключения генов. Давно ведутся споры о том, могут ли эпигенетические модификации, накопленные на протяжении всей жизни, переходить границу поколений и передаваться по наследству детям или даже внукам. Теперь исследователи из Института иммунобиологии и эпигенетики им. Макса Планка во Фрайбурге демонстрируют убедительные доказательства того, что не только сама унаследованная ДНК, но и унаследованные эпигенетические инструкции способствуют регуляции экспрессии генов у потомства. Более того, новые открытия лаборатории Николы Иовино впервые описывают биологические последствия этой унаследованной информации. Исследование доказывает, что эпигенетическая память матери необходима для развития и выживания нового поколения.
В нашем теле мы находим более 250 различных типов клеток. Все они содержат одни и те же основания ДНК в точно таком же порядке; однако клетки печени или нервные клетки выглядят совсем по-другому и обладают разными навыками. Разница заключается в процессе, называемом эпигенетикой. Эпигенетические модификации маркируют определенные области ДНК, чтобы привлекать или удерживать белки, активирующие гены. Таким образом, эти модификации шаг за шагом создают типичные паттерны активных и неактивных последовательностей ДНК для каждого типа клеток. Более того, в отличие от фиксированной последовательности «букв» в нашей ДНК, эпигенетические метки также могут меняться на протяжении всей нашей жизни и в ответ на нашу среду или образ жизни. Например, курение изменяет эпигенетический состав клеток легких, что в конечном итоге приводит к раку. Другие воздействия внешних раздражителей, таких как стресс, болезнь или диета, также должны храниться в эпигенетической памяти клеток.
Долгое время считалось, что эти эпигенетические модификации никогда не пересекают границу поколений. Ученые предполагали, что накопленная в течение жизни эпигенетическая память полностью очищается в процессе развития сперматозоидов и яйцеклеток. Совсем недавно несколько исследований всколыхнули научное сообщество, показав, что эпигенетические метки действительно могут передаваться из поколения в поколение, но как именно и какое влияние эти генетические модификации оказывают на потомство, пока неясно. «Мы видели признаки межпоколенческого наследования эпигенетической информации с момента появления эпигенетики в начале девяностых. Например, эпидемиологические исследования выявили поразительную корреляцию между пищевыми запасами дедов и повышенным риском диабета и сердечно-сосудистых заболеваний у их внуков. затем в различных отчетах предполагалось эпигенетическое наследование у разных организмов, но молекулярные механизмы были неизвестны», - говорит Никола Иовино, автор-корреспондент нового исследования.
Эпигенетика между поколениями
Он и его команда из Института иммунобиологии и эпигенетики им. Макса Планка во Фрайбурге (Германия) использовали плодовых мушек для изучения того, как эпигенетические модификации передаются от матери к эмбриону. Команда сосредоточилась на конкретной модификации под названием H3K27me3, которую также можно найти у людей. Он изменяет так называемый хроматин, упаковку ДНК в ядре клетки, и в основном связан с подавлением экспрессии генов.
Исследователи Макса Планка обнаружили, что модификации H3K27me3, маркирующие ДНК хроматина в яйцеклетках матери, все еще присутствовали в эмбрионе после оплодотворения, хотя другие эпигенетические метки были стерты. «Это указывает на то, что мать передает свои эпигенетические метки своему потомству. Но нас также интересовало, выполняют ли эти метки что-то важное в эмбрионе», - объясняет Фидес Зенк, первый автор исследования.
Унаследованные эпигенетические метки важны для эмбриогенеза
Поэтому исследователи использовали различные генетические инструменты у плодовых мушек, чтобы удалить фермент, который размещает метки H3K27me3, и обнаружили, что эмбрионы, лишенные H3K27me3 на раннем этапе развития, не могут развиваться до конца эмбриогенеза. «Оказалось, что при размножении эпигенетическая информация не только передается по наследству от одного поколения к другому, но и важна для развития самого эмбриона», - говорит Никола Иовино.
Когда они внимательно изучили эмбрионы, команда обнаружила, что несколько важных генов развития, которые обычно отключаются во время раннего эмбриогенеза, были включены у эмбрионов без H3K27me3. «Мы предположили, что слишком ранняя активация этих генов во время развития нарушила эмбриогенез и в конечном итоге вызвала гибель эмбриона. Похоже, что фактически унаследованная эпигенетическая информация необходима для обработки и правильной расшифровки генетического кода эмбриона», - объясняет Фидес Зенк.
Значения для теории наследственности и здоровья человека
С этими результатами исследование исследователей Макса Планка является важным шагом вперед и ясно показывает биологические последствия унаследованной эпигенетической информации. Не только путем предоставления доказательств того, что эпигенетические модификации у мух могут передаваться из поколения в поколение, но, кроме того, путем выявления того, что эпигенетические метки, передаваемые от матери, представляют собой точно настроенный механизм контроля активации генов во время сложного процесса раннего эмбриогенеза.
Международная команда во Фрайбурге убеждена, что их выводы имеют далеко идущие последствия. «Наше исследование показывает, что мы наследуем от наших родителей больше, чем просто гены. Похоже, что мы также получаем точно настроенный и важный механизм регуляции генов, на который может влиять окружающая среда и индивидуальный образ жизни. основанием для наблюдения, что, по крайней мере, в некоторых случаях приобретенные адаптации к окружающей среде могут передаваться по зародышевой линии нашему потомству», - объясняет Никола Иовино. Кроме того, поскольку нарушение эпигенетических механизмов может вызывать такие заболевания, как рак, диабет и аутоиммунные расстройства, эти новые открытия могут иметь значение для здоровья человека.