Данные свидетельствуют о том, что то, что происходит в одном поколении – диета, воздействие токсинов, травмы, страх – может иметь длительные последствия для будущих поколений. Ученые полагают, что эти эффекты являются результатом эпигенетических изменений, которые происходят в ответ на окружающую среду и включают или выключают гены без изменения генома или последовательности ДНК.

Но как эти изменения передаются из поколения в поколение, не было понятно, отчасти потому, что у ученых не было простого способа изучить это явление. Новое исследование, проведенное учеными из Университета Мэриленда, предоставляет потенциальный инструмент для разгадки тайны того, как опыт может вызывать наследственные изменения в биологии животного. Спариваясь с червями-нематодами, они производили постоянные эпигенетические изменения, которые длились более 300 поколений. Исследование было опубликовано 9 июля 2021 г. в журнале Nature Communications .

Наследственная эпигенетика вызывает большой интерес. Но получить четкие ответы сложно. Например, если я сегодня на диете, как это повлияет на моих детей, внуков и так далее? Никто не знает, потому что задействовано очень много разных переменных. Но мы нашли этот очень простой метод, посредством спаривания, чтобы отключить один ген для нескольких поколений. И это дает нам огромную возможность изучить, как происходят эти стабильные эпигенетические изменения ».

Энтони Хосе, адъюнкт-профессор клеточной биологии и молекулярной генетики в UMD и старший автор исследования

В новом исследовании Хосе и его команда обнаружили при разведении нематодных червей, что некоторые спаривания приводили к эпигенетическим изменениям в потомстве, которые продолжали передаваться из поколения в поколение, пока ученые продолжали их разводить. Это открытие позволит ученым изучить, как эпигенетические изменения передаются будущим поколениям и какие характеристики делают гены восприимчивыми к постоянным эпигенетическим изменениям.

Хосе и его команда начали эту работу в 2013 году, работая с нематодами-червями Caenorhabditis elegans (C. elegans), видами, которые часто используются в качестве модели для понимания биологии животных. Ученые заметили, что черви несут ген, который они назвали Т, который производит флуоресцентные белки, иногда светящиеся, а иногда нет. Это вызывало недоумение, потому что светящиеся и не светящиеся имели почти идентичную ДНК.

«Все началось, когда мы наткнулись на редкий ген, который претерпевал постоянные изменения в течение сотен поколений только в результате спаривания. Мы легко могли его пропустить», – сказал Синдхуджа Деванапалли (доктор философии '18, биологические науки), соавтор – ведущий автор исследования, который сейчас является докторантом Колумбийского университета.

Чтобы лучше понять это явление, исследователи провели эксперименты по разведению, в которых только мать или отец несли флуоресцентный ген. Команда ожидала, что независимо от того, какой родитель несет ген, потомство будет светиться. Вместо этого они обнаружили, что когда мать несла флуоресцентный ген, потомство всегда светилось, что означает, что ген всегда был включен. Но когда ген носил отец, потомство обычно слабо светилось или совсем не светилось.

«Мы обнаружили, что существуют эти основанные на РНК сигналы, контролирующие экспрессию генов», – сказал Хосе. "Некоторые из этих сигналов заставляют ген замолчать, а некоторые из них являются защитными сигналами, которые предотвращают замалчивание. Эти сигналы заглушают его по мере развития потомства. Когда ген исходит от матери, защитный сигнал всегда побеждает, но когда ген исходит от отец, сигнал глушителя почти всегда побеждает ".

Когда побеждает сигнал подавления, ген отключается навсегда или, по крайней мере, на 300 поколений, именно столько Хосе и его коллеги следили за своими лабораторными червями. Предыдущие примеры эпигенетических изменений были более сложными или длились не более пары поколений. Исследователи еще не знают, почему сигнал молчания выигрывает только в некоторых случаях, но это новое открытие дает им гораздо больше возможностей для изучения деталей эпигенетического наследования, чем когда-либо прежде.

«Хотя мы обнаружили набор генов, которые можно заставить замолчать почти навсегда, на большинство других генов это не влияет», – сказал другой соавтор исследования, Праврута Раман (Ph.D. '19, биологические науки), который сейчас является докторантом в Онкологическом исследовательском центре Фреда Хатчинсона. «После молчания они приходят в норму и выражаются в будущих поколениях»

Благодаря своим новым открытиям, исследователи теперь полагают, что некоторые гены могут быть более уязвимы к постоянным эпигенетическим изменениям, в то время как другие гены восстанавливаются в течение нескольких поколений. Хотя исследования на червях отличаются от исследований на людях, они позволяют увидеть биологические процессы, которые, вероятно, разделяются, по крайней мере частично, у всех животных.

«Два больших преимущества, которые мы получили от этой работы, заключаются в том, что это длительное эпигенетическое изменение легко вызвать через спаривание, и что оно происходит на уровне одного гена», – сказал Хосе. «Теперь мы можем манипулировать этим геном и контролировать все, что связано с ним, что позволит нам определить, какие характеристики делают ген восприимчивым или устойчивым к наследственным эпигенетическим изменениям»

Хосе и его коллеги ожидают, что будущие исследования однажды могут помочь ученым идентифицировать человеческие гены, уязвимые к долгосрочным эпигенетическим изменениям.