Все организмы – от простейших до самых сложных – на протяжении жизни могут как-то меняться в ответ на изменения окружающей среды. Например, у крысы, которой приходится перейти на необычную пищу, может постепенно увеличиться объем желудка. Собаку можно приучить обильно выделять слюну в ответ на звонок – как в свое время сделал Павлов в своих классических экспериментальных исследованиях условных рефлексов. Однако потомство такой крысы появится на свет с желудком нормального размера, а щенки, обученной по Павлову собаки, не будут реагировать на звонки слюноотделением. Точно так же дети культуристов рождаются с нормальной мускулатурой, а дети космонавтов не проявляют никаких особых способностей к существованию в условиях невесомости.
Изменения организмов, которые происходят в течение жизни в ответ на изменения среды обитания, называются приобретенными признаками. Дарвиновская теория наследственности утверждает, что такие изменения не передаются потомству. В конце 19 века немецкий биолог Август Вейсман поставил простой, но убедительный эксперимент, который вроде бы однозначно подтвердил этот принцип. Он резал молодым мышам хвосты на протяжении двадцати двух поколений – тем не менее, все мышата рождались с нормальными хвостами.
Запрет на наследование приобретенных признаков четко вытекает из положений классической генетики. Согласно этой науке, потомству могут передаваться лишь изменения наследственных структур ДНК, иначе говоря, генные мутации. Поскольку приобретенные признаки формируются без каких-либо генных изменений, они и не переходят по наследству. Все просто, понятно и логично.
Надо сказать, что в последние годы эта картинка несколько потеряла былую цельность. Оказалось, что по наследству могут передаваться и такие изменения, при которых структура ДНК остается совершенно стабильной. Они получили название эпигенетических. Заимствованная из древнегреческого языка приставка «эпи» означает «а также», «в дополнение». Таким образом, эпигенетические изменения дополняют собственно генетические сдвиги. Они проявляются, например, в модификации активности генов, которые сами по себе не претерпевают никаких мутаций. Такие колебания генной активности могут возникать под воздействием жизненных условий и переходить к потомкам. Правда, в отличие от генных мутаций, они оказываются не слишком устойчивыми и исчезают уже через нескольких поколений. Тем не менее, дело выглядит так, что какие-то приобретенные признаки или, во всяком случае, их близкие аналоги все же могут наследоваться.
Подобные эффекты отмечены не только у высших животных, но и у человека. В частности, есть основания считать, что эпигенетические процессы влияют на риск возникновения целого ряда болезней, в том числе и рака. Некоторые ученые даже полагают, что эпигенетика связана с заболеваниями сильнее генетики. Не случайно в прошлом году американский Национальный институт здравоохранения объявил о том, что за 5 лет потратит на изучение эпигенетических механизмов весьма внушительную сумму – 190 миллионов долларов.
Феномен эпигенетической наследственности заставляет вспомнить о первой научной теории биологической эволюции, которая исторически предшествовала дарвиновской модели. Ее основные положения изложены в книге «Философия зоологии», которую ровно 200 лет назад выпустил в свет французский биолог Жан Батист Ламарк (кстати, великий труд Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» вышел из печати в 1859 году, так что нынешний год для теории эволюции вдвойне юбилейный). Он утверждал, что приобретенные признаки наследуются – собственно говоря, именно этим он и объяснял историческую изменчивость биологических видов. Правда, предложенные Ламарком примеры такого наследования оказались совершенно неверными. Однако сама идея сейчас неожиданно возродилась, хотя и в новой интерпретации.
Недавно американские ученые опубликовали результаты двух экспериментов, которые продемонстрировали возможность эпигенетического наследования навыков, приобретенных в процессе обучения (в широком смысле этого слова). Первая работа в прошлом месяце появилась на сайте журнала Biological Psychiatry. Ее авторы во главе с профессором нейробиологии Алабамского университета Дж. Дэвидом Свиттом [J. David Sweatt] работали с крысиными самками. Еще во время беременности и после родов экспериментаторы создавали им сильные стрессы, из-за которых молодые мамаши не только переставали заботиться о детенышах, но даже сильно их обижали. Когда подросшие дочки таких крыс рожали собственных детей, те также оказывались плохими матерями.
Такой эффект замечался и раньше, его объясняли просто памятью о тяжелом детстве. Однако Свитт и его коллеги обнаружили, что он проявляется и в тех случаях, когда новорожденных сразу забирают от мамаш-злодеек и подсаживают нормальным крысам, которые заботятся о них, как о собственных детях. Это можно объяснить только передачей по наследству эпигенетических изменений – каких именно, еще предстоит выяснить.
Еще примечательней результаты второго исследования, о которых 4 февраля сообщил The Journal of Neuroscience. Его провели ученые из бостонского университета Тафтса и чикагского университета имени Раша, возглавляемые профессором биохимии Ларри Фейгом [Larry Feig]. Они экспериментировали с генно-инженерными мышами, в организме которых не синтезировались два родственных белка Ras-GRF1 и Ras-GRF2, принимающие участие в передаче внутримозговых межклеточных сигналов. Наблюдения показали, что дефицит этих протеинов снижает способность головного мозга к формированию длительных синаптических контактов между нейронами, участвующими в процессах запоминания и обучения (такие межнейронные связи называются долговременной потенциацией). Как и следовало ожидать, память таких мышей, мягко говоря, оставляла желать лучшего.
Оказалось, однако, что этот генетический дефект можно на время исправить правильным воспитанием в раннем детстве. Когда мышата с белковым дефицитом немного подрастали, экспериментаторы создавали им, если так можно выразиться, интеллектуально стимулирующую среду – давали игрушки, обеспечивали условия для физической активности и позволяли общаться друг с другом. В результате уже через пару недель память животных улучшалась до нормальных показателей. Правда, после прекращения тренировок она вновь деградировала, плохая генетика брала свое.
Этот результат интересен, но, в общем, довольно предсказуем. Однако Фейг и его коллеги пошли дальше. Когда обученным в детстве и потом вернувшимся к своему нормальному состоянию мышам исполнилось несколько месяцев, им позволили забеременеть (самкам) или стать отцами (самцам). Хотя другими родителями в обоих случаях были нормальные животные, дети все равно рождались на свет с тем же самым генным дефектом – мутация была доминантной. Но вели они себя по-разному. Потомки обученных в детстве самцов по части памяти ничем не отличались от всех прочих мышей той же линии. Напротив, дети прошедших тренировку матерей на протяжении первых двух месяцев жизни демонстрировали улучшенную память и лишь затем впадали в обычную забывчивость. Такой же эрозией памяти страдало и их собственное потомство – уже с раннего детства до старости.
Исследователи также поставили контрольный эксперимент. В теории можно допустить, что мыши-мамы как-то передавали детенышам свой опыт, обретенный во время обучения. Поэтому экспериментаторы сразу же после рождения передавали некоторых мышат на воспитание самкам, которые никогда не проходили через тренировку. Однако и эти животные в первое время не страдали ухудшенной памятью.
Авторы работы полагают, что в данном случае имело место несомненное эпигенетическое наследование приобретенных признаков. По мнению профессора Фейга, организм мышей отреагировал на стимулирующее окружение какими-то гормональными изменениями, которые восстановили у них долговременную потенциацию. Эти изменения отчасти передались их потомкам первого поколения, но только по материнской линии. Однако ученые пока не знают и не догадываются, как именно эта передача была обеспечена на молекулярном уровне.
Конечно, было бы очень соблазнительно экстраполировать результаты этого эксперимента на человека. В самом деле, приятно предположить, что сверхраннее интеллектуальное стимулирование девочек приведет к тому, что со временем у них появятся особо умные дети. Однако для таких мечтаний пока нет совершенно никаких оснований. Мышиная нейробиология настолько не совпадает с человеческой, что подобная экстраполяция была бы чистым шарлатанством. Посмотрим, что принесут будущие исследования.
Изменения организмов, которые происходят в течение жизни в ответ на изменения среды обитания, называются приобретенными признаками. Дарвиновская теория наследственности утверждает, что такие изменения не передаются потомству. В конце 19 века немецкий биолог Август Вейсман поставил простой, но убедительный эксперимент, который вроде бы однозначно подтвердил этот принцип. Он резал молодым мышам хвосты на протяжении двадцати двух поколений – тем не менее, все мышата рождались с нормальными хвостами.
Запрет на наследование приобретенных признаков четко вытекает из положений классической генетики. Согласно этой науке, потомству могут передаваться лишь изменения наследственных структур ДНК, иначе говоря, генные мутации. Поскольку приобретенные признаки формируются без каких-либо генных изменений, они и не переходят по наследству. Все просто, понятно и логично.
Надо сказать, что в последние годы эта картинка несколько потеряла былую цельность. Оказалось, что по наследству могут передаваться и такие изменения, при которых структура ДНК остается совершенно стабильной. Они получили название эпигенетических. Заимствованная из древнегреческого языка приставка «эпи» означает «а также», «в дополнение». Таким образом, эпигенетические изменения дополняют собственно генетические сдвиги. Они проявляются, например, в модификации активности генов, которые сами по себе не претерпевают никаких мутаций. Такие колебания генной активности могут возникать под воздействием жизненных условий и переходить к потомкам. Правда, в отличие от генных мутаций, они оказываются не слишком устойчивыми и исчезают уже через нескольких поколений. Тем не менее, дело выглядит так, что какие-то приобретенные признаки или, во всяком случае, их близкие аналоги все же могут наследоваться.
Подобные эффекты отмечены не только у высших животных, но и у человека. В частности, есть основания считать, что эпигенетические процессы влияют на риск возникновения целого ряда болезней, в том числе и рака. Некоторые ученые даже полагают, что эпигенетика связана с заболеваниями сильнее генетики. Не случайно в прошлом году американский Национальный институт здравоохранения объявил о том, что за 5 лет потратит на изучение эпигенетических механизмов весьма внушительную сумму – 190 миллионов долларов.
Феномен эпигенетической наследственности заставляет вспомнить о первой научной теории биологической эволюции, которая исторически предшествовала дарвиновской модели. Ее основные положения изложены в книге «Философия зоологии», которую ровно 200 лет назад выпустил в свет французский биолог Жан Батист Ламарк (кстати, великий труд Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» вышел из печати в 1859 году, так что нынешний год для теории эволюции вдвойне юбилейный). Он утверждал, что приобретенные признаки наследуются – собственно говоря, именно этим он и объяснял историческую изменчивость биологических видов. Правда, предложенные Ламарком примеры такого наследования оказались совершенно неверными. Однако сама идея сейчас неожиданно возродилась, хотя и в новой интерпретации.
Недавно американские ученые опубликовали результаты двух экспериментов, которые продемонстрировали возможность эпигенетического наследования навыков, приобретенных в процессе обучения (в широком смысле этого слова). Первая работа в прошлом месяце появилась на сайте журнала Biological Psychiatry. Ее авторы во главе с профессором нейробиологии Алабамского университета Дж. Дэвидом Свиттом [J. David Sweatt] работали с крысиными самками. Еще во время беременности и после родов экспериментаторы создавали им сильные стрессы, из-за которых молодые мамаши не только переставали заботиться о детенышах, но даже сильно их обижали. Когда подросшие дочки таких крыс рожали собственных детей, те также оказывались плохими матерями.
Такой эффект замечался и раньше, его объясняли просто памятью о тяжелом детстве. Однако Свитт и его коллеги обнаружили, что он проявляется и в тех случаях, когда новорожденных сразу забирают от мамаш-злодеек и подсаживают нормальным крысам, которые заботятся о них, как о собственных детях. Это можно объяснить только передачей по наследству эпигенетических изменений – каких именно, еще предстоит выяснить.
Еще примечательней результаты второго исследования, о которых 4 февраля сообщил The Journal of Neuroscience. Его провели ученые из бостонского университета Тафтса и чикагского университета имени Раша, возглавляемые профессором биохимии Ларри Фейгом [Larry Feig]. Они экспериментировали с генно-инженерными мышами, в организме которых не синтезировались два родственных белка Ras-GRF1 и Ras-GRF2, принимающие участие в передаче внутримозговых межклеточных сигналов. Наблюдения показали, что дефицит этих протеинов снижает способность головного мозга к формированию длительных синаптических контактов между нейронами, участвующими в процессах запоминания и обучения (такие межнейронные связи называются долговременной потенциацией). Как и следовало ожидать, память таких мышей, мягко говоря, оставляла желать лучшего.
Оказалось, однако, что этот генетический дефект можно на время исправить правильным воспитанием в раннем детстве. Когда мышата с белковым дефицитом немного подрастали, экспериментаторы создавали им, если так можно выразиться, интеллектуально стимулирующую среду – давали игрушки, обеспечивали условия для физической активности и позволяли общаться друг с другом. В результате уже через пару недель память животных улучшалась до нормальных показателей. Правда, после прекращения тренировок она вновь деградировала, плохая генетика брала свое.
Этот результат интересен, но, в общем, довольно предсказуем. Однако Фейг и его коллеги пошли дальше. Когда обученным в детстве и потом вернувшимся к своему нормальному состоянию мышам исполнилось несколько месяцев, им позволили забеременеть (самкам) или стать отцами (самцам). Хотя другими родителями в обоих случаях были нормальные животные, дети все равно рождались на свет с тем же самым генным дефектом – мутация была доминантной. Но вели они себя по-разному. Потомки обученных в детстве самцов по части памяти ничем не отличались от всех прочих мышей той же линии. Напротив, дети прошедших тренировку матерей на протяжении первых двух месяцев жизни демонстрировали улучшенную память и лишь затем впадали в обычную забывчивость. Такой же эрозией памяти страдало и их собственное потомство – уже с раннего детства до старости.
Исследователи также поставили контрольный эксперимент. В теории можно допустить, что мыши-мамы как-то передавали детенышам свой опыт, обретенный во время обучения. Поэтому экспериментаторы сразу же после рождения передавали некоторых мышат на воспитание самкам, которые никогда не проходили через тренировку. Однако и эти животные в первое время не страдали ухудшенной памятью.
Авторы работы полагают, что в данном случае имело место несомненное эпигенетическое наследование приобретенных признаков. По мнению профессора Фейга, организм мышей отреагировал на стимулирующее окружение какими-то гормональными изменениями, которые восстановили у них долговременную потенциацию. Эти изменения отчасти передались их потомкам первого поколения, но только по материнской линии. Однако ученые пока не знают и не догадываются, как именно эта передача была обеспечена на молекулярном уровне.
Конечно, было бы очень соблазнительно экстраполировать результаты этого эксперимента на человека. В самом деле, приятно предположить, что сверхраннее интеллектуальное стимулирование девочек приведет к тому, что со временем у них появятся особо умные дети. Однако для таких мечтаний пока нет совершенно никаких оснований. Мышиная нейробиология настолько не совпадает с человеческой, что подобная экстраполяция была бы чистым шарлатанством. Посмотрим, что принесут будущие исследования.
