О, как светла судьба невест Христовых!
Земных забот ниспали с них оковы!
Невинностью лучатся их сердца,
Молитвы их приятны для Творца.
Вы верите, что опыт ваших дедушек и бабушек влияет на ваше здоровье, поведение и продолжительность жизни? Мы редко размышляем о том, как наши действия могут отразиться на нашем потомстве или как опыт наших предков может влиять на нас сегодня, а возможно, нам следовало бы об этом задуматься. За регуляцию продолжительности жизни отвечает генетика, однако в регуляции механизмов старения может играть роль и эпигенетика – модификация генома, приводящая к наследуемым изменениям без изменений самой последовательности ДНК (генетик Дениз Барлоу называла эпигенетикой “все странные и чудесные вещи, которые нельзя объяснить генетикой”[1]). Мы не знаем, могут ли условия, изменившие хромосомы вашей бабушки, повлиять на продолжительность вашей жизни, однако исследования в модельных системах показывают, что это возможно и что также существуют важные пути, стирающие эту трансгенерационную память. В конце концов, способность реагировать на внешние условия и адаптироваться к ним – ключевая роль большинства путей “долгожительства”. С возрастом клетки теряют пластичность по многим параметрам, и важнейшая функция механизмов эпигенетики заключается в модификации пластичности клеток. Если мы найдем эпигенетические признаки, связанные с продолжительностью жизни и старением, это поможет нам идентифицировать механизмы, позволяющие стирать эпигенетические сигналы короткой жизни и улучшать здоровье.
Один из самых известных примеров, подтверждающих существование трансгенерационного эффекта (то есть опыта родителей или даже дедушек и бабушек, который влияет на их потомство), относится к мрачному “естественному эксперименту”, произошедшему в таких трагических исторических условиях, которые мы никогда не сможем воспроизвести по этическим соображениям. В ответ на забастовку голландских железнодорожных рабочих (это была неудачная попытка помешать немцам захватить выгодный плацдарм на Рейне) с конца 1944 года до мая 1945-го немцы перекрыли поставку еды и топлива в Амстердам и западные области Голландии. Доставка пищевых продуктов дополнительно затруднялась из-за чрезвычайно суровых зимних условий. В результате свыше четырех с половиной миллионов человек пережили голод, некоторые получали не более 400–800 калорий в сутки. “Голодная зима” в Голландии закончилась, когда союзники освободили Западную Голландию и продукты начали сбрасывать с воздуха.
Голод не только убил от 18 до 20 тысяч человек, но и оказал долгосрочное влияние на выживших и на их детей, если матери вынашивали их в период голода[2]. Дети, находившиеся в утробе матери в этот период, чаще имели проблемы со здоровьем, чем их братья и сестры, что позволяет исключить генетический фактор и подтвердить наличие “критического периода” развития. К числу таких проблем относятся склонность к диабету, ожирению, сердечно-сосудистым заболеваниям и шизофрении. Склонность к некоторым метаболическим нарушениям объяснима: если вы голодаете в критический период развития в матке, может быть разумным перестроиться на метаболизм с накоплением энергии, так что подверженность диабету и ожирению не удивляет, даже если это результат “неправильной” адаптации при изобилии пищи после завершения голода. Труднее понять такие психологические эффекты, как повышение риска шизофрении у детей, если матери голодали во втором триместре беременности. Но еще сильнее удивляет, что последствия коснулись даже внуков женщин, переживших голод в период беременности. Например, эти люди ниже среднего роста и чаще страдают от психологических проблем. (Учтите, что все девочки, находившиеся в животе у матери во время “голодной зимы”, уже тогда имели все свои будущие яйцеклетки, и если голодание затрагивает клетки зародышевой линии, это сказывается и на поколении внуков.)
Проведенное в 1972 году ретроспективное исследование девятнадцатилетних юношей, вербовавшихся в голландскую армию, показало, что внутриутробное влияние “голодной зимы” не затрагивало когнитивную функцию, поскольку эти ребята не имели каких-либо статистически значимых отличий по ментальным способностям или по общему уровню интеллектуального развития. Однако некоторые долгосрочные эффекты голодания в утробе матери, возможно, проявляются лишь позднее, поскольку у этих людей повышен риск развития возрастных заболеваний[3]. Например, у людей из этой же группы, но уже в возрасте после 50 лет, была выше вероятность развития диабета второго типа и болезни коронарных сосудов. Более того, хотя в молодости у них не было каких-либо значительных отклонений по умственным способностям, их когнитивная функция ослабевала быстрее, чем у их сверстников[4]. При исследовании этих людей в возрасте от 56 до 59 лет выяснилось, что, хотя общий уровень интеллекта (опять-таки) не пострадал, они хуже справлялись с заданиями на внимание, что указывает на ослабление когнитивной функции[5]. Наконец, в этой группе был более высокий уровень смертности по сравнению с людьми, родившимися непосредственно до голода или после него. Все эти данные вкупе показывают, что внутриутробный опыт может влиять на скорость старения, вероятно, из-за ослабления гибкости метаболизма, которое проявляется только в пожилом возрасте. Нам еще предстоит узнать, проявятся ли такие же изменения в процессе старения и угасания когнитивной функции у внуков женщин, которые были беременны в период “голодной зимы”.
Вероятно, Великий голод в Китае в 1959–1961 годах был самым массовым голодом за всю историю: погибли 30 миллионов человек, и очень сильно снизилась рождаемость. У внуков людей того поколения повышен риск развития туберкулеза, инфекций крови и болезней, передающихся половым путем[6]. Зона Великого голода в Китае очерчена менее определенно, чем зона, пострадавшая во время “голодной зимы” в Голландии, и поэтому данные труднее интерпретировать, однако вполне возможно, что внутриутробное голодание и маленький вес при рождении могут оказывать влияние на иммунную функцию в нескольких поколениях потомков.
Противоречивая идея о том, что травматический опыт может оказывать влияние не только на поколение, которое его пережило, но и на детей (интергенерационный опыт) и даже внуков (трансгенерационный опыт), получила название “исторической травмы” и впервые была выдвинута Марией Желтая Лошадь Храброе Сердце в 1980-е годы, когда она описывала длительное влияние травмы, пережитой людьми из племени лакота. Народ лакота, как и большинство коренных американцев, пережил различные формы стресса, включая колонизацию, переселение, геноцид, ассимиляцию, разъединение семей, подавление культурных традиций и языка и мучительный опыт в школах-интернатах для американских индейцев. Желтая Лошадь Храброе Сердце предположила, что кроме стресса сегодняшнего дня потомки этих людей могут испытывать на себе травму предыдущих поколений[7]. Аналогичным образом предполагается, что потомки афроамериканских рабов, камбоджийских беженцев и жертв холокоста тоже страдают от исторической травмы, которая проявляется в повышенной вероятности возникновения зависимостей, депрессии, самоубийств и посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) по сравнению с их современниками с “нормальной” семейной историей. Состояние здоровья коренных американцев хуже, чем у всех остальных жителей США, и афроамериканцы имеют худшие показатели здоровья, чем белые люди с таким же социально-экономическим статусом. У детей, чьи родители пережили холокост, и у детей камбоджийских беженцев чаще диагностируют ПТСР, тревожность и депрессию, что говорит о наличии как минимум интергенерационной травмы[8]. Историческая травма затрагивает не только ментальное здоровье молодых людей, но также влияет на скорость старения и на здоровье в преклонном возрасте, в том числе повышает вероятность деменции[9].
Конечно же, причины некоторых подобных рисков для здоровья трудно отделить от сегодняшнего стресса, бедности, насилия и других системных факторов, включая структурный и системный расизм. Например, в местах проживания семей с низким уровнем дохода обычно хуже качество воды и воздуха, поскольку люди вынуждены жить вблизи скоростных дорог или промышленных предприятий, что плохо влияет на здоровье. Однако теперь мы начинаем понимать, что некоторый вклад в ПТСР вносят и наследственные факторы. Если бы мы могли больше узнать о механизмах интер- и трансгенерационной травмы, мы бы лучше их контролировали и смогли бы прерывать цикл наследственных и детских стрессов. Педиатр и ныне главный хирург Калифорнии Надин Берк Харрис предполагает, что хронический детский стресс (негативный детский опыт) – важнейший источник токсического стресса и нарушений развития нервной системы, но с ним можно бороться[10].
Некоторые фенотипы можно объяснить метаболическими изменениями, а также воспитанием и родительской опекой, и они являются интергенерационными, а не трансгенерационными – иными словами, они проявляются только у первого поколения потомков, но не позже. Термины звучат похоже, но биологические механизмы в основе этих процессов, судя по всему, совсем разные. Можно понять, что условия в утробе матери оказывают на человека долгосрочное влияние, но при этом они не обязательно повлияют на следующие поколения. Например, депрессия и психологический стресс матери во время беременности повышают вероятность развития у ребенка астмы, даже при введении поправки на возраст матери, курение во время беременности, ИМТ и наличие родственников-астматиков, и это говорит о том, что условия в матке влияют на здоровье ребенка в будущем, хотя механизм этого явления еще неясен, и он, вероятно, не распространяется на следующие поколения[11]. Стрессовый ответ в матке в процессе беременности включает в себя повышение уровня “гормона стресса” кортизола и изменения других биологических факторов (ослабление транспорта питательных веществ, кислорода, факторов роста и нарушение функции митохондрий), что, в свою очередь, может напрямую влиять на развитие плода. Эти изменения в матке могут сказываться на эпигенетических механизмах, влияющих как на развитие плода, так и на следующие поколения. Интересно, что у самок мышей, произведших на свет детенышей, повышается уровень окситоцина, и это меняет их поведение[12]. Влияние поведения матери на детей или следующие поколения – еще один аспект трансгенерационного наследования, который можно попытаться проанализировать с помощью молекулярных методов.
Продолжительность жизни и смертность тесно связаны с метаболизмом и развитием возрастных заболеваний. Неблагоприятные условия в матке могут быть причиной слабого здоровья в более поздние годы жизни, как показывает опыт “голодной зимы” в Голландии и подтверждают эксперименты с мышами. Эти негативные эффекты являются интергенерационными. Однако некоторые из таких изменений могут отражаться на эпигенетических механизмах. Например, NAD+ – эффективный сенсор наличия пищи, который влияет на ацетилирование гистонов, а промежуточный метаболит S-аденозинметионин нужен для метилирования ДНК – одного из эпигенетических маркеров. И в обоих случаях прослеживается связь между питательными веществами, промежуточными продуктами метаболизма и эпигенетическими механизмами. Пока мы принимали во внимание только условия в матке, но у нас все больше доказательств, что сперма тоже может содержать эпигенетическую информацию[13]. Различия, проявляющиеся в третьем поколении потомков после травматического события (через два поколения после пережитого опыта), вряд ли могут быть связаны с условиями в прошлом, и это говорит о возможном вкладе в наследование эпигенетических механизмов: иными словами, наследуемый показатель – результат действия какого-то не полностью генетического фактора.
В замечательном (но дискуссионном) исследовании 2014 года Диас и Ресслер показали, что, если мыши чувствовали какой-то запах, находясь в угрожающих условиях, не только сами они становились чувствительными к этому запаху, но и их дети (F1) и внуки (F2) тоже проявляли к нему повышенную чувствительность – это пример трансгенерационного наследования усвоенной связи[14]. Из этих наблюдений следует, что усвоенные предупреждающие сигналы могут передаваться из поколения в поколение. Авторы работы предполагают, что гипометилирование гена рецептора запаха передается через мужские клетки зародышевой линии – поистине открытие в духе Ламарка. В более поздней работе 2019 года Рахель Познер и Одед Рехави выдвинули предположение, что способность малых РНК нейронов контролировать хемотаксис также может передаваться путем трансгенерационного наследования[15].
Вне зависимости от того, наблюдается ли эффект только в одном поколении или в нескольких, при анализе возрастных изменений следует учитывать влияние неблагоприятных внешних условий и травм. К сожалению, некоторые симптомы травмы (прямой или интергенерационной), с которыми можно было бы справиться в раннем или молодом возрасте, могут вновь проявляться у пожилых людей; это явление называют “поздним началом стрессовой симптоматики”[16]. Проявление ПТСР в пожилом возрасте чаще всего возникает у ветеранов войн. Поскольку ветераны составляют заметную часть мужского населения пожилого возраста, связанные с войной расстройства называют “скрытой переменной” в исследованиях старения. Например, в 1996 году 76 % мужчин в возрасте 70–74 лет были ветеранами войны; конечно, это не постоянный показатель – очень много солдат воевало во Второй мировой, в Корее и во Вьетнаме, – но доля населения, пережившего травматический опыт, вновь увеличилась после сентябрьских событий 2011 года. Если мы будем игнорировать поздние проявления травмы или возникновение ПТСР в пожилом возрасте, мы потеряем часть общей картины. Какие-то регуляторные механизмы, подавлявшие реакции типа ПТСР на ранних этапах жизни, могут ослабевать с возрастом, но позднее реакции проявляются вновь, что может указывать на наличие эпигенетических механизмов.
Прежде чем углубиться в биологию этих процессов, нужно признать очевидную проблему. До сравнительно недавнего времени эпигенетика имела скверную репутацию в связи с некоторыми историческими и политическими обстоятельствами. С одной стороны, у нас есть генетика Менделя, Дарвин и естественный отбор – явные победители в истории науки; с другой стороны, есть дискредитированная теория адаптации – советское коммунистическое устремление покончить с превалирующей идеей генетического наследования, приведшее к падению урожайности и голоду.
Имя французского натуралиста Жан-Батиста Ламарка (1744–1829) связывают с представлением о том, что наблюдаемые характеристики животных объясняются физическими изменениями в их организме на протяжении жизни, которые передаются потомству, – наследованием приобретенных признаков. Для иллюстрации этого явления часто в пример приводят шею жирафа, которая позволяет животному дотягиваться до листьев на верхушках деревьев. Говоря откровенно, некоторые идеи Ламарка были искажены со временем. Он был не первым, кто предложил такую модель наследования, однако его имя, возможно, чаще других ассоциируется с идеей, что опыт или нужды животного могут отражаться на его потомках. Понятно, что для реализации этого принципа соответствующие изменения должны передаваться через клетки зародышевой линии, даже если речь идет только о соматических признаках взрослой особи; но, учитывая наши знания о генетике, это предположение кажется натянутым. В ответ на эту гипотезу Август Вейсман (1834–1914) предположил, что существует некий барьер (теперь его так и называют барьером Вейсмана), предотвращающий перенос изменений в соматических клетках в клетки зародышевой линии, что обеспечивает непрерывность характеристик клеток зародышевой линии и относительное постоянство фенотипов при смене поколений. (Именно Вейсман первым предположил, что старение вызвано эволюционным давлением, направленным на освобождение популяции от старых животных, – “альтруистическое старение”, а позже выдвинул идею, что старение программируемо.)
Возражения против гипотезы трансгенерационного наследования у человека
Прежде чем мы начнем разбираться в механизмах, лежащих в основе трансгенерационного наследования, важно упомянуть об определенном скептицизме, который сохраняется в отношении концепции трансгенерационного эпигенетического наследования травматического опыта у человека и даже в отношении экспериментов на мышах в качестве модели трансгенерационного наследования травматического опыта. Директор Европейской молекулярно-биологической лаборатории и Европейского института биоинформатики Эван Бирни и нейробиолог и автор книги “Врожденный” Кевин Митчелл аргументированно объясняют, что многие исследования последствий “голодной зимы” в Голландии и “исторической травмы”, о которых я упоминала выше, имеют некоторые недостатки: они проведены на очень небольшой выборке данных и при недостаточном статистическом контроле, что снижает достоверность данных, несмотря на чрезвычайно интересные предположения[93]. Конечно же, в исторических исследованиях это трудно исправить, поскольку количество “участников” априори ограничено. Например, в известном историческом наблюдении за жителями Эверкаликса в Швеции и их детьми и внуками была проанализирована связь между доступностью пищевых продуктов и уровнем смертности. По результатам исследования сообщалось о сложных и специфических для каждого пола связях между ИМТ, курением и питанием, что, по предположению авторов, подтверждало идею трансгенерационного наследования и родительского импринтинга, особенно в определенные периоды жизни. Однако Митчелл замечает, что в исследовании не было ведущей гипотезы, в исходную группу входило всего 317 человек и альтернативные гипотезы не были проанализированы, так что теперь непонятно, можно ли верить этим результатам.
Митчелл указывал, что не только эпидемиологические или исторические данные по трансгенерационному наследованию страдают от недостаточной статистической значимости; этим же грешили и некоторые экспериментальные исследования на млекопитающих, предпринятые с целью создания модели трансгенерационного наследования стресса. В частности, он показывает, что работа Изабель Мансуй с соавторами, озаглавленная “Эпигенетическая передача влияния раннего стресса через поколения”, на самом деле являет собой пример “выуживания” данных и концентрируется лишь на одном результате, едва-едва достигающем порога значимости, и не включает проверку различных гипотез. Митчелл указывает на аналогичные недостатки и в другой статье, выпущенной той же группой исследователей (“Роль РНК сперматозоидов в трансгенерационном наследовании влияния ранней травмы у мышей”), в которой была предпринята попытка теоретического моделирования некоторых упомянутых выше эффектов “исторической травмы”. Неприятно, что работа недостаточно обоснованна, поскольку нам важно проверить эти концепции в генетически контролируемых модельных системах, что позволило бы выявить молекулярные механизмы в основе этих процессов.
Понятно, что исследования на людях в реальном мире имеют ограничения ввиду небольшого числа участников, отсутствия контроля внешних условий и т. д., и задача экспериментов на мышах как раз и заключается в том, чтобы преодолеть подобные ограничения и проверить гипотезы на статистически значимом объеме материала. Я активная сторонница использования модельных систем и не могу оправдать слабые работы; для проверки модели трансгенерационного эпигенетического наследования нам нужно опираться на данные более высокого качества. Поэтому я сосредоточу внимание на экспериментах, выполненных на червях и дрозофилах, а также на экспериментах с мышами, которые кажутся более обоснованными. Конечно, исследования, проведенные на растениях и различных многоклеточных животных, в том числе на дрозофилах, бабочках, нематодах, дафниях и ящерицах, подтверждают, что предположения Ламарка не выдумка, однако данные для млекопитающих требуют более надежных и статистически значимых доказательств, чем были получены до сих пор в некоторых исследованиях на мышах и на людях.
Предположение о возможности наследования усвоенной информации (в данном конкретном случае – условного рефлекса) было проверено Иваном Павловым – тем самым Павловым, который экспериментировал с собаками, мясом и слюной. Он проверил эту гипотезу на мышах, а позднее другие исследователи пытались продемонстрировать наследование усвоенной информации разными путями, но недостаточно успешно. Поначалу казалось, что условный рефлекс может наследоваться (Уильям Макдугал, 1930), но потом эти выводы были опровергнуты (Фрэнсис Крю, 1932), да и Павлов позже тоже отказался от своих результатов в этой области. В начале XX века были проведены и другие эксперименты, призванные доказать наследование опыта, усвоенной информации и условных рефлексов у разных животных (таких как морские свинки, золотые рыбки, кролики, крысы, мотыльки и мыши), но результаты по большей части оказались неубедительными и небезупречными. Поэтому считалось маловероятным, что реакция на внешние условия (например, тепло или влажность) или на усвоенную информацию может наследоваться. Более поздние данные Диас и Ресслер о том, что мыши могут передавать потомству по наследству чувство страха, связанное с обонятельным опытом (2014 год), тоже были восприняты неоднозначно, поскольку, как и раньше в отношении работы Мансуй, Кевин Митчелл выразил сомнение насчет достоверности этих данных ввиду их слабой статистической значимости. В целом генетические эксперименты сильно дискредитировали “ламарковское” представление о том, что пережитый опыт может влиять на наследуемые признаки. Принципы наследования по Менделю гораздо лучше подтверждались в экспериментах, особенно в работе Томаса Ханта Моргана с дрозофилами, в которой было доказано, что наследование определяется хромосомами.
В наши дни кажется странным обсуждать политические аспекты этих двух точек зрения, поскольку теперь нам известны молекулярные компоненты самих систем и кое-что о том, как они работают (см. ниже). Однако дискуссии начались в конце 1800-х и в начале 1900-х годов, когда еще не был известен и изучен носитель генетической информации, так что эти биологические вопросы имели философский аспект. В контексте того времени ситуация выглядела следующим образом. Было принято считать, что фактором наследственности являются белки, покрывающие хромосомы, поскольку белки имеют сложное строение, а ДНК слишком простая и однообразная, и поэтому утверждалось (понятное дело!), что только белки могут кодировать такую сложную информацию, которая необходима для наследования признаков. Только в 1928 году Фредерик Гриффит показал, что “трансформирующим принципом” должен быть компонент, способный переносить нагревание (следовательно, не белок), и тем самым дал основание предполагать (но не доказал), что фактором наследственности является ДНК. В 1944 году Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклеод смогли очистить ДНК и показать, что именно она с наибольшей вероятностью и есть этот фактор. И лишь в 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз провели эксперименты с радиоактивными белками и ДНК и доказали, что именно ДНК составляет материал наследственности.
Пожалуй, не так уж странно, что в обстановке первых десятилетий XX века именно эти открытия вызывали значительный интерес на фоне потери интереса к концепции наследования Ламарка – кроме как в СССР, где идеи неоламаркизма расцвели в результате негативного отношения Сталина к генетике, которую он считал враждебной коммунистической идеологии. Сторонникам сталинской модели коммунизма был ближе ламаркизм, поскольку он предполагал возможность контролировать предназначение индивидуума (и, как я полагаю, также его потомков?), а принципы генетики таили в себе угрозу, поскольку из них вытекало, что каждый живет с тем, что унаследовал; генетика считалась “буржуазной” наукой. Во избежание противоречия с коммунистическими идеалами генетиков и эволюционных биологов изгоняли из советской науки: смещали с должностей, сажали в тюрьмы и даже уничтожали физически. (Прежде чем воспылать гордостью за американскую науку и политику и очевидные чудеса генетики, вспомним, что некоторые американские генетики в этот период поддерживали мрачные принципы евгеники. По крайней мере, генетик Томас Хант Морган, работавший с дрозофилами, выступал критиком евгенического направления. А в штате Теннесси в 1925 году проходил “Обезьяний процесс”[94], так что и на Западе Дарвин одержал победу не полностью.) В результате сталинских нападок на генетику все биологические исследования в СССР проходили под знаменами ламаркизма. Пиком этого идеологического наступления стало ужасающее и приведшее к голоду снижение урожайности, вызванное деятельностью главного сталинского биолога Трофима Лысенко. Лысенко настаивал, что растения и их потомки могут гибко реагировать на экстремальные условия температуры и влажности (так называемое стадийное развитие) и, следовательно, должны уметь переживать сильные холода за счет процесса яровизации (семена помещали в чрезвычайно холодные условия, и развивавшиеся из них растения должны были наследовать холодоустойчивость), однако вместо того чтобы проверить свою гипотезу, он рванул сломя голову вперед и привел в действие эти принципы в массовом масштабе. К сожалению, выдержка семян в зимнем холоде, обработка кислотой или наждачной бумагой не делали их устойчивее, а просто убивали. Лысенко внес некоторый вклад в изучение растений, но его влияние на советскую науку, “лысенковщина”, привело к сельскохозяйственной “революции”, уничтожившей посевы зерновых и вызвавшей массовый голод в 1930-е годы[17][95]. Эти же сумасшедшие идеи в области сельского хозяйства в конце 1940-х годов достигли Китая, что в итоге обернулось Великим голодом (1959–1961), о котором я уже упоминала.
Так что понятно, почему идея о негенетических механизмах наследования теряла привлекательность по мере того, как мы все лучше понимали функции ДНК и законы передачи генетической информации. Однако следует отметить, что как минимум один биолог смог разглядеть будущее эпигенетики еще до установления структуры ДНК. Барбара Макклинток в качестве модельного организма использовала кукурузу и не только открыла мобильные генетические элементы (транспозоны, см. ниже) и экспериментальным путем доказала справедливость теории Томаса Ханта Моргана о генетической рекомбинации за счет кроссинговера (1931 год), но также первой указала на возможность экспрессии или сайленсинга генов в процессе митоза (а это эпигенетический механизм). Позднее стало ясно, что детальный анализ действительно позволяет найти примеры наследуемых изменений, происходящих без модификации последовательности ДНК. И некоторые ученые считают, что эпигенетические механизмы являются причиной “недостающей наследуемости” – таких проявлений, которые трудно объяснить генетикой Менделя, особенно в случае сложных фенотипов. Хотя за регуляцию механизмов старения в наибольшей степени отвечает генетика, эпигенетика – модификация генома, приводящая к наследуемым изменениям без изменения последовательности ДНК, – тоже играет важную роль. Мы до сих пор не знаем, могут ли условия или опыт, изменившие хромосомы бабушек и дедушек, повлиять на продолжительность жизни внуков, но исследования с применением модельных систем показывают, что это не исключено. Обнаружение эпигенетических маркеров, связанных с продолжительностью жизни, поможет выявить механизмы для устранения маркеров малой продолжительности жизни и улучшить здоровье.
Я уже привела много примеров эпигенетических механизмов и их возможного влияния на старение человека, но как это реализуется на клеточном уровне? Каковы возможные молекулярные механизмы эпигенетических явлений? Как анализировать передачу информации от одного поколения другому и как старение влияет на эти молекулярные события – или как они сами влияют на старение?
Чтобы понять и проверить, как события, вызвавшие “историческую травму”, могут сказываться в долгосрочном плане и передаваться следующим поколениям, нужно идентифицировать молекулярные механизмы этих процессов и, если возможно, проверить их действие в модельных системах. В ранних работах с растениями еще в 1915 году Бейтсон и Пелью сделали некоторые наблюдения, свидетельствующие о наличии эпигенетических механизмов наследования (например, появление “нестандартных” семян гороха), а известный афроамериканский эмбриолог Э. Э. Джаст в 1930-е годы тоже выдвигал идеи об эпигенетических механизмах наследования[18].
За последние десятилетия было открыто несколько типов эпигенетических регуляторных механизмов. На сегодняшний день известны такие механизмы эпигенетической регуляции, как подвижные генетические элементы, метилирование ДНК, модификация гистонов (белков, необходимых для упаковки ДНК) и экспрессия различных некодирующих РНК. Мы можем не только проверить, как эти механизмы задействованы в трансгенерационном наследовании опыта, но и проанализировать, не изменяются ли они с возрастом и как регулируют продолжительность жизни.
В 1940-е годы в процессе изучения генетики кукурузы в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор Барбара Макклинток впервые обнаружила в геноме мобильные элементы (фрагменты ДНК, которые могут “прыгать” с места на место, перемещаясь по геному) и установила их функцию. С конца 1920-х годов она изучала генетическую рекомбинацию и цитогенетику[19] и в 1950-м объявила о существовании хромосомных элементов, которые могут “транспортироваться” в разные участки последовательности и влиять на физические характеристики организма; и эти изменения могут передаваться из поколения в поколение, что является примером эпигенетического наследования. К сожалению, работа Макклинток с транспозонами поначалу встретила немалое сопротивление научного сообщества, и она перестала публиковать статьи на эту тему[20] (замечательно, что она выполнила эту работу как раз перед тем, как была открыта структура ДНК). Однако ее блестящее открытие было признано позднее, и в 1983 году Барбара Макклинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие мобильных генетических элементов. В 1960-е годы другие исследователи наблюдали похожие события и обнаружили аналогичные мобильные элементы в самых разных организмах – от бактерий и дрожжей до дрозофил и человеческих клеток. Выбор кукурузы в качестве модельной системы в исследованиях Макклинток был особенно удачным (или мудрым), поскольку почти 90 % генома кукурузы образовано такими элементами. На самом деле почти половина нашего генома тоже состоит из них, хотя в популярной литературе эти последовательности часто называют “мусорной ДНК”.
Транспозоны обычно считают “геномными паразитами”, которые должны подвергаться сайленсингу, предотвращающему их нежелательное встраивание. Возможно, это одна из причин возникновения эпигенетических механизмов сайленсинга, таких как интерференция РНК (создание двунитевых РНК, приводящих к разрушению мРНК) и пиРНК (очень маленьких молекул РНК, гасящих экспрессию транспозонов). Иногда сайленсинг может играть негативную роль, если распространяется за пределы транспозона и отключает экспрессию соседних генов, которые должны оставаться активными. Однако мы должны быть благодарны мобильным элементам за то, что мы существуем, поскольку они с большой вероятностью играли роль в эволюционной адаптации, включая формирование видов. Судя по всему, именно мобильные элементы, в частности эндогенные ретровирусы, ответственны за эволюцию плаценты в результате модуляции транскрипционных сетей в тканях, образующих зону контакта между телом матери и плодом[21]. Так что мобильные элементы – это не зло, однако их нерегулируемая активация может вызывать проблемы. Влияние активации транспозонов на здоровье человека стало более очевидным, когда мы поняли, что некоторые из них, такие как длинные диспергированные повторы (long interspersed element-1, или LINE-1), активированы и способствуют мутациям при раке и некоторых других заболеваниях, таких как гемофилия, мышечная дистрофия и иммунодефициты.
С возрастом механизмы сайленсинга транспозонов нарушаются, и транспозоны начинают экспрессироваться аномальным образом. Возрастной эпигенетический и эпигеномный дрифт изменяет функцию клеток в результате изменения нормальной регуляции экспрессии, но, кроме того, перемещение этих фрагментов ДНК может создавать двунитевые разрывы в ДНК, что, конечно же, очень плохо для клеток. Особенно чувствительны стареющие клетки. Недавно Джон Седиви, Джилл Крейлинг (Брауновский университет) и другие исследователи показали, что транспозоны активируются с возрастом, особенно в стареющих клетках[22]. При активации ретротранспозонов запускается иммунный ответ интерферона 1 типа, опосредованный ДНК (кДНК), комплементарной к LINE-1. Эта аномальная возрастная реакция, названная инфламмейджингом, отчасти объясняет, какую опасность стареющие клетки представляют для окружающих здоровых клеток. К счастью, этот иммунный ответ можно остановить путем ингибирования фермента, участвующего в синтезе кДНК, – обратной транскриптазы LINE-1. У мышей, которым вводили этот ингибитор, во многих тканях наблюдалось ослабление инфламмейджинга. По-видимому, ограничение калорийности питания также ослабляет аномальную возрастную активацию ретротранспозонов, что дополнительно подтверждает пользу ограничения калорийности питания для старых животных.
Аномальная активация ретротранспозонов может вызывать и ускорять вырождение нейронов и вносить вклад в повышение внутриклеточной токсичности. Из работы Джоша Дубнау (Университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук) следует, что активация ретротранспозонов у дрозофил способствует распространению токсического действия[23]. Ретротранспозон Gypsy может вызывать повреждения ДНК, способствуя распространению токсичности от глии к нейронам. В глиальных клетках дрозофил, в которых происходит экспрессия белка TDP43, ассоциированного с боковым амиотрофическим склерозом, активация ретротранспозонов благоприятствует не только гибели этих клеток, но также распространению токсического действия на соседние нейроны, что нарушает их функцию. Мы пока не знаем, передается ли токсичность посредством сигнального механизма или за счет перемещения самого белка, однако это еще один возможный эпигенетический механизм возрастного вырождения нейронов.
Если распространение токсичного белка из клетки в клетку кажется вам чем-то из разряда научной фантастики, знайте, что именно эта концепция лежит в основе прионной теории заболеваний: белок может принимать токсическую форму и заставляет соседние белки делать то же самое, что приводит к их агрегации. Прионы можно считать еще одной формой эпигенетической регуляции, поскольку в геноме закодирован один белок, который может иметь либо нормальную форму, либо токсичную, инфекционную, индуцирующую такие же изменения в соседних белках. К прионным болезням относятся почесуха у овец, болезнь Крейтцфельдта – Якоба, фатальная семейная бессонница, куру и “коровье бешенство” (другое название – бычья губчатая энцефалопатия). Особую опасность они представляют при передаче от животных одного вида животным другого вида, как в случае “коровьего бешенства”. Было высказано (но пока не доказано) предположение, что некоторые возрастные нейродегенеративные заболевания вызваны распространением и агрегацией белков типа прионов[24]. Бета-амилоид и тау-белок, связанные с болезнью Альцгеймера, образуют соответственно волокна амилоида и нейрофибриллярные клубки и, возможно, претерпевают агрегацию такого типа.
Понятно, что мы воспринимаем прионы как зло, поскольку наши знания о них связаны с заболеваниями, однако тот факт, что они существуют в самых разных клетках и организмах, свидетельствует о наличии у них какой-то клеточной функции. Например, некоторые прионы дрожжей, возможно, способствуют адаптации к внешним условиям, когда требуется фенотипическое разнообразие, и, судя по всему, сохраняются при отборе[25]: если бы у этих белков не было полезной функции, они бы постепенно исчезли. Эпигенетические механизмы позволяют прионам передавать информацию из клетки в клетку негенетическим путем и при смене поколений. Недавно было показано, что дрожжевой ДНК-связывающий белок Snt1, действующий в составе гистондеацетилазного комплекса, может принимать прионоподобную конформацию, инфицировать другие клетки дрожжей и действовать по трансгенерационному механизму, активируя гены дрожжей путем активации хроматина[26]. Еще более удивительные данные, полученные для дрозофилы и моллюска Aplysia (A. californica, которого иначе называют морским зайцем и используют в экспериментах по изучению памяти), показывают, что прионы могли эволюционировать для участия в формировании долгосрочной памяти и длительной фасилитации нейронов, поскольку в этих процессах задействовано несколько синаптических белков в прионной форме[27]. Наличие регулируемого процесса образования прионов позволяет предположить, что, возможно, также существуют механизмы для “нормализации” токсической формы.
Один из главных эпигенетических маркеров хромосом – метилирование нуклеотидов в составе ДНК. Метильные группы присоединяются к пиримидиновому кольцу нуклеотида цитозина (буква C в последовательности ДНК, состоящей из A, T, G и C) с помощью фермента, что приводит к образованию 5-метилцитозина. Кроме того, метильные группы могут присоединяться к аденину (А), обычно у прокариотов (но не только). Метилирование цитозина часто происходит в динуклеотидной последовательности CpG[96], и это полезный инструмент для изучения различий в метилировании в процессе развития, при раке и при старении, поскольку изменение в метилировании может в значительной степени влиять на экспрессию генов и, следовательно, на путь развития клетки[28]. Мечение нити ДНК метильными группами позволяет клетке отличать свое от чужого и контролировать экспрессию генов. Сайленсинг транспозонов тоже осуществляется с помощью метилирования, как в случае дополнительной X-хромосомы в женском организме; важен характер метилирования и для импринтинга на ранних стадиях развития. Метилирование ДНК в области промотора гена может предотвращать транскрипцию этого гена, а метилирование внутри последовательности гена изменяет характер сплайсинга РНК, так что даже при сохранении кода ДНК результат бывает разным. Важно, что процесс обратим за счет реакции деметилирования, то есть он подвергается регуляции.
Эпигенетическое программирование играет очень важную роль у эусоциальных насекомых, у которых имеет место кастовое разделение функций (матка, рабочие особи, сборщицы, кормилицы и др.), как у медоносных пчел и муравьев. У всех особей этих видов одинаковый геном, но, вероятно, различие в метилировании ДНК играет ключевую роль в определении их функции в колонии. Например, в одном из моих любимых исследований пчел-кормилиц удалили из улья “хитростью”, пока отсутствовали пчелы-сборщицы. Когда сборщицы вернулись в улей, они переключились на функцию кормилиц, поскольку пчелы-кормилицы исчезли[29]. Далее исследователи проанализировали участки ДНК с разным профилем метилирования, сравнивая кормилиц, обычных сборщиц и сборщиц, превратившихся в кормилиц. Анализ показал, что различия в экспрессии генов в результате метилирования ДНК в основном связаны с альтернативным сплайсингом, который приводит к появлению разных версий (изоформ) этих генов.
Мы пока не очень хорошо понимаем биологическую роль метилированной ДНК в процессе старения на функциональном уровне, однако метилированная ДНК является полезным биомаркером старения. В революционной статье единственного автора – математика и биолога из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Стивена Хорвата – говорится о том, что метилирование всего лишь 353 участков во всем геноме грубо коррелирует с возрастом человека и может его предсказывать[30]. Сейчас в открытом доступе много информации о метилировании ДНК, поскольку эти данные используются в исследованиях рака; Хорват брал в качестве контроля ДНК здоровых людей. Применив технику машинного обучения, чтобы проанализировать данные для разных тканей людей разных возрастов, он выявил набор участков метилирования, которые наилучшим образом коррелируют с возрастом. На чипах Illumina содержится более 21 тысячи участков с последовательностью CpG, но для предсказания возраста достаточно проанализировать лишь 353 участка. Одни ткани лучше подходят для такого анализа, другие – хуже (а сперматозоиды не подходят вовсе), и предсказательная модель лучше работает на подростках, чем на взрослых людях, но и для взрослых разрешение метода достаточно высокое, чтобы делать неплохие предсказания. Наглядно демонстрируя возможности метода, Хорват показал, что у людей, доживших до 100 лет, метилирование ДНК происходит реже, а у больных с прогерией Вернера – чаще, так что эти участки метилирования можно считать “эпигенетическими часами старения”. Интересно, что при перепрограммировании клеток и их превращении в индуцированные плюрипотентные клетки происходит перезапуск этих часов, что еще раз подтверждает тезис Вейсмана об изначальности стволовых клеток. Одновременно с Хорватом другая исследовательская группа предложила свой метод предсказания возраста на основе метилирования ДНК, так называемые часы Ханнум, с использованием цельной крови[31]. После выхода этих статей в 2013 году были разработаны часы для анализа возраста мышей, поскольку человеческие часы работали только в тканях человека и приматов (биологический смысл этого явления пока не ясен). Теперь появились новые часы, которые лучше отражают биологический возраст и фенотипы старения и используются для изучения не только биологии, но и социально-экономических факторов, влияющих на эпигенетическое старение[32].
Морган Левин и Хорват анализировали характер метилирования ДНК, чтобы ответить на интересный вопрос: является ли быстрое старение причиной менопаузы или менопауза вызывает старение?[33] Для этого они следили за “ускорением старения”, иными словами, они проверили, не выглядит ли профиль метилирования ДНК в крови или слюне (“биологический возраст” женщины) так, как будто она старше своего хронологического возраста, и когда это начинает происходить. Чтобы избежать проблемы курицы и яйца (причины и следствия), они также анализировали факторы, которые могут ускорять или замедлять проявления менопаузы. Дело в том, что исходные данные по корреляции между менопаузой и ускорением старения не позволяют различить причину и следствие, поскольку у женщин, которые стареют быстрее, и менопауза может наступать раньше. Поэтому в исследование включили и женщин, подвергавшихся заместительной гормональной терапии (ЗГТ), которая может замедлять эффекты менопаузы, и женщин, перенесших хирургическое удаление яичников, способствующее более раннему наступлению менопаузы из-за отсутствия гормонов яичников. Выяснилось, что ЗГТ замедляет метилирование ДНК, ассоциированное со старением, а менопауза, вызванная хирургическим вмешательством, его ускоряет. Таким образом, Левин и Хорват с помощью анализа метилирования ДНК смогли ответить на вопрос о причинно-следственной связи между менопаузой и старением, на который раньше ответа не было. Хотя мы не знаем точно, как именно участки метилирования ДНК, которые наилучшим образом коррелируют с возрастом, связаны с биологией старения, все же это полезный инструмент для предсказания старения, с большим потенциалом для характеристики старения тканей. Без сомнения, этот подход будет использоваться в ближайшем будущем при разработке антивозрастных методов лечения, а некоторые тесты для определения молекулярного возраста уже существуют и доступны для тех, кого интересует их эпигенетический возраст.
Недавно вместо анализа метилирования ДНК было предложено применять секвенирование РНК отдельных клеток из субвентрикулярной зоны мозга мыши (где формируются нервные клетки) – с целью понять, можно ли использовать транскрипционную информацию как маркер биологического возраста. Исследователи из лабораторий Анн Брюне и Тони Висс-Кори в Стэнфорде использовали транскриптомы индивидуальных клеток от 28 мышей разных возрастов, от молодых до старых, и на основании этих данных построили хронологические и биологические часы[34]. С помощью этих часов они обнаружили характерные транскрипционные профили специфических типов клеток. Такую информацию гораздо легче интерпретировать, чем данные по метилированию ДНК, поскольку в последнем случае нам часто неизвестно, какие биологические проявления соответствуют метилированию специфических участков. Затем с помощью этих часов исследователи оценили эффективность нескольких видов омолаживающей терапии, гетерохронического парабиоза и физических упражнений, чтобы понять, в какой степени эти факторы могут “обращать” ход транскрипционных часов. Хотя в техническом плане это не эпигенетические исследования, я упоминаю о них, поскольку верю, что транскрипционные часы индивидуальных клеток более информативны, чем часы на основе метилирования ДНК, и сыграют важную роль в нашем понимании старения и методов омоложения.
Хромосомы – не просто голые нити ДНК, плавающие в клетках; вообще говоря, свободно плавающая ДНК в клетках бы просто не поместилась. Наша ДНК настолько длинная, что ее хватило бы, чтобы протянуть до Солнца и обратно более 300 раз[97]! Однако она имеет компактную структуру, поскольку обернута вокруг белков, называемых гистонами, а эти гистоны в виде октамеров организованы в нуклеосомы, которые на электронных микрофотографиях напоминают бусины на ниточке. Эту структуру впервые в 1970-е годы обнаружили супруги Дон и Ада Олинс[35]. Упаковывание ДНК в нуклеосомы и ее распаковывание играет важнейшую роль в процессе экспрессии генов, и считается, что “код” регуляции экспрессии генов определяется модификацией гистонов, в частности метилированием и ацетилированием специфических аминокислотных остатков, особенно лизина. Недавно были открыты и другие способы модификации, например серотонилирование глутамина в гистоне H3 серотонинергических нейронов, позволяющее еще точнее настраивать регуляцию экспрессии[36]. Мы пока не знаем всех тонкостей этого кода, но в целом некоторые модификации связаны с подавлением экспрессии, а некоторые – с ее активацией. Лучше всего исследовано ацетилирование лизина 27 в гистоне H3 (H3K27ac) в области активных энхансеров, а также триметилирование лизина 4 в гистоне H3 (H3K4me3) в промоторных областях генов.
Модификация гистонов может изменяться с возрастом, что влияет на экспрессию генов. Вообще говоря, такие изменения модификации гистонов признаны одним из главных и консервативных маркеров старения и обнаружены у дрожжей, червей, мух и млекопитающих. Возрастные изменения в модификации гистонов выражаются в отсутствии согласованности, что усиливает вариации и “эпигенетический дрейф”, который, в свою очередь, влияет на экспрессию генов[37]. Изменения экспрессии генов в результате изменений модификации гистонов сказываются на функции клеток и систем организма. Например, прекращение нормальной экспрессии генов метаболизма на клеточном уровне в старости приводит к нарушению метаболического гомеостаза[38]. На системном уровне эти возрастные изменения могут вызывать воспаление – и это еще одна причина инфламмейджинга. Код гистонов, как и метилирование ДНК, позволяет определить возраст, и этот маркер можно использовать для предсказания возрастных транскрипционных изменений у многих видов организмов, включая человека, крысу и киллифиш[39].
Модификации гистонов влияют на регуляцию продолжительности жизни: потеря белка ASH-2 из группы trithorax, входящего в комплекс триметилирования гистона H3K4 (ASH-2, WDR-5, SET-2), увеличивает продолжительность жизни, действуя через клетки зародышевой линии C. elegans и регулируя продолжительность жизни соматических клеток[40]. Аналогичным образом снижение уровня гистондеметилазы UTX-1, специфичной по отношению к лизину 27 в гистоне H3 (H3K27me3), увеличивает продолжительность жизни C. elegans за счет активации пути DAF-16/ FOXO[41], однако в ином контексте усиление экспрессии UTX-1 и других регуляторов метилирования гистонов продлевает жизнь[42].
Но самое удивительное, что эти изменения модификации гистонов могут влиять на продолжительность жизни нескольких поколений (так называемое трансгенерационное эпигенетическое наследование, ТЭН), и последствия этого одновременно восхищают и пугают[43]. В лаборатории Анн Брюне в Стэнфорде было установлено, что черви C. elegans с мутациями комплекса COMPASS, отвечающего за модификацию гистонов H3K4me3, не только сами живут дольше, но и их потомство генетически дикого типа от скрещивания с червями дикого типа тоже живет дольше, а это истинный пример эпигенетического наследования долгожительства. Увеличенная продолжительность жизни сохраняется на протяжении четырех поколений, а в пятом поколении (F5) срок жизни возвращается к норме. Кроме того, исследователи из лаборатории Брюне обнаружили эпигенетическое влияние комплекса COMPASS на регуляцию метаболизма жиров, которое тоже продолжалось несколько поколений, а потом исчезало. Иными словами, потеря активности комплекса COMPASS приводила к продлению жизни через регуляцию метаболизма мононенасыщенных жирных кислот, что можно имитировать путем добавления в пищу жирных кислот[44]. Важно отметить, что все эти результаты были вызваны потерей регуляторов модификации гистонов либо за счет мутации, либо за счет РНК-интерференции, так что в дикой природе эти маркеры, скорее всего, переустанавливаются в каждом следующем поколении. На самом деле мутанты wdr-5 становятся долгоживущими только через много поколений, и этот эффект можно имитировать путем устранения деметилазы JHDM-1, активной в отношении гистона H3K9me2. Это позволяет предположить, что у мутантов эффект вызван распространением гетерохроматина[45]. Перезагрузка эпигенома важна для сохранения клеток зародышевой линии в первозданном виде, поэтому не удивительно, что организмы изо всех сил стараются сохранять эти маркеры, даже если их потеря иногда способствует продлению жизни животного.
Кроме матричной РНК (которая транскрибируется с последовательности ДНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность белка), в клетке существует несколько видов “некодирующих” молекул РНК. Они могут быть длинными (днкРНК) или короткими (микроРНК и малые РНК), и каждая из них играет в клетке специфическую роль. МикроРНК обычно выполняют репрессивную функцию и либо блокируют трансляцию мРНК, либо предотвращают транскрипцию. Впервые они были обнаружены (естественно, у червей, исследователями из групп Эмброса и Равкана[98]) благодаря их специфической функции в регуляции развития[46]. МикроРНК участвуют в регуляции продолжительности жизни, например, за счет взаимодействия с компонентами сигнальных путей инсулина и FOXO[47]. Иногда регуляция микроРНК нарушается при раке и других заболеваниях и у многих организмов изменяется с возрастом[48]. Длинные некодирующие РНК присутствуют в клетках в большом количестве, но изучены хуже; они также играют роль в регуляции транскрипции и посттранскрипционной модификации мРНК. Они взаимодействуют с теми же комплексами ремоделирования хроматина, которые имеют эпигенетическую функцию, и участвуют в регуляции теломер.
Чтобы напрямую сравнить результаты “голодной зимы” в Голландии с аналогичной ситуацией для C. elegans, нужно изучить потомков голодавших особей[49]. Черви великолепно переживают условия с недостаточным количеством пищи, но голодание на определенных этапах жизни вызывает у них остановку развития – не только уже известную вам диапаузу, но также остановку в фазе L1 и даже “репродуктивную диапаузу” взрослых особей[50]. Вообще говоря, голодание может оказывать трансгенерационное действие: внуки голодавших червей лучше переносят голодание, а устойчивость к нагреванию может распространиться еще на одно поколение, что напоминает результаты с продлением жизни при мутации белков COMPASS, только в естественном контексте голодания[51]. Ключевую роль в некоторых подобных трансгенерационных эффектах играют малые РНК. Был проведен анализ эндогенной малой РНК молодых червей, которые либо голодали, либо нормально питались на ранней личиночной стадии, и выяснилось, что, даже если их потомки в трех поколениях нормально питались, в поколении праправнуков (F3) значительная фракция малых РНК все еще находилась под влиянием усиленной или ослабленной экспрессии у прапрародителей[52]. Кроме того, эти малые РНК регулируют экспрессию генов, связанных с питанием и старением, и характер экспрессии тоже сохранялся вплоть до поколения F3. Наконец, праправнуки голодавших животных жили дольше. Подобно регуляции продолжительности жизни под действием белков COMPASS, сохраняющейся на протяжении нескольких поколений, долгожительство, вызванное голоданием и опосредованное малыми РНК, тоже сохраняется как минимум на протяжении трех поколений. Мы пока не знаем, изменяется ли эндогенная РНК человека в ответ на стрессовые условия и влияет ли это на продолжительность жизни и скорость старения, однако исследования на модели C. elegans позволяют выявить некоторые механизмы, которые полезно проанализировать.
Через несколько лет после получения собственной лаборатории я выступала с докладом на встрече стипендиатов Фонда Пью и рассказывала об экспериментах по анализу памяти и способности к обучению у червей и об использовании этих методов для выявления когнитивных нарушений. После моего доклада Крейг Мелло (который совместно с Эндрю Файером был удостоен Нобелевской премии за открытие РНК-интерференции) задал мне вопрос, который я себе еще не задавала: не может ли быть, что черви не только помнят что-то во взрослом возрасте, но и передают это следующему поколению? Я ответила, что не думаю, что черви способны помнить запах так долго, поскольку даже после многочисленных тренировок уже через день они забывали о связи запаха и пищи, а источник пищи совершенно точно исчезнет к моменту появления следующего поколения[99]. “Но, может быть, патоген?” Я задумалась и пожала плечами. Мы поговорили еще минуту, и я присоединилась к другим участникам встречи, начисто забыв об этом разговоре.
А что я должна была сделать, так это стремглав рвануть в лабораторию и немедленно начать работать над этим вопросом (запомните: в следующий раз, когда лауреат Нобелевской премии спросит вас о каком-то эксперименте, наверное, стоит заняться этим побыстрее). И только через шесть лет моя студентка Ребекка Мур, изучавшая влияние старения на патогенез, выполнила сумасшедший эксперимент для проверки этой гипотезы. Ее интересовало, не может ли воздействие патогенной для червей (и для человека) бактерии Pseudomonas aeruginosa (PA14) влиять на развитие потомков этих червей и их переход в диапаузу. Она уже установила, что потомки червей, находившихся под воздействием PA14 на протяжении 24 часов, впоследствии чаще переходят в альтернативное состояние диапаузы, чем потомки контрольных матерей, и этот эффект сохранялся на протяжении нескольких поколений. Однажды в беседе с Ребеккой мы решили посмотреть, не может ли быть, что черви, развитие которых и переход в диапаузу она изучала (и матери которых несколькими днями ранее в течение суток находились в контакте с Pseudomonas), уже при первой встрече с патогеном знают, что его нужно избегать. Иными словами, преодолевают ли дети матерей, заболевших после контакта с Pseudomonas, свое естественное притяжение к этой бактерии? Из работ Юнь Чжан и Кори Баргман мы уже знали, что червям нравится запах Pseudomonas (поскольку это хороший источник пищи при низкой температуре), но после четырех часов пребывания на чашках с бактерией они заболевают и обучаются избегать контакта с ней в дальнейшем[53]. Исследователи из лаборатории Баргман проверили эту гипотезу с червями, обучавшимися на протяжении четырех часов, но эффекта в следующем поколении не обнаружили[54]. Однако когда Ребекка проанализировала поведение потомства червей, тренировавшихся 24 часа, к нашему удивлению, оказалось, что они избегают встречи с Pseudomonas! Иными словами, хотя эти конкретные животные никогда не видели бактерию раньше и никогда не болели, они знали, что ее следует избегать, поскольку их матери усвоили, что ее следует избегать. Еще удивительнее, что их потомство и еще два поколения после них также уклонялись от встречи с Pseudomonas, хотя в прямой контакт с патогеном вступали только их прапрабабушки. И только через пять поколений после контакта с патогеном к червям вновь возвращался природный интерес к этой бактерии. Таким образом, судя по всему, черви научились избегать контакта с патогенной бактерией и передали эту информацию своим потомкам на четыре поколения вперед – а это истинный трансгенерационный процесс[55].
Хотя Август Вейсман выдвинул несколько очевидных оснований, почему этого не может быть, тот факт, что взрослые черви обучались избегать контакта с Pseudomonas и каким-то образом передавали информацию через клетки зародышевой линии, доказывает, что такое возможно. Так как же это происходит? И действительно ли этот механизм отменяет правила, сформулированные Вейсманом? Ребекка Мур и Рейчел Калецки смогли нащупать основные элементы этого пути с помощью логики и многочисленных экспериментов. Тренируя мутантов на распознавание Pseudomonas и проверяя затем их способность избегать этой бактерии и передавать полученное знание своему потомству, Мур и Калецки систематическим образом проверили роль генов, связанных с функцией нейронов, клеток зародышевой линии, РНК-интерференции и комплекса COMPASS. Удивительно, что для проявления эффекта требовались все эти системы. Кроме того, исследователи обнаружили, что при контакте с PA14 происходило изменение многих пиРНК, так что они проверили еще и путь с участием пиРНК и установили, что он тоже задействован в процессе[56].
Воспроизводя в какой-то степени классический эксперимент Эвери, Маккарти и Маклеода, Калецки и Мур разделили бактерию Pseudomonas на отдельные компартменты, чтобы найти в ней “трансформирующий элемент”: иными словами, они попытались установить, что именно черви должны поглощать, чтобы “понять”, что это патогенный организм, и влияет ли это на информацию, передаваемую следующему поколению. Наша первая гипотеза заключалась в том, что черви чувствуют какой-то бактериальный метаболит, однако выяснилось, что супернатант клеток (жидкая фракция, где должны находиться секретируемые вещества) не оказывает никакого действия. Ответственность лежит на малых РНК, которые Pseudomonas производит только в вирулентных условиях: инъекции малых РНК, выделенных из патогенного штамма PA14 и введенных в непатогенные клетки E. coli (обычная безвредная пища червей в лабораторных условиях), заставляли как матерей, так и их потомство (опять-таки вплоть до четвертого поколения) избегать патогена, хотя черви даже не заболевали[57]. Применив некоторые дополнительные методы генетики и геномики, мы установили, что одна только малая РНК Pseudomonas под названием P11 (она пока не охарактеризована, но, судя по всему, требуется для проявления вирулентности штамма PA14 и, возможно, для метаболизма азота) полностью отвечает за умение избегать патогена и передачу этой информации трансгенерационным способом потомкам вплоть до пятого поколения (F5). Последний элемент пазла был найден при анализе последовательности P11 – в ней содержится участок из 17 нуклеотидов, который идеально совпадает с последовательностью гена maco-1, экспрессирующегося в нейронах. Кроме того, экспрессия maco-1 снижается в присутствии Pseudomonas, а мутация maco-1 в целом имитирует воздействие на червей последовательности P11[58]. Таким образом, программа запускается при поглощении червями малой РНК P11, а результатом оказывается модуляция активности нейрона, который решает, привлекают ли червя бактерии Pseudomonas или отталкивают.
Между этими стадиями, происходящими соответственно в кишечнике и в нейронах, процесс осуществляют клетки зародышевой линии; они играют ключевую роль в усвоении способности избегать Pseudomonas без нарушения правил, установленных Вейсманом. Мы считаем, что амплификация малых РНК происходит именно в клетках зародышевой линии и именно здесь происходит взаимодействие с пиРНК и P-гранулами – гранулами в клетках зародышевой линии, где осуществляется процессинг малых РНК. Это отчасти (но не полностью) объясняет, каким образом информация передается четырем следующим поколениям: если малые РНК амплифицируются в клетках зародышевой линии и этот пул амплифицированных продуктов превышает определенный предел, нейроны получают сигнал даунрегуляции maco-1, и мы видим, что животные научились избегать патогена. (Позднее мы предложили еще более хитрый механизм передачи этой информации от клеток зародышевой линии к нейронам и даже между индивидами, в котором задействован ретротранспозон Cer1, образующий капсиды, как у вирусов[59].) Остается открытым вопрос, с чем лучше согласуется этот механизм трансгенерационного наследования заученного поведения – с идеями Вейсмана или с идеями Ламарка: хотя мы обучаем взрослых животных усваивать поведение и этот процесс наследуется через поколения при участии клеток зародышевой линии, судя по всему, направление этого процесса (кишечник → клетки зародышевой линии → нейроны, а не нейроны → клетки зародышевой линии) не нарушает идею Вейсмана о барьере между клетками зародышевой линии и соматическими клетками, по крайней мере со стороны нейронов.
Зачем я рассказываю вам об этом причудливом механизме усвоения червями способности избегать патогена и какое это имеет отношение к (возможному) наследованию информации у человека или к старению? Прежде всего, животным полезно “изучить” патоген, которого следует избегать, и передача этого сигнала потомству в нескольких поколениях позволит потомкам научиться избегать источника пищи с манящим запахом, так что они смогут выживать на протяжении длительного времени, даже если им придется навсегда лишиться притягательной пищи. Поэтому, отвечая на вопрос Крейга Мелло, следует сказать, что память о патогене достаточно важна, чтобы передавать ее следующему поколению, даже если в результате будет меньше еды. (Недавно в работе с беременными мышами, инфицированными бактерией Yersinia pseudotuberculosis, было выдвинуто предположение, что потомство наследует иммунитет, опосредованный IL-6, – это пример интергенерационного иммунного ответа[60].) Как голодание может привести к наследованию животным фенотипа “экономного метаболизма”, так и наследование информации о патогенах и передача потомству информации, помогающей избегать патогена или бороться с ним в будущем, возможно, тоже неплохая идея. Кроме того, тот факт, что C. elegans может интерпретировать информацию, закодированную в малых РНК Pseudomonas, указывает на возможность передачи сигнала между царствами, то есть между разными типами организмов, а не просто на возможность ингибирования иммунной системы растений нападающими на них бактериями или вирусами. Поскольку черви могут “читать” малые РНК, синтезированные бактериями, а бактерии живут у нас в кишечнике, на коже и в других участках тела (см. главу 16 о микробиоте и старении) и мы имеем такой же молекулярный аппарат для реализации этого процесса, логично задать вопрос, не могут ли и человеческие клетки, подобно клеткам червей, читать транскриптом малых РНК бактерий, чтобы предупреждать нашу иммунную систему. И если это так, не способны ли люди кодировать информацию из малых РНК в клетках зародышевой линии и передавать ее следующим поколениям? Пока мы не знаем, но, как мне кажется, это стоит проверить.
Может показаться, что результаты наблюдений за беспозвоночными животными, особенно за червями, уникальны и, следовательно, к человеку не относятся, однако на самом деле в функционировании беспозвоночных и млекопитающих задействовано много одинаковых молекулярных механизмов, так что некоторые аспекты трансгенерационного наследования могут проявляться и у человека. И это одновременно пугает и радует. Вполне вероятно, что многие механизмы предназначены для “перезапуска” информации в клетках зародышевой линии в каждом следующем поколении, так что большая часть пережитых событий и подобной информации не передается потомкам. Но вдруг у нас, как у червей, существует некий порог, выше которого что-то все же передается: какой-то маркер, который не стирается, или малая РНК, которая не исчезает? Может быть, травма ингибирует нашу способность правильно передавать механизмы “перезапуска”, так что усвоенный опыт передается следующему поколению. Идентификация таких механизмов станет ключом к пониманию не только трансгенерационного наследования у червей, но и его функционирования (и возможного “перезапуска”) у высших организмов, таких как мы. Нам следует узнать, как опыт наших предков влияет на наше здоровье – от метаболизма до нейропсихиатрических нарушений. И мы наконец научимся стирать из нашей наследственной памяти следы стресса от голода или травмы.