Что, если Ламарк в чём-то прав? - О возможности наследования приобретённых признаков

1146163367_p0001.jpg @ www.infanata.org [кеш]

macroevolution.narod.ru

// Стил, Линдли, Бландэн. Что, если Ламарк прав?

 

Анализируя данные о строении и функционировании генов иммуноглобулинов, известные австралийские ученые высказывают гипотезу о том, что эволюция генов иммунной системы позвоночных могла осуществляться по Ламарку, т.е. путем наследования приобретенных признаков. Популярное изложение устройства и функционирования иммунной системы. Формирование специфических антител против новых возбудителей методом соматического мутирования "вариабельных участков" генов иммуноглобулинов и отбора наиболее удачных вариантов новых антител. Эндогенные ретровирусы как потенциальные переносчики новообразованных генов в половые клетки. "Ретропсевдогены" как свидетельство того, что приобретенные изменения (соматические мутации) действительно могут "переписываться" обратно в ДНК половых клеток при помощи обратной транскриптазы.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Идеи Ламарка и Дарвина - две стороны одной медали
Глава 2. В начале была РНК
Глава 3. Иммунная система.
Глава 4. Клонально-селекционная теория.
Глава 5. Соматические мутации.
Глава 6. Обратная связь сомы и зародышевой линии.
Глава 7. За пределами иммунной системы.

 

Итальянские ученые решили проверить, могут ли приобретенные признаки передаваться потомству посредством прямого переноса от соматических к половым клеткам специфических молекул РНК. Для этого мышам подкожно трансплантировали клетки меланомы человека со встроенным геном зеленого флуоресцирующего белка. Ожидания были оправданы: молекулы РНК чужеродного гена, нарабатывающиеся в трансплантированных клетках, обнаружились не только в крови подопытных животных, но и в их сперматозоидах. Таким образом, впервые наглядно продемонстрировано, что — как и предполагал Чарльз Дарвин в своей теории геммул и пангенезиса и вопреки теории о так называемом вейсмановском барьере — генетическая информация действительно может быть передана из соматических клеток в половые, по крайней мере в форме РНК.

...

Как постулировала догма синтетической теории эволюции, модификационная изменчивость не наследуется, ограничиваясь исключительно соматическими клетками, тканями и органами. Эта догма идет еще от Августа Вейсмана, который отвергал дарвиновскую теорию пангенезиса (согласно которой в клетках организма образуются особые мельчайшие частицы — геммулы, — несущие информацию о тех изменениях, которые клетки претерпели в течение жизни, и передающие ее с током крови в половые клетки; рис. 1, вверху) и настаивал на отсутствии каких-либо каналов коммуникации между соматическими и половыми клетками (так называемом «барьере Вейсмана»; рис. 1, внизу) и, как следствие, на принципиальной невозможности наследования приобретенных признаков.

Тем не менее уже с середины ХХ века было установлено, что некоторые эпимутации у растений склонны передаваться в длинной череде поколений (об одном из таких случаев см. Механизм неменделевской наследственности остается загадочным, «Элементы», 17.10.2007). Это явление назвали эпигенетической трансгенерационной наследственностью. Часто эпигенетическая природа наследования может быть опознана по неменделевскому характеру расщепления анализируемого признака в потомстве: носителей нового признака оказывается в потомстве больше, чем должно было бы быть по классической схеме генетического наследования. Еще один признак того, что мы имеем дело с эпимутациями, а не с истинными мутациями — что индуцированная специфическими условиями фенотипическая вариация постепенно «затухает» в ряду поколений, если индуцирующие условия в дальнейшем не поддерживаются. Более того, в течение последнего десятилетия накапливаются данные о существовании эпигенетической трансгенерационной наследственности и у животных, в том числе у млекопитающих (см., например, Устойчивое существование популяции обеспечивается негенетической «памятью поколений», «Элементы», 03.07.2007, и Наследственная информация записана не только в ДНК, «Элементы», 01.06.2006).

Пожалуй, наиболее впечатляющим из таких исследований можно признать статью Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations, опубликованную в журнале Nature Neuroscience в начале 2014 года. В этом исследовании авторы вырабатывали у самцов мышей рефлекс избегания по отношению к запаху ацетофенона (природное ароматическое соединение, присутствующее, в том числе, в аромате черемухи), подавая в экспериментальную камеру одновременно с ацетофеноном разряды электрического тока, а затем получили потомство от скрещивания обученных самцов с необученными самками. Красота дизайна эксперимента заключалась в том, что рецепторный белок для ацетофенона и кодирующий его ген хорошо известны, так что результаты можно было регистрировать на всех уровнях — от экспрессии гена до анатомии обонятельного эпителия и изменений в поведении животных.

Тщательный анализ обнаружил, что у мышей в потомстве, во-первых, было повышено количество клеток с рецептором к данному соединению в обонятельном эпителии. Во-вторых, оказалась повышена восприимчивость животных к соответствующему запаху: зверьки демонстрировали более выраженную реакцию тревоги в ответ на сигнал опасности (громкий звук) в присутствии ацетофенона (но не пропанола, который распознается другими чувствительными клетками с другими рецепторами). Также выяснилось, что в сперматозоидах обученных мышей и их потомства был снижен уровень метилирования гена, который, собственно, и кодирует рецептор к ацетофенону. Эффект поддерживался в двух поколениях потомства, которые не проходили соответствующего обучения.

Авторы исключают вариант, что эпимутация, затронувшая именно ген рецептора к ацетофенону, в сперматозоидах опытных животных произошла случайно, поскольку идентичные сдвиги в фенотипе потомства на всех уровнях хорошо воспроизводились при многократных воспроизведениях опыта. Аналогичные результаты были получены и в том случае, если в родительском поколении обучали самок. При таком дизайне эксперимента новорожденных мышат сразу передавали необученной приемной матери, так что социальный фактор был исключен.

На сегодняшний день наиболее перспективными агентами переноса и индукции эпимутаций представляются регуляторные РНК, характеризующиеся способностью с высокой специфичностью переключать состояние хроматина и экспрессию генов на определенных участках хромосом. В 2010 году коллективом авторов был опубликован обобщающий обзор с описанием целого ряда проведенных ими экспериментов по индукции трансгенерационной эпигенетической наследственности у мышей, где убедительно доказана ключевая роль РНК в реализации этой наследственности (M. Rassoulzadegan, F. Cuzin, 2010. The making of an organ: RNA mediated developmental controls in mice).

Имеются и претенденты на роль транспортных средств для переноса между клетками регуляторных РНК: это внеклеточные везикулы — мембранные пузырьки, производимые клетками всех тканей организма и способные передавать свое содержимое другим клеткам, в том числе других тканей. (Подробно о внеклеточных везикулах, в частности об экзосомах, см. также новость Клетки организма общаются с помощью посланий, упакованных в микровезикулы, «Элементы», 28.12.2010 и статью Экзосомы — бутылочная почта организма.) Надо отметить, что наработка этих везикул является процессом активным, тканеспецифичным и зависимым от физиологического состояния клеток. В частности, их производство резко возрастает, когда клетки испытывают стрессовые воздействия, причем в этих условиях меняется также и их содержимое, включающее разнообразные белки, матричные и регуляторные РНК. В мембране таких везикул могут присутствовать указатели «адреса доставки» в форме тканеспецифичных рецепторов, обеспечивая неслучайный характер такой формы межклеточной коммуникации.

...

Авторы работы делают заключение о том, что такого непреодолимого барьера, который бы делал невозможной передачу генетической информации между соматическими и половыми клетками, не существует, а значит, теоретически, передача РНК с экзосомами вполне может работать в качестве одного из механизмов, обеспечивающих трансгенерационное эпигенетическое наследование приобретенных родителями адаптивных модификаций. Конечно, дизайн эксперимента предполагал создание достаточно неестественной ситуации: ведь и ген был чужеродный, и сами донорские клетки — тоже, но тем более ожидаемым было бы срабатывание защитного барьера, если он действительно существует. И тем более вероятно, что аналогичные процессы могут иметь место в естественной физиологии.

Насколько точно обнаруженное явление соответствует Дарвиновскому пангенезису? Идея Дарвина заключалась в том, что геммулы, перенося какие-то вещества от соматических клеток к половым, могут менять материал наследственности в направлении, соответствующем выработанной на уровне соматических тканей адаптации, и, таким образом, благоприятствуют реализации адаптивно направленной эволюции. Но эпигенетическая наследственность, как было сказано выше, неустойчива и легко обратима, в то время как, говоря об эволюции, мы имеем ввиду некие устойчивые и трудно обратимые изменения, закрепленные в генотипе. Может ли перенос РНК в составе экзосом на самом деле обеспечить направленное изменение генома?

Можно предположить существование нескольких путей такого влияния. Во-первых, регуляторные РНК вызывают локальные изменения состояния хроматина, что должно сказываться определенным образом на распределении вероятностей мутационных событий на ДНК в тех или иных областях. Во-вторых, учитывая высокую активность обратной транскриптазы в сперматозоидах и их предшественниках, есть вероятность приобретения в ходе обратной транскрипции с матричных РНК новых ретрогенов либо редактирования уже имеющихся в геноме последовательностей по механизму конверсии (изменения нуклеотидной последовательности в геноме путем «списывания» с похожей, но не идентичной последовательности на внешней матрице, в том числе на матрице РНК или ее ДНК-копии). В-третьих, в свете данных рассматриваемой статьи, где был продемонстрирован перенос при участии экзосом РНК совершенно чужеродного гена между клетками разных видов (а именно, от человеческих меланомных клеток к мышиным половым), нельзя исключить и роль указанного механизма в горизонтальном переносе генов. Здесь можно вспомнить, например, нематод, в геном которых каким-то образом оказались встроены гены бактериального происхождения, благодаря чему этим организмам и удалось приспособиться к эффективному паразитизму на растениях (см. Бактериальные гены помогают нематодам паразитировать на растениях, «Элементы», 18.10.2010).

Источник: C. Cossetti, L. Lugini, L. Astrologo, I. Saggio, S. Fais, C. Spadafora. Soma-to-germline transmission of RNA in mice xenografted with human tumour cells: possible transport by exosomes // PLoS One. 2014. V. 9(7): e101629.

 

Воспоминания могут передаваться по наследству через ДНК — Популярная механика

Ученые из Университета Эмори в Атланте (США) выяснили, что воспоминания и опыт, приобретенные в течение жизни, передаются следующим поколениям с помощью химических изменений, происходящих в ДНК. // www.popmech.ru

 

Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group

This study demonstrates an epigenetic inheritance of a learned behavior that is transmitted across generations via the gametes whereby learning about a specific olfactory stimulus changes brain structure and the behavior of future generations. Specifically, Dias and Ressler show that behavioral response to olfactory fear conditioning in male parents is transmitted to their offspring via DNA methylation changes in the corresponding odorant receptor gene in the sperm, which is accompanied by the changes to the corresponding neuroanatomical structure that mediates olfactory perception. // www.nature.com

 

В ходе исследования биологи научили мышей бояться запаха вишни, используя электрошок, прежде чем разрешить им размножаться. Произведенное в результате потомство продемонстрировало устойчивую реакцию страха на запах вишни — несмотря на то, что ни разу не сталкивалось с ним раньше. Следующее поколение грызунов показало точно такое же поведение, причем эффект сохранялся, даже если мыши были зачаты путем искусственного оплодотворения.

В головном мозге обученных мышей и их потомства были обнаружены структурные изменения в областях, использующихся для обнаружения запаха. В ДНК животных также выявлены химические изменения, известные как эпигенетическое метилирование гена, ответственного за обнаружение запаха.

Все это свидетельствует о том, что воспоминания и переживания передаются от мозга в геном, что позволяет передавать их следующим поколениям. Результаты исследования могут помочь объяснить, почему люди порой страдают от, казалось бы, иррациональных фобий — как выяснилось, это может быть основано на унаследованном опыте своих предков.

 

Lamarck revisited: epigenetic inheritance of ancestral odor fear conditioning : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group

A study shows that when mice are taught to fear an odor, both their offspring and the next generation are born fearing it. The gene for an olfactory receptor activated by the odor is specifically demethylated in the germ line and the olfactory circuits for detecting the odor are enhanced. // www.nature.com