Автор эпигенетической теории: рассказ о возникновении эпигенетической теории эволюции

Раннее детство — это не только период физического роста; это также время умственного развития, связанного с изменениями в анатомии, физиологии и химии нервной системы, которые влияют на психическое здоровье на протяжении всей жизни.Когнитивные способности, связанные с обучением и памятью, рассуждением, решением проблем и развитием отношений, продолжают проявляться в детстве. В этот критический или чувствительный период развитие мозга происходит быстрее, чем в любой другой: каждую секунду создается более 700 нейронных связей. Здесь сложные взаимодействия ген-среда (или взаимодействия генотип-среда, G × E) служат для увеличения числа возможных контактов между нейронами, поскольку они оттачивают свои синаптические свойства и возбудимость у взрослых.Многие слабые связи образуются с разными нейронными целями; впоследствии они претерпевают реконструкцию, при которой исчезает большинство связей и остается несколько стабильных связей. Эти структурные изменения (или пластичность) могут иметь решающее значение для развития зрелых нейронных сетей, поддерживающих эмоциональное, когнитивное и социальное поведение. Генерация различных морфологических, физиологических и поведенческих результатов из одного генома в ответ на изменения в окружающей среде формирует основу для «фенотипической пластичности», которая имеет фундаментальное значение для того, как организмы справляются с изменчивостью окружающей среды, ориентируются в современном мире и решают будущие проблемы.

Задача психологии состояла в том, чтобы интегрировать результаты генетических и экологических (социальных, биологических, химических) факторов, включая качество привязанности младенца к матери, в изучение личности и наше понимание возникновения психических заболеваний. Эти исследования продемонстрировали, что общие вариации последовательности ДНК и редкие мутации составляют лишь небольшую часть (1–2%) от общего риска наследования черт личности и психических расстройств (Dick, Riley, & Kendler, 2010; Gershon, Alliey -Rodriguez, & Liu, 2011).Кроме того, исследования, которые пытались изучить механизмы и условия, при которых вариации последовательности ДНК влияют на развитие и функции мозга, были затруднены сложными причинно-следственными отношениями (Petronis, 2010). Большая неучтенная наследуемость личностных черт и психического здоровья предполагает участие дополнительных молекулярных и клеточных механизмов.

Эпигенетика может дать ответы на эти важные вопросы и относится к передаче фенотипа с точки зрения экспрессии генов в отсутствие изменений в последовательности ДНК — отсюда и название эпи- (греч. Επί- выше) генетика ( Waddington, 1942; Wolffe & Matzke, 1999).Появление высокопроизводительных методов, таких как подходы на основе секвенирования для изучения распределения регуляторов экспрессии генов по всему геному, привело к коллективному описанию «эпигенома». В отличие от последовательности генома, которая статична и одинакова почти во всех клетках, эпигеном очень динамичен, различаясь между типами клеток, тканями и областями мозга (Gregg et al., 2010). Недавние исследования предоставили понимание эпигенетической регуляции путей развития в ответ на ряд факторов внешней среды (Dolinoy, Weidman, & Jirtle, 2007).Эти факторы окружающей среды в раннем детстве и подростковом возрасте могут вызывать изменения в экспрессии генов, создающие риск психического здоровья и хронических физических состояний. Таким образом, изучение взаимодействий генетика-эпигенетика-среда с точки зрения развития может определить природу неправильной регуляции генов при психологических расстройствах.

В этом модуле будет представлен обзор основных компонентов эпигенома и рассмотрены темы недавних эпигенетических исследований, которые имеют отношение к психологии, чтобы сформировать биологическую основу для взаимодействия между сигналами окружающей среды и геномом в регулировании индивидуальных различий в физиологии. , эмоции, познание и поведение.

Почти все клетки нашего тела генетически идентичны, но наше тело генерирует много разных типов клеток, организованных в разные ткани и органы и экспрессирующих разные белки.В каждом типе клетки млекопитающего около 2 метров геномной ДНК разделено на ядерные хромосомы. Однако ядро ​​клетки человека, содержащее хромосомы, имеет диаметр всего около 2 мкм. Чтобы достичь этого 1000000-кратного уплотнения, ДНК оборачивается вокруг группы из 8 белков, называемых гистонами. Эта комбинация ДНК и гистоновых белков образует особую структуру, называемую «нуклеосомой», основной единицей хроматина, которая представляет собой структурное решение для поддержания и доступа к сильно уплотненному геному.Эти факторы изменяют вероятность того, что ген будет экспрессироваться или заглушаться. Таким образом, на клеточные функции, такие как экспрессия генов, репликация ДНК и образование определенных типов клеток, влияют различные паттерны структуры хроматина, включая ковалентную модификацию как гистонов (Kadonaga, 1998), так и ДНК (Razin, 1998).

Важно отметить, что эпигенетические вариации также проявляются на протяжении всей жизни. Например, хотя однояйцевые близнецы имеют общий генотип и являются генетически идентичными и эпигенетически подобными в молодом возрасте, с возрастом они становятся все более непохожими по своим эпигенетическим паттернам и часто проявляют поведенческие, личностные или даже физические различия и имеют разные уровни риска. при тяжелом заболевании.Таким образом, понимание структуры нуклеосомы является ключом к пониманию точного и стабильного контроля экспрессии и регуляции генов, обеспечивая молекулярный интерфейс между генами и изменениями клеточной активности, вызванными окружающей средой.

Метилирование ДНК — наиболее изученная эпигенетическая модификация, влияющая на экспрессию генов. ДНК состоит из четырех типов встречающихся в природе азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). В геномах млекопитающих метилирование ДНК происходит в основном по остаткам цитозина в контексте цитозинов, за которыми следуют гуанины (динуклеотиды CpG), с образованием 5-метилцитозина по клеточному образцу (Goll & Bestor, 2005; Law & Jacobsen, 2010; Suzuki & Bird, 2008 г.).Ферменты, осуществляющие метилирование ДНК, называются ДНК-метилтрансферазами (DNMT), которые катализируют перенос метильной группы в цитозин (Adams, McKay, Craig, & Burdon, 1979). Все эти ферменты экспрессируются в центральной нервной системе и динамически регулируются во время развития (Feng, Chang, Li, & Fan, 2005; Goto et al., 1994). Влияние метилирования ДНК на функцию гена варьируется в зависимости от периода развития, в течение которого происходит метилирование, и местоположения метилированного цитозина.Метилирование ДНК в регуляторных областях генов (промоторные и энхансерные области) обычно приводит к подавлению генов и снижению экспрессии генов (Ooi, O’Donnell, & Bestor, 2009; Suzuki & Bird, 2008; Sutter and Doerfler, 1980; Vardimon et al. , 1982). Это мощный регуляторный механизм, обеспечивающий экспрессию генов только при необходимости. Таким образом, метилирование ДНК может широко влиять на развитие мозга человека, а возрастная неправильная регуляция метилирования ДНК связана с молекулярным патогенезом нарушений развития нервной системы.

Модификация гистоновых белков включает важную эпигенетическую метку, связанную с экспрессией генов.Одной из наиболее тщательно изученных модификаций является ацетилирование гистонов, которое связано с активацией генов и повышенной экспрессией генов (Wade, Pruss, & Wolffe, 1997). Ацетилирование гистоновых хвостов опосредуется противоположной ферментативной активностью гистоновых ацетилтрансфераз (HAT) и гистоновых деацетилаз (HDAC) (Kuo & Allis, 1998). Например, ацетилирование гистона в регуляторных областях генов ферментами HAT обычно связано с деметилированием ДНК, активацией генов и повышенной экспрессией генов (Hong, Schroth, Matthews, Yau, & Bradbury, 1993; Sealy & Chalkley, 1978).С другой стороны, удаление ацетильной группы (деацетилирование) ферментами HDAC обычно связано с метилированием ДНК, подавлением генов и снижением экспрессии генов (Davie & Chadee, 1998). Взаимосвязь между паттернами модификаций гистонов и активностью генов свидетельствует о существовании «гистонового кода» для определения программ экспрессии генов, специфичных для клеток (Jenuwein & Allis, 2001). Интересно, что недавние исследования с использованием моделей на животных продемонстрировали, что модификации гистонов и метилирование ДНК определенных генов опосредуют долгосрочные поведенческие эффекты уровня заботы, испытываемого в младенчестве.

Развитие личности — это активный процесс адаптации, происходящий в социально-экономическом контексте. Например, близость или степень позитивной привязанности между родителем (обычно матерью) и младенцем и родительские вложения (включая снабжение питательными веществами, обеспечиваемыми родителем), которые определяют опыт раннего детства, также программируют развитие индивидуальных различий в реакции на стресс в мозгу , которые затем влияют на память, внимание и эмоции. С точки зрения эволюции, этот процесс дает потомству возможность физиологически корректировать профили экспрессии генов, способствуя организации и функционированию нервных цепей и молекулярных путей, которые поддерживают (1) биологические защитные системы для выживания (например,g., стрессоустойчивость), (2) репродуктивный успех, способствующий установлению и устойчивости в нынешней среде, и (3) адекватное воспитание в следующем поколении (Bradshaw, 1965).

Наиболее полным на сегодняшний день исследованием вариаций родительского вклада и эпигенетической наследственности у млекопитающих является исследование материнской реакции на стресс у крыс. У крысят материнское воспитание (вылизывание и уход) в течение первой недели жизни связано с долгосрочным программированием индивидуальных различий в реакции на стресс, эмоциональности, когнитивных способностях и репродуктивном поведении (Caldji et al., 1998; Фрэнсис, Диорио, Лю и Мини, 1999; Лю и др., 1997; Майерс, Брунелли, Шаир, Сквайр и Хофер, 1989; Стерн, 1997). Во взрослом возрасте потомство матерей, которые демонстрируют повышенный уровень вылизывания и ухода за щенками в течение первой недели жизни, демонстрирует повышенную экспрессию рецептора глюкокортикоидов в гиппокампе (структура мозга, связанная с реакцией на стресс, а также обучением и памятью) и более низкую гормональная реакция на стресс по сравнению со взрослыми животными, выращиваемыми плохо вылизывающими и ухоженными матерями (Francis et al., 1999; Лю и др., 1997). Более того, детеныши крыс, которые получали низкие уровни материнского вылизывания и ухода в течение первой недели жизни, показали снижение ацетилирования гистонов и повышенное метилирование ДНК нейрон-специфического промотора гена глюкокортикоидного рецептора (Weaver et al., 2004). Затем экспрессия этого гена снижается, количество рецепторов глюкокортикоидов в головном мозге уменьшается, и животные демонстрируют более высокую гормональную реакцию на стресс на протяжении всей своей жизни. Влияние материнской заботы на реакцию гормона стресса и поведение потомства можно устранить в зрелом возрасте с помощью фармакологического лечения (ингибитор HDAC трихостатин А, TSA) или диетических аминокислотных добавок (метилдонор L-метионин), лечения, влияющего на ацетилирование гистонов, ДНК метилирование и экспрессия гена рецептора глюкокортикоидов (Weaver et al., 2004; Weaver et al., 2005). Эта серия экспериментов показывает, что ацетилирование гистонов и метилирование ДНК промотора гена глюкокортикоидного рецептора является необходимым звеном в процессе, ведущем к долгосрочным физиологическим и поведенческим последствиям плохого ухода за матерью. Это указывает на возможную молекулярную мишень для лечения, которое может обратить вспять или уменьшить следы жестокого обращения в детстве.

В нескольких исследованиях была предпринята попытка определить, в какой степени результаты модели животные могут быть переданы человеку. Изучение посмертной ткани мозга здоровых людей показало, что человеческий эквивалент промотора гена глюкокортикоидного рецептора (промотор 1F экзона NR3C1) также уникален для человека (Turner, Pelascini, Macedo, & Muller, 2008). Аналогичное исследование новорожденных показало, что метилирование промотора гена глюкокортикоидных рецепторов может быть ранним эпигенетическим маркером материнского настроения и риска повышенных гормональных реакций на стресс у младенцев в возрасте 3 месяцев (Oberlander et al., 2008). Хотя необходимы дальнейшие исследования для изучения функциональных последствий этого метилирования ДНК, эти результаты согласуются с нашими исследованиями на новорожденных и взрослых потомках матерей с низким уровнем облизывания и ухода, которые показывают повышенное метилирование ДНК промотора гена глюкокортикоидного рецептора, пониженное содержание глюкокортикоидов. экспрессия гена рецептора и усиление гормональной реакции на стресс (Weaver et al., 2004). Исследование мозговой ткани жертв суицида показало, что промотор гена рецептора глюкокортикоидов человека также более метилирован в мозге людей, переживших жестокое обращение в детстве (McGowan et al., 2009). Эти данные свидетельствуют о том, что метилирование ДНК опосредует эффекты ранней среды как у грызунов, так и у людей, и указывает на возможность новых терапевтических подходов, вытекающих из трансляционных эпигенетических исследований. Действительно, сходные процессы в сопоставимых эпигенетических лабильных регионах могут объяснить, почему взрослые потомки матерей с высоким и низким уровнем облизывания / ухода демонстрируют широко распространенные различия в экспрессии генов гиппокампа и когнитивных функциях (Weaver, Meaney, & Szyf, 2006).

Однако этот вид исследований ограничен недоступностью образцов человеческого мозга.Трансляционный потенциал этого открытия будет значительно увеличен, если соответствующая эпигенетическая модификация может быть измерена в доступной ткани. Изучение образцов крови взрослых пациентов с биполярным расстройством, которые также ретроспективно сообщали о своем опыте жестокого обращения и пренебрежения в детстве, показало, что степень метилирования ДНК промотора гена глюкокортикоидного рецептора человека имеет прямую положительную связь с описанным десятилетиями жестокого обращения с детьми. ранее.Для взаимосвязи между молекулярной мерой и зарегистрированным историческим воздействием величина эффекта чрезвычайно велика. Это открывает ряд новых возможностей: учитывая большой размер эффекта и постоянство этой ассоциации, измерение метилирования промотора GR может эффективно превратиться в анализ крови, измеряющий физиологические следы, оставленные в геноме ранним опытом. Хотя этот анализ крови не может заменить современные методы диагностики, эта уникальная и дополнительная информация дополняет наши знания о том, как болезнь может возникать и проявляться на протяжении всей жизни.В ближайшем будущем будет изучаться вопрос о том, добавляет ли эта мера ценность по сравнению с простым сообщением о ранних невзгодах, когда дело доходит до прогнозирования важных результатов, таких как реакция на лечение или самоубийство.

Старая пословица «ты то, что ты ешь» может быть верной не только в физический уровень: еда, которую вы выбираете (и даже то, что выбрали ваши родители, бабушки и дедушки), отражается на вашем личном развитии и риске заболевания во взрослой жизни (Wells, 2003).Питательные вещества могут обращать вспять или изменять метилирование ДНК и модификации гистонов, тем самым изменяя экспрессию критических генов, связанных с физиологическими и патологическими процессами, включая эмбриональное развитие, старение и канцерогенез. Похоже, что питательные вещества могут влиять на эпигеном либо путем прямого ингибирования ферментов, которые катализируют метилирование ДНК или модификации гистонов, либо путем изменения доступности субстратов, необходимых для этих ферментативных реакций. Например, матери крыс, которых кормили диетой с низким содержанием доноров метильных групп во время беременности, производили потомство со сниженной экспрессией DNMT-1, сниженным метилированием ДНК и повышенным ацетилированием гистонов в промоторных областях определенных генов, включая рецептор глюкокортикоидов, и повышенной экспрессии генов в печень молодого потомства (Lillycrop, Phillips, Jackson, Hanson, & Burdge, 2005) и взрослого потомства (Lillycrop et al., 2007). Эти данные предполагают, что питание в раннем возрасте может влиять на эпигенетическое программирование в мозге не только на раннем этапе развития, но и во взрослой жизни, тем самым влияя на здоровье на протяжении всей жизни. В этом отношении эпигенетика питания рассматривается как привлекательный инструмент для предотвращения педиатрических болезней развития и рака, а также для замедления процессов, связанных со старением.

Наилучшие свидетельства, касающиеся воздействия неблагоприятных условий окружающей среды на развитие и здоровье, получены из исследований детей беременных женщин во время двух голодовок среди гражданского населения во время Второй мировой войны: блокады Ленинграда (1941–44) (Bateson, 2001). и голландская голодная зима (1944–1945) (Stanner et al., 1997). Во время голода в Нидерландах женщины, которые ранее хорошо питались, подвергались низкому потреблению калорий и связанным с этим стрессовым факторам окружающей среды. Женщины, перенесшие голод на поздних сроках беременности, рожали младенцев меньшего размера (Lumey & Stein, 1997), и у этих детей был повышенный риск инсулинорезистентности в более позднем возрасте (Painter, Roseboom, & Bleker, 2005). Кроме того, у потомства, которого недоедали до рождения, позже в зрелом возрасте наблюдалось нарушение толерантности к глюкозе, даже когда пищи было больше (Stanner et al., 1997). Голод на различных стадиях беременности был связан с широким спектром рисков, таких как увеличение ожирения, более высокие показатели ишемической болезни сердца и более низкая масса тела при рождении (Lumey & Stein, 1997). Интересно, что при обследовании 60 лет спустя у людей, подвергшихся пренатальному голоданию, было обнаружено снижение метилирования ДНК по сравнению с их не подвергавшимися воздействию однополых братьев и сестер (Heijmans et al., 2008).

Воспоминания — это воспоминания о реальных событиях, хранящиеся в нашем мозгу. Но как наш мозг может формировать и хранить эти воспоминания? Эпигенетические механизмы влияют на активность генома в головном мозге, вызывая долгосрочные изменения в передаче сигналов, организации и морфологии синапсов, которые, в свою очередь, поддерживают обучение и память (Day & Sweatt, 2011).

Активность нейронов в гиппокампе мышей связана с изменениями метилирования ДНК (Guo et al., 2011), а нарушение работы генов, кодирующих механизм метилирования ДНК, вызывает нарушения обучения и памяти (Feng et al., 2010). Метилирование ДНК также участвует в поддержании долговременной памяти, например, в фармакологическом подавлении метилирования ДНК и нарушении памяти (Day & Sweatt, 2011; Miller et al., 2010). Эти открытия указывают на важность метилирования ДНК в обеспечении синаптической пластичности и когнитивных функций, которые нарушаются при психологическом заболевании.

Изменения модификаций гистонов могут также влиять на формирование долговременной памяти, изменяя доступность хроматина и экспрессию генов, имеющих отношение к обучению и памяти.Формирование памяти и связанное с этим усиление синаптической передачи сопровождается увеличением ацетилирования гистонов (Guan et al., 2002) и изменениями метилирования гистонов (Schaefer et al., 2009), которые способствуют экспрессии генов. Напротив, повышение нейрональной активности гистондеацетилазы, которая способствует молчанию генов, приводит к снижению синаптической пластичности и ухудшению памяти (Guan et al., 2009). Фармакологическое ингибирование гистондеацетилаз усиливает формирование памяти (Guan et al., 2009; Levenson et al., 2004), далее предполагая, что (де) ацетилирование гистонов регулирует этот процесс.

У людей генетические дефекты генов, кодирующих метилирование ДНК и хроматиновый аппарат, оказывают глубокое влияние на когнитивные функции и психическое здоровье (Jiang, Bressler, & Beaudet, 2004). Двумя наиболее описанными примерами являются синдром Ретта (Amir et al., 1999) и синдром Рубинштейна-Тайби (RTS) (Alarcon et al., 2004), которые представляют собой серьезные нарушения умственной отсталости. И MECP2, и CBP высоко экспрессируются в нейронах и участвуют в регуляции экспрессии нервных генов (Chen et al., 2003; Мартинович и др., 2003).

Пациенты с синдромом Ретта имеют мутацию в последовательности ДНК в гене MECP2. MECP2 играет много важных ролей в клетке: одна из этих ролей — считывать последовательность ДНК, проверять метилирование ДНК и связываться с участками, содержащими метилирование, тем самым предотвращая присутствие неправильных белков. Другие роли MECP2 включают содействие присутствию определенных необходимых белков, обеспечение правильной упаковки ДНК в клетке и помощь в производстве белков.Функция MECP2 также влияет на экспрессию генов, которые поддерживают развитие дендритов и синапсов и гиппокамп-зависимую память (Li, Zhong, Chau, Williams, & Chang, 2011; Skene et al., 2010). Мыши с измененной экспрессией MECP2 обнаруживают повышение ацетилирования гистонов во всем геноме, гибель нейронных клеток, повышенную тревогу, когнитивные дефициты и социальную изоляцию (Shahbazian et al., 2002). Эти находки подтверждают модель, в которой метилирование ДНК и MECP2 составляют клеточно-специфический эпигенетический механизм для регуляции модификации гистонов и экспрессии генов, которые могут быть нарушены при синдроме Ретта.

Пациенты с RTS имеют мутацию в последовательности ДНК в гене, называемом CBP. Одна из этих ролей CBP — связываться со специфическими гистонами и способствовать ацетилированию гистонов, тем самым способствуя экспрессии генов. В соответствии с этой функцией, пациенты с RTS обнаруживают снижение ацетилирования гистонов и когнитивную дисфункцию по всему геному во взрослом возрасте (Kalkhoven et al., 2003). Дефицит обучаемости и памяти объясняется нарушением нейронной пластичности (Korzus, Rosenfeld, & Mayford, 2004). Подобно RTS у людей, мыши с мутацией CBP плохо справляются с когнитивными задачами и обнаруживают пониженное ацетилирование гистонов по всему геному (для обзора см. Josselyn, 2005).Было обнаружено, что в мозге мышей CBP действует как эпигенетический переключатель, способствующий рождению новых нейронов в головном мозге. Интересно, что этот эпигенетический механизм нарушается в мозге плодов мышей с мутацией CBP, которые, будучи детенышами, обнаруживают ранние поведенческие дефициты после удаления и отделения от своей матери (Wang et al., 2010). Эти находки обеспечивают новый механизм, посредством которого экологические сигналы, действуя через ферменты, модифицирующие гистоны, могут регулировать эпигенетический статус и тем самым напрямую способствовать нейрогенезу, который регулирует нейроповеденческое развитие.

Вместе эти исследования демонстрируют, что неправильная регуляция эпигенетических модификаций и их регуляторных ферментов способна управлять заметными недостатками нейрональной пластичности и когнитивной функции. Знания, полученные в результате этих исследований, могут помочь лучше понять другие психические расстройства, такие как депрессия и суицидальное поведение.

Исследования в масштабе всего эпигенома идентифицировали несколько десятков сайтов с изменениями метилирования ДНК в генах, участвующих в развитии мозга и путях нейротрансмиттеров, которые ранее были связаны с психическими заболеваниями (Mill et al., 2008). Эти расстройства являются сложными и обычно начинаются в молодом возрасте и вызывают пожизненную инвалидность. Часто ограниченная польза от лечения делает эти заболевания одними из самых обременительных для отдельных людей, семей и общества. Стало очевидным, что усилия по выявлению основных причин сложных психических расстройств могут значительно выиграть от исследований, связывающих воздействие окружающей среды с изменениями, наблюдаемыми в отдельных клетках.

Эпигенетические события, которые изменяют структуру хроматина для регулирования программ экспрессии генов, были связаны с поведением, связанным с депрессией, и действием антидепрессантов, и все больше доказательств сходных механизмов, происходящих в посмертном мозге депрессивных людей. У мышей социальное избегание привело к снижению экспрессии генов гиппокампа, важных в опосредовании депрессивных реакций (Tsankova et al., 2006). Аналогичным образом было обнаружено, что стресс хронического социального поражения снижает экспрессию генов, участвующих в нормальной обработке эмоций (Lutter et al., 2008). В соответствии с этими находками, уровни гистоновых маркеров повышенной экспрессии генов были подавлены в посмертных образцах мозга человека от людей с историей клинической депрессии (Covington et al., 2009).

Введение антидепрессантов увеличивало гистоновые маркеры повышенной экспрессии генов и обращало вспять репрессию генов, вызванную стрессом поражения (Lee, Wynder, Schmidt, McCafferty, & Shiekhattar, 2006; Tsankova et al., 2006; Wilkinson et al., 2009). Эти результаты подтверждают использование ингибиторов HDAC против депрессии.Соответственно, было обнаружено, что несколько ингибиторов HDAC проявляют антидепрессивный эффект, модифицируя отдельные клеточные мишени (Cassel et al., 2006; Schroeder, Lin, Crusio, & Akbarian, 2007).

Также появляется все больше доказательств того, что аберрантная экспрессия генов, возникающая в результате изменения эпигенетической регуляции, связана с патофизиологией суицида (McGowan et al., 2008; Poulter et al., 2008). Таким образом, возникает соблазн предположить, что существует эпигенетически обусловленная сниженная способность к экспрессии генов, которая необходима для обучения и памяти, в мозгу жертв суицида.

Хотя клеточные и молекулярные механизмы, влияющие на физическое и психическое здоровье, долгое время находились в центре внимания нейробиологии, только в последние годы внимание переключилось на на эпигенетические механизмы, лежащие в основе динамических изменений экспрессии генов, ответственных за нормальную когнитивную функцию и повышенный риск психических заболеваний.Связи между ранним окружением и эпигенетическими модификациями предполагают механизм, лежащий в основе взаимодействий ген-окружение. Само по себе неблагоприятное воздействие окружающей среды в раннем возрасте не является достаточной причиной психического заболевания, поскольку многие люди, перенесшие тяжелое жестокое обращение или травмы в детстве, остаются здоровыми. Становится все более очевидным, что унаследованные различия в сегментах определенных генов могут смягчать последствия неблагоприятных факторов и определять, кто чувствителен, а кто устойчив, посредством взаимодействия генов и окружающей среды.Гены, такие как рецептор глюкокортикоидов, по-видимому, смягчают влияние невзгод в детстве на психические заболевания. Примечательно, что были выявлены эпигенетические модификации ДНК, которые могут лежать в основе длительного воздействия окружающей среды на биологические функции. Это новое эпигенетическое исследование указывает на новую стратегию понимания взаимодействия генов и окружающей среды.

Следующее десятилетие исследований покажет, можно ли использовать этот потенциал для разработки новых терапевтических возможностей, которые могут изменить следы, которые ранняя среда оставляет на геноме.Однако, как обсуждается в этом модуле, эпигеном не статичен и может формироваться сигналами развития, нарушениями окружающей среды и болезненными состояниями, что представляет собой экспериментальную проблему при поиске эпигенетических факторов риска психологических расстройств (Rakyan, Down, Balding, И Бек, 2011). Размер образца и требуемый эпигеномный анализ зависят от количества пораженных тканей, а также от типа и распределения эпигенетических модификаций. Сочетание исследований карт генетических ассоциаций с исследованиями развития на уровне всего эпигенома может помочь выявить новые молекулярные механизмы для объяснения особенностей наследования черт личности и трансформировать наше понимание биологических основ психологии.Важно отметить, что эти эпигенетические исследования могут привести к выявлению новых терапевтических целей и позволить разработать улучшенные стратегии ранней диагностики, профилактики и лучшего лечения психологических и поведенческих расстройств.

роль эпигенетики в эволюции человека | Горизонты биологических наук: Международный журнал исследований студентов

Аннотация

Этот обзор призван выделить ключевые области, в которых изменения эпигенома сыграли важную роль в эволюции и развитии нашего вида.Во-первых, будет краткое введение в тему эпигенетики, чтобы обрисовать текущее понимание предмета и проинформировать читателя об основных механизмах и функциях эпигенома. Это приведет к более подробному рассмотрению роли, которую играют эпигенетические изменения в быстрой эволюции нашего вида и появлении от наших предков, а также о человеческих ускоренных регионах, которые сыграли свою роль в этом. Обсуждение подчеркивает, как эпигенетика помогла и препятствовала развитию нашего вида посредством изменений в эпигеноме в более современное время, обсуждая примеры задокументированных случаев, когда показано, что эпигенетика сыграла роль в эволюции человечества.

Введение

Эволюция человека часто рассматривается как нечто абстрактное и далекое, что-то, что сыграло роль в развитии наших давно забытых предков, но не влияет на современное состояние нашего вида. Даже когда мы рассматриваем генетические условия, которые когда-то обеспечивали эволюционное преимущество популяциям ранних людей, но теперь стали опасными, часто думают, что современная медицина компенсирует и, в значительной степени, сводит на нет их симптомы.К ним относятся такие состояния, как серповидноклеточная анемия и сахарный диабет 1 типа; Многие из людей, страдающих этими заболеваниями, живут полноценной и здоровой жизнью благодаря современной медицине. Поэтому мы рассматриваем эти условия через призму болезни, а не как пережитки нашей эволюционной истории. Одно время серповидно-клеточная анемия обеспечивала важную защиту от малярии (Wiesenfeld, 1967), и есть свидетельства того, что сахарный диабет 1 типа развился у первых европейцев в результате адаптации к более холодному климату (Moalem et al., 2005). По мере того, как технологии развиваются и компенсируют эволюционные движущие силы этих черт, они больше не так выгодны для людей, которые их носят, как когда-то. Однако эволюция — это непрерывный процесс, от которого не исключены и современные люди, несмотря на то, что развитие науки снизило роль отбора. Люди не боятся последствий эволюции, и недавние исследования в области эпигенетики служат напоминанием об этом факте.

Эпигенетика — это механизм контроля генов, который может способствовать или подавлять экспрессию генов без изменения генетического кодирования организма (Feinberg, 2008).Другими словами, эпигенетика представляет собой систему, с помощью которой можно изменять экспрессию генов человека без изменения последовательности их генома. Наше текущее понимание выявило некоторые из контролирующих эпигенетических процессов, регулирующих экспрессию генов, которые называются эпигенетическими «метками». Например, метилирование ДНК, изменение молекул гистонов, которые удерживают вместе суперструктуры ДНК посредством метилирования или ацетилирования, и различные процессы, зависящие от РНК и Dicer-белка, которые ингибируют экспрессию генов.В совокупности сумма всех этих эпигенетических меток у человека называется эпигеномом. Этот обзор будет в основном сосредоточен на исследованиях, связанных с метилированием ДНК, поскольку это наиболее широко изученный эпигенетический механизм, но будут затронуты и другие аспекты эпигенома. Уже известно, что метилирование ДНК очень важно; например, крайние случаи деметилирования, представляющие собой потерю контроля над экспрессией генов, связаны с онкогенезом (Feinberg and Tycko, 2004).Этот обзор, однако, не будет сосредоточен на влиянии, которое изменения в эпигеноме могут иметь на здоровье человека, вместо этого он будет обсуждать роль, которую этот механизм контроля экспрессии генов сыграл в эволюции нашего вида, как появление человеческого виды и последствия, которые он оказал в последнее время.

Прежде чем мы сможем полностью осознать влияние, которое эпигенетика оказала на наш вид, необходимо более твердое понимание того, что такое эпигенетика и каким образом она может изменять экспрессию генов.Контроль над генами — увлекательная область генетики, и это особенно интересно тем, кто увлекается эволюцией человека. Эпигенетическое влияние на экспрессию генов, возможно, возникло как защита от транспозонов, паразитарной ДНК, которая прыгает в геноме и может нарушать работу генов, вставляя в их середину (Slotkin and Martienssen, 2007). Возможный механизм защиты может быть достигнут посредством метилирования ДНК, как показано на рис. 1. Выключение этих мобильных элементов и предотвращение или ограничение повреждения генома организма дает важное преимущество тем первым видам, которые разработали этот механизм.В конце концов этот процесс превратился в метод стимулирования и репрессии генов хозяина (Feinberg, 2008), которые можно было не только приобретать на протяжении всей жизни человека, но и передавать его потомству (Jones, 2012). Этот механизм сайленсинга генов, возможно, также позволил развитию многоклеточных организмов, позволяя одному геному адаптировать свои экспрессируемые гены в каждой отдельной клетке внутри более крупного организма (Badyaev, 2014).

Рисунок 1.

Метилирование как защита от транспозонов. На рисунке показано, как метилирование может помочь организму защитить себя от транспозонов. Со временем ДНК, кодирующая жизненно важные белки для транспозона, станет метилированной и перестанет экспрессироваться, таким образом, захватив транспозон в его текущем положении в геноме хозяина. Это предотвращает «прыжок» транспозона и возможное нарушение экспрессии жизненно важных генов в другом месте генома хозяина.

Рисунок 1.

Метилирование как защита от транспозонов.На рисунке показано, как метилирование может помочь организму защитить себя от транспозонов. Со временем ДНК, кодирующая жизненно важные белки для транспозона, станет метилированной и перестанет экспрессироваться, таким образом, захватив транспозон в его текущем положении в геноме хозяина. Это предотвращает «прыжок» транспозона и возможное нарушение экспрессии жизненно важных генов в другом месте генома хозяина.

Хотя эпигенетика представляет собой относительно новое понимание систем, участвующих в контроле и экспрессии генов, она также представляет собой нечто очень важное — фундаментальную переоценку теории эволюции.Приобретенные признаки, хотя и не являются изменениями генома, могут передаваться по наследству (Jones, 2012). В этом обзоре будут рассмотрены последствия этого для концепции эволюции человека и выделены интересные примеры и тематические исследования, в которых эти эффекты заметны.

Способ наследования

Изучение эпигенетики выявило интересный аспект этого метода контроля экспрессии генов. Метилирование ДНК и другие эпигенетические метки не изменяют гены, на которые они влияют на уровне последовательности, но, тем не менее, изменяют экспрессию этих генов.Кроме того, эти знаки могут быть приобретены на протяжении всей жизни человека, и, если они хранятся в их гаметах, эти знаки передаются по наследству. В этом разделе основное внимание будет уделено способам наследования этих меток.

Полуконсервативный характер митоза приводит к появлению двух наборов дочерних хроматид, по одному в каждом наборе, несущем эпигенетические метки из исходной хромосомы (Feinberg, 2008), как показано на рис. 2. Это позволяет переносить эпигенетические метки из материнские клетки дочерним клеткам в соматической ткани.Это объясняет, как эти отметки могут сохраняться у человека, но не как они передаются следующему поколению потомства.

Рисунок 2.

Сохранение эпигенетических меток во время митоза.

На рисунке показано, как эпигенетические метки могут поддерживаться в эпигеноме отдельной клетки во время митоза. Как видно из ( A ), исходная хромосома содержит эпигенетические метки на обеих хроматидах, а в ( B ) обе дочерние хромосомы содержат некоторые из эпигенетических меток материнской хромосомы из-за полуконсервативной природы митоза.

Рисунок 2.

Сохранение эпигенетических меток во время митоза.

На рисунке показано, как эпигенетические метки могут поддерживаться в эпигеноме отдельной клетки во время митоза. Как видно из ( A ), исходная хромосома содержит эпигенетические метки на обеих хроматидах, а в ( B ) обе дочерние хромосомы содержат некоторые из эпигенетических меток материнской хромосомы из-за полуконсервативной природы митоза.

Эти метки могут также сохраняться в дочерних хроматидах во время мейоза, в результате чего все гаметы несут эпигенетические метки индивидуума происхождения.Однако многие из этих следов удаляются в процессе образования гамет. Теперь понятно, что некоторые гены защищены от этого процесса деметилирования, в результате чего метки сохраняются в эпигеноме их гамет (Giuliani et al., 2015). Общая механика процесса оставляет некоторые вопросы без ответа, но известно, что модификация гистонов является ключом к идентификации участков генома потомства для метилирования после оплодотворения гамет (Samson et al., 2014).

Метки метилирования могут быть унаследованы от матери (Giuliani et al., 2015) или отцовской гаметы (Soubry, 2015). Через отца потомство может унаследовать широкий спектр меток метилирования, причем большинство этих меток каким-то образом влияет на пищеварительную систему ребенка (Soubry, 2015). Таким образом, собственная диета отца может влиять на развитие и адаптацию его ребенка, чтобы он лучше подходил к условиям питания, в которых он жил. Эпигеном матери-родителя оказывает гораздо большее влияние на условия питания. Мать имеет вдвое большее влияние на эпигеном своего потомства, во-первых, за счет собственных эпигенетических адаптаций, приобретенных ею в периконцепционный период своей жизни (Giuliani et al., 2015), а во-вторых, во время самой беременности (Heijmans et al., 2008). Сравнительно повышенное влияние эпигенома матери еще раз подчеркивается в случаях голода. Если затронутым родителем является мать, последствия вредных эпигенетических меток более сильно выражены в фенотипе потомства, особенно если голод наступает на ранних сроках беременности (Tobi et al., 2009). В качестве примера этой пагубной природы гипометилирования можно взглянуть на голландскую зиму голода, хорошо задокументированный пример голода в современном мире, который произошел с 1944 по 1945 год из-за блокировки, препятствовавшей перемещению топлива и продуктов питания в Нидерландах. .Это голодание привело к гипометилированию гена IGF-2 , гена, ответственного за образование инсулиноподобного фактора роста 2. Этот белок необходим для роста и развития плода, поэтому метилирование генов и последующее молчание привело к увеличению метаболических заболеваний у младенцев (Heijmans et al., 2008). Способность родительского недоедания оказывать явно негативное и вредное воздействие на эпигеном потомства будет более подробно изучена позже в обзоре.

Не все наследуемые эпигенетические метки унаследовали пищеварительную систему потомства, при этом многие из них влияют на иммунологические возможности потомства. Это было очень полезно и выгодно для кочевых народов, и пример этого можно увидеть при сравнении народов оромо и народов амхара в Эфиопии (Alkorta-Aranburu et al., 2012). В этом случае оказывается, что эпигенетические метки на самом деле способствуют иммунологической изменчивости среди вновь прибывшей популяции. Это будет рассмотрено более подробно в разделе «Примеры из практики» далее в обзоре.Другой случай унаследованных эпигенетических меток, влияющих на адаптацию человека к окружающей среде, — это сильное влияние, которое эпигеном человека оказывает на гомеостатическую систему (Gluckman, Hanson, and Spencer, 2005). На адаптацию человека к окружающей среде сильно влияют собственные приобретенные черты родителей, и по мере того, как сменяются поколения, каждое поколение будет накапливать все больше и больше эпигенетических меток, которые влияют на гомеостатические системы их поколений. В конечном итоге это приведет к тому, что популяция будет генетически похожа на первоначальных поселенцев, но будет более адаптирована к окружающей среде.Этот процесс приведет к возникновению гомеостатического фенотипа, который лучше компенсирует их естественный климат за более короткий промежуток времени, чем если бы фенотип популяции изменился под воздействием только комбинации генетической мутации и эволюционного давления.

Влияние на развитие человека как вида

Чтобы понять влияние эпигенетики на наше развитие в современных людях, мы должны сравнить области метилирования генов, наблюдаемые у нашего вида и наших ближайших ныне живущих родственников.Многие из областей в геноме человека, которые метилированы, не являются генами, уникальными для человека, с наибольшими различиями в метилировании, происходящими в областях ДНК, связанных с факторами транскрипции (или TF) и контролем генов (Hernando-Herraez et al., 2015). Это связано с тем, что TF имеют широкое влияние на выраженный фенотип индивидуума из-за того, что эти факторы функционируют как форма регуляции экспрессии генов, тем самым способствуя или подавляя другие гены в геноме. Даже небольшие различия в эпигеноме, окружающем ТФ, могут приводить к широкому различию фенотипов между особями одного и того же вида из-за их широкого влияния (Heyn et al., 2013). Таким образом, можно только предположить, насколько важны эти фенотипические изменения в вариации, которая отделяет нас от наших предков.

Следует отметить эпигенетические изменения, которые, как известно, произошли в регионах с ускоренным развитием человека (или HAR) (Hubisz and Pollard, 2014). HAR — это участки ДНК, которые претерпели быстрые изменения с момента появления человеческого вида, намного превышающие нормальную скорость мутаций. Эти регионы выделяются из-за чрезвычайно ускоренного темпа мутаций, которым они подверглись, и, как многие понимают, ответственны за быстрое отклонение людей от других видов (Hubisz and Pollard, 2014).Точная природа роли, которую играют эпигенетические изменения в HARs, неясна, но важность их роли несомненна, поскольку эпигенетические изменения, возможно, предшествуют последовательным изменениям в ДНК (Бадяев, 2014). Предлагаемая теория состоит в том, что эти отметки на самом деле способствовали возникновению мутаций в генах, ответственных за существование нашего вида.

Изучение эпигеномов наших родственных видов проливает свет на относительно большое расхождение, которое произошло с момента нашего появления от наших дальних родственников, расхождение такого роста, что его нельзя объяснить исключительно нуклеотидными изменениями (Hernando-Herraez et al., 2015). Высказывались даже предположения, что эпигенетические изменения могут иметь большее влияние на дарвиновскую эволюцию вида, чем геномные мутации (Бадяев, 2014), и эта область исследований только добавляет веса этим утверждениям.

Влияние на эволюцию современного человека

Современные люди выживали и процветали в самых разных средах на протяжении тысячелетий, от арктической тундры до пустынь Сахары. Ключом к этому успеху всегда была уникальная человеческая способность быстро адаптироваться, и эпигенетика сыграла роль в этой способности адаптироваться.В то время как культурная адаптация к окружающей среде, такая как смена одежды или ритуального поведения, являются наиболее наглядными признаками этой приспособляемости, не менее важны более тонкие генетические и эпигенетические изменения, которым подвергается популяция, когда она живет на определенной территории в течение нескольких поколений. Например, популяция, которая жила в засушливой среде, будет нести множество генетических мутаций, которые сделают ее более подходящей для засушливого климата. Если происходит катастрофический сдвиг климата и их исконные земли внезапно становятся холодными и сырыми, они могут адаптироваться к ношению более толстой одежды (Cavalli-Sforza and Feldman, 1983) для защиты от холода и могут даже принять новые обычаи и ритуалы, связанные с гигиеническим поведением для защиты. против новых болезней, которые прижились в регионе (Wiesenfeld, 1967).Однако эта популяция все еще будет нести многие генетические мутации, которые сделали их подходящими для их старой среды, пока давление отбора не позволит новым мутациям компенсировать эти генетические реликвии.

Важной идеей является способ рассмотрения каждого отдельного типа адаптации в сравнении друг с другом. Культурная адаптация — это универсальный термин, охватывающий все искусственные адаптации, которые человек может использовать, чтобы чувствовать себя более комфортно в окружающей среде (Cavalli-Sforza and Feldman, 1983).Одежда и развитие новых обычаев — все это полезные инструменты перед лицом экологических проблем, но они представляют собой краткосрочные адаптации, которые не влияют на выраженные фенотипы вида. Для сравнения, генетические изменения, такие как распространенность серповидной анемии в регионах, подверженных вспышкам малярии, представляют собой гораздо более долгосрочную адаптацию. Чтобы добиться этих изменений, нужно больше времени, и от них не так легко избавиться после того, как их полезность исчерпала себя, например, когда человек просто меняет свою одежду в соответствии с погодой (Laland, Odling-Smee, and Myles, 2010).

Что же тогда представляют собой эпигенетические изменения в этой модели? Во-первых, они иллюстрируют среднесрочные адаптации, находящиеся между культурными изменениями и генетической эволюцией во времени, которое требуется человеку для их приобретения (Giuliani et al., 2015). В этой модели понимания адаптации человека эпигенетические изменения также служат механизмом хронометража, помогая смягчить негативные эффекты генетических реликвий, приобретенных популяциями предков под различным эволюционным давлением (Бадяев, 2014).Заглушая старые гены, которые когда-то служили жизненно важной цели, эпигенетика также помогает предотвратить накопление сложности в организме, заглушая старые, менее часто транскрибируемые гены (Бадяев, 2014), почти так же, как метилирование ДНК борется с нанесенным ущербом. транспозонами (Slotkin, Martienssen, 2007).

Хороший способ изучить эту модель адаптации — рассмотреть, каким образом каждое из этих изменений повлияет на гипотетическую популяцию, которая внезапно стала подвергаться суровому, холодному климату.Эта популяция очень быстро адаптируется, во-первых, за счет усиления защиты от непогоды за счет более толстой одежды. Хотя это эффективный метод сохранения тепла, их тела еще не адаптировались к холоду, и поэтому их гены, контролирующие гомеостаз, будут по-прежнему функционировать так же, как и в более теплом климате, что может быть значительно расточительным и, возможно, вредным. . Если когда-то их пот помогал удерживать тепло от повреждения их тел, теперь он расходует воду.На этом этапе, по прошествии значительного числа поколений, эпигенетические изменения начнут проявляться под давлением отбора. Метилирование ДНК и модификации гистонов будут накапливаться, точно настраивая их гомеостатическую экспрессию генов на более холодную среду. Это приводит к подавлению генов, которые лучше подходят для более жаркого климата, и способствует экспрессии других генов, которые дают преимущество в более холодном климате. Наконец, через еще большее количество поколений новые аллели закрепятся в популяциях, представляющих новые гены.Эти новые гены будут кодировать новые белки, которые тем или иным образом обеспечат селективное преимущество, которое почти постоянно проявляется в экспрессии, если не дает преимущества.

В рассмотренной выше модели краткосрочной и долгосрочной адаптации, чем больше период времени требуется для приобретения и адаптации, тем более значительными будут изменения в физиологии человека и выраженном фенотипе. Еще один момент, подчеркнутый этой моделью, заключается в том, что чем дольше адаптация приобретается, тем меньше вероятность ее утраты.Ведь намного легче снять куртку, чем спонтанно потерять ген, отвечающий за повышение метаболической активности. Здесь снова появляется эпигенетика, поскольку она не только заставляет замолчать старые гены, которые больше не нужны, под влиянием давления отбора, но и вносит большую пластичность в экспрессию генов (Giuliani et al., 2015), позволяя людям которые несут одинаковый или невероятно похожий геном с измененной экспрессией генов. Благодаря этому механизму эпигенетика допускает вариабельность фенотипов, необходимых для адаптации и отбора (Tobi et al., 2009).

Примеры из практики

Интересным исследованием эпигенетики, которое представляет собой пример ее роли в эволюции человека, является исследование различных эпигенетических маркеров между народами оромо и амхара в высокогорье Эфиопии, которое выявило нечто удивительное: исследователи ожидали обнаружить, что представители народов оромо , которые являются мигрантами в высокогорье, будут иметь увеличение эпигенетических меток вокруг генов, связанных с потреблением кислорода или производством красных кровяных телец.Это приспособления, которые уже были у народов амхара, позволяющие им успешно жить на своей возвышенной родине. Вместо этого многие эпигенетические маркеры, обнаруженные исследователями в популяции оромо, связаны с генами, связанными с иммунной системой (Alkorta-Aranburu et al., 2012). Более интересным было то, что эти отметки не были однородными среди населения, а вместо этого широко варьировались от человека к человеку (Alkorta-Aranburu et al., 2012). Это, по-видимому, демонстрирует эпигенетические метки, действующие как катализатор внесения вариаций в экспрессию генов, что приводит к широкому спектру фенотипов и ответов для борьбы с новыми микробиологическими угрозами, которым мигрирующая популяция подвергалась по прибытии в регион.

Здесь эти эпигенетические метки компенсируют отсутствие иммунологической адаптации народов оромо к этому новому климату по сравнению с коренным народом Амхара, смягчая ущерб, нанесенный популяциям оромо в промежуточный период до того, как может произойти генетическая мутация, которая обеспечивает более сильную защита.

Как обсуждалось ранее, эпигенетика играет ключевую роль в пищевой адаптации индивидов, производя индивидов, несущих эпигенетические метки, которые делают их более приспособленными к диете их родителей.Толерантность к лактозе — один из способов проявления этой эпигенетической пищеварительной адаптации (Ingram et al., 2009). Фенотипы «неоднородной» толерантности к лактозе наблюдались в популяциях, лишенных мутации толерантности к лактозе. С увеличением доступности молочных продуктов во всем мире можно ожидать, что эпигенетическая модификация, вызывающая более слабую толерантность к лактозе, будет только увеличиваться, по крайней мере, до тех пор, пока мутация толерантности к лактозе не распространится в глобальном генофонде.

Различные генетические состояния влияют на эритроциты и их способность поглощать кислород.К ним относятся серповидноклеточная анемия и талассемия, которые возникают только после того, как у человека полностью переключится на гемоглобин взрослых (Sripichai et al., 2009). В случае серповидной анемии известно, что это состояние придает устойчивость к малярии. По мере того, как противомалярийные методы лечения становятся все более и более эффективными, а уничтожение комаров начинает сдерживать рост инфекций, это стало условием, которое в настоящее время в основном служит бременем для молодых служб здравоохранения во всем мире.Поскольку давление отбора на эти популяции изменилось, эпигеном этих популяций также отреагировал. В двух различных исследованиях были обнаружены эпигенетические маркеры, которые могут вызывать сохранение гемоглобина плода (или POFH) (Sripichai et al., 2009; Sankaran, Xu, and Orkin, 2010). POFH — это состояние, при котором человек никогда не переключается на гемоглобин взрослого и, таким образом, избегает экспрессии мутаций серповидной анемии и талассемии. Хотя они все еще несут эти мутации, эти люди не проявляют вредных фенотипов из-за эпигенетических маркеров, которые ингибируют связанные гены.Это показано на рис. 3.

Рисунок 3.

Эпигенетическая профилактика серповидной анемии.

На рисунке показано, как эпигенетические метки могут предотвратить экспрессию мутации серповидных клеток. ( A ) показывает, что происходит у человека, который несет мутации, но не имеет никаких эпигенетических меток, подавляющих ген переключения взрослого гемоглобина. У этих людей в конечном итоге разовьется серповидноклеточная анемия. В ( B ) ген переключения гемоглобина взрослого человека подавляется эпигенетическими метками, и поэтому ген серповидной анемии никогда не экспрессируется, поскольку индивидуум поддерживает выработку гемоглобина плода.

Рисунок 3.

Эпигенетическая профилактика серповидной анемии.

На рисунке показано, как эпигенетические метки могут предотвратить экспрессию мутации серповидных клеток. ( A ) показывает, что происходит у человека, который несет мутации, но не имеет никаких эпигенетических меток, подавляющих ген переключения взрослого гемоглобина. У этих людей в конечном итоге разовьется серповидноклеточная анемия. В ( B ) ген переключения гемоглобина взрослого человека подавляется эпигенетическими метками, и поэтому ген серповидной анемии никогда не экспрессируется, поскольку индивидуум поддерживает выработку гемоглобина плода.

Уязвимости эпигенетики

В этом обзоре изменения эпигенома человека обсуждались в чрезмерно позитивном свете. Такие изменения могут быть механизмом, обеспечивающим более быструю форму адаптации, чем генетические мутации (Giuliani et al., 2015). Он также может действовать как механизм отсчета времени в более старых, а теперь и вредных генах (Бадяев, 2014). Наконец, это может быть влиятельная реакция на дарвиновское давление на человека или популяцию (Alkorta-Aranburu et al., 2012). Как и в любом процессе адаптации, существует отрицательная сторона, и, как и генетические мутации, эпигенетические метки часто наносят вред здоровью человека. Например, существует известная связь между гипердеметилированием и онкогенезом (Feinberg and Tycko, 2004), но в этом обзоре будут рассмотрены негативные аспекты изменений эпигенома с точки зрения их влияния на эволюцию человека.

Эпигенетика может действовать как механизм отсчета времени, подавляя гены, которые отжили свое предназначение.Однако стоит отметить, что эта функция эпигенетических меток имеет ограничения, поскольку во многих случаях рассматриваемый ген не заглушается полностью (Бадяев, 2014), а вместо этого экспрессируется с более низкой скоростью. С дарвиновской точки зрения это нежелательное последствие, поскольку индивидуум выживет, но его потомство теперь будет обладать чертой, снижающей его способность к адаптации. Таким образом могут накапливаться многие черты, снижающие общую приспособленность вида.

Роль, которую эпигенетика играет в пищеварительной адаптации, также является палкой о двух концах.Это было продемонстрировано исследованиями многочисленных случаев голода, включая современные примеры, такие как голландская зима голода (Tobi et al., 2009; Giuliani et al., 2015; Soubry, 2015). Исследования показывают, что подверженность родителей голоду приводит к накоплению отрицательных черт у потомства из-за нарушения регуляции меток метилирования, включая склонность к диабету и ожирению, а также увеличение частоты сердечно-сосудистых заболеваний (Heijmans et al., 2008).

Наконец, и, возможно, самым пугающим аспектом эпигенома является способность людей, переживших травмирующие переживания, которые подвергли их разум и тело экстремальному стрессу, приобретать, а затем передавать полученные эпигенетические метки и черты этого времени в их жизни.Наиболее ярким примером этого является накопление эпигенетических меток у потомков переживших Холокост, что приводит к заметному увеличению посттравматического стрессового расстройства, депрессии и ожирения, что является результатом дифференциального метилирования гена FKBP5 (Yehuda et al., 2015) . Хотя эти эффекты менее серьезны, чем генетические мутации, эффекты изменений эпигенома, в силу того, что они менее сильны по своему влиянию на фенотип, позволяют накапливать признаки, которые, если бы они были выражены на уровне последовательности, не были бы сохранены. новое поколение.

Заключение

В этом обзоре обсуждались различные эффекты, которые эпигеном оказывает на эволюцию нашего вида. Его положительная способность действовать как ответ на давление отбора и как способ смягчения вредных мутаций может быть выгодной. Однако его значительный контроль над экспрессией генов также может привести к вредным последствиям, например как путь к онкогенезу или как механизм накопления черт, снижающих приспособленность и приспособляемость.Самое важное, что нужно понимать об эпигеноме, — это то, что он не всегда связан с положительным или отрицательным влиянием на развитие нашего вида, а скорее с тем, что он придает пластичность нашему геному (Giuliani et al., 2015). Поощряя вариабельность и адаптивность нашего вида, эпигенетические механизмы контроля экспрессии генов гарантируют, что человечество может выживать и процветать в любом количестве сред. Эпигенетика является важной частью причины, по которой наш вид стал настолько адаптируемым, и эта черта, как часто думают, отличает нас от тех, кого мы часто считаем менее развитыми и развитыми животными, с которыми мы обитаем на этой Земле.В самом деле, можно утверждать, что эпигенетика отвечает за и предоставляет нашему виду инструменты, которые действительно сделали нас уникальными в нашей способности завоевывать любую среду обитания и адаптироваться практически к любому климату. Изучение эпигенетики также сделало эволюцию нашего вида менее абстрактной и отдаленной; Теперь мы можем лучше понять влияние различных черт на уровне поколений и лучше наблюдать движущие факторы, стоящие за изменениями нашего вида. Что еще более важно, это свидетельствует о том, что человечество не находится выше и не остается равнодушным к последствиям избирательного давления.Наконец, более глубокое понимание эпигенетики изменило то, как мы думаем об эволюции, составив фундаментальное переосмысление темы и того, как этот механизм позволяет нам приобретать черты в течение всей жизни и передавать эти черты нашему потомству. Конечно, выживание наиболее приспособленных остается золотым правилом эволюции, но, углубляясь в эпигеном, мы понимаем, что черты, управляющие приспособленностью, и, следовательно, приспособленностью индивидуума, более изменчивы и податливы, чем если бы они рассматривались исключительно через призму объективности. генетическая мутация и унаследованные черты.

Самый важный урок, извлеченный из изучения эпигенома нашего вида, заключается в том, что оно дало понимание факторов, отделяющих нас от наших ближайших живых родственников в животном царстве, которые нельзя объяснить только генетическими мутациями.

Outlook

Центральной теоремой, на основе которой был сделан этот обзор, является понимание эпигенетики с точки зрения ее роли в обеспечении среднесрочной адаптации. Чтобы развить эту гипотезу и подтвердить доказательства, представленные в этом обзоре, необходимо провести более глубокое исследование появления эпигенетических меток у популяций, сталкивающихся с изменяющимся давлением отбора.Работа, проделанная по изучению и сравнению эпигенома аборигенных и недавно мигрировавших популяций в высокогорных районах Эфиопии, является убедительным примером того, как можно проводить это исследование (Alkorta-Aranburu et al., 2012). Более того, идеальной областью, которая могла бы пролить еще больше информации о роли эпигенетики в эволюции человека, является сравнение популяций Верхнего и Нижнего Нила. Эти районы исторически сталкивались с аналогичными угрозами в виде малярии, но развитие вдоль Нижнего Нила, подкрепленное инвестициями в профилактику со стороны египетского правительства, в последние десятилетия резко снизило темпы перехода малярии комарами.Кроме того, в обеих этих областях отмечены значительные уровни серповидной анемии (El-Hazmi, Al-Hazmi and Warsy, 2011). Сочетание обоих этих факторов делает этот регион идеальным для исследования возникающих эпигеномных изменений в условиях изменения давления отбора. Можно предсказать, что эпигенетические метки, заглушающие эффекты серповидноклеточной анемии (Sripichai et al., 2009), как обсуждалось ранее, станут более распространенными в этих областях, но это не может быть известно наверняка, как это было в случае с предсказанным. изменения эпигенома в Эфиопском нагорье (Alkorta-Aranburu et al., 2012).

Биография автора

Когда я закончил факультет генетики Университета Глазго, мои интересы начали сосредоточиваться на области эпигенетики довольно поздно в моей академической карьере. Однако после того, как я погрузился в эпигенетику и огромное количество вопросов и теорий, поднятых этой темой, которые перевернули генетику с ног на голову, эпигенетика очаровала меня. Я надеюсь, что когда-нибудь либо проведу исследование влияния эпигенетики на эволюцию человека, либо стану журналистом, специализирующимся на этой теме.

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить моего консультанта доктора Криса Финли за его поддержку на протяжении всего моего исследования и указание на конечную цель моего исследования эпигенетики. Он предоставил начальные документы, которые дали мне более глубокое представление о работе по исследованию роли эпигенома в развитии человеческого вида.

Список литературы

Алькорта-Аранбуру

г.

Билл

К.М.

Д. Б.

2012

Генетическая архитектура адаптации к большой высоте в Эфиопии

PLoS Genetics

8

12

e1003110

Бадяев

AV

2014

Эпигенетическое разрешение «проклятия сложности» в адаптивной эволюции сложных признаков

The Journal of Physiology

592

2251

2260

2260 .

Cavalli-Sforza

LL

Feldman

MW

1983

Культурная адаптация против генетической

Труды Национальной академии наук

80

80

4993

4996

Эль-Хазми

MAF

Аль-Хазми

AM

Warsy

AS

2011

Серповидноклеточная болезнь в арабских странах Ближнего Востока

Индийский медицинский журнал Исследования

134

5

597

610

Feinberg

A. P.

2008

Эпигенетика в эпицентре современной медицины

Журнал Американской медицинской ассоциации

299

11

1345

Feinberg

A. P.

Tycko

B.

2004

История рака Эпигенетика

Nature Reviews. Рак

4

2

143

153

Giuliani

C.

Bacalini

M. G.

Sazzini

M.

2015

Эпигенетическая сторона адаптации человека: гипотезы, доказательства и теории

Анналы биологии человека

42

1

1

9

Gluckman

P. D.

Hanson

M. A.

Spencer

H.G.

2005

Прогнозные адаптивные реакции и эволюция человека

Тенденции в экологии и эволюции

20

10

527

533

Heijmans

B. T.

Tobi

E. W.

Stein

A. D.

2008

Стойкие эпигенетические различия, связанные с пренатальным воздействием голода у людей

Proceedings of the National Academy of Sciences

105

44

17046

17049

Hernando-Herraez

I.

Heyn

H.

Fernandez-Callejo

M.

2015

Взаимодействие между метилированием ДНК и расхождением последовательностей в недавней эволюции человека

Nuclear Acids Research

43

17

8204

8214

Heyn

H.

Moran

S.

Hernando-Herraez

I.

2013

Метилирование ДНК способствует естественной изменчивости человека

Genomic Research

23

1363

1372

Hubisz

MJ

Pollard

KS

2014

Изучение происхождения и функций регионов с ускоренным развитием человека проливает свет на их роль в эволюции человека

Current Opinion

29

15

21

Ingram

C. J. E.

Mulcare

C. A.

Itan

Y.

2009

Переваривание лактозы и эволюционная генетика устойчивости лактазы

Human Genetics

124

6

579

591

Jones

PA

2012

Функции метилирования ДНК: островки, стартовые сайты, тела генов и за их пределами

Nature Reviews Genetics

13

7

484

492

Laland

KN

Odling-Smee

J.

Myles

S.

2010

Как культура сформировала геном человека: объединение генетики и гуманитарных наук

Обзоры природы Генетика

11

2

137

148

Моалем

С.

Этаж

К. Б.

Перси

М.E.

2005

Самое приятное в диабете 1 типа: криопротекторная эволюционная адаптация

Медицинские гипотезы

65

1

8

16

Samson

M.

Jow

M. M.

Wong

C. C.

2014

Спецификация и глобальное перепрограммирование гистона Эпигенетические метки во время формирования гамет и раннего развития эмбриона у C.elegans

PLoS Genetics

10

10

e1004588

Sankaran

VG

Xu

J.

Orkin

SH

2010

Достижения в понимании переключения гемоглобина

Британский журнал гематологии

2

181

194

Слоткин

р.K.

Martienssen

R.

2007

Мобильные элементы и эпигенетическая регуляция генома

Nature Reviews Genetics

8

4

272

285

Субри

A.

2015

Эпигенетическое наследование и эволюция: взгляд отца на влияние питания

Прогресс в биофизике и молекулярной биологии

118

1–2

85

Sripichai

O.

Kiefer

C. M.

Bhanu

N. V.

2009

Цитокин-опосредованное увеличение гемоглобина плода связано с модификацией гистона глобина и перепрограммированием фактора транскрипции

Кровь

114

11

2299

2306

Tobi

E. W.

Lumey

L.H.

Таленс Рудольф

P.

2009

Различия в метилировании ДНК после воздействия пренатального голода являются обычными и зависят от времени и пола

Human Molecular Genetics

18

21

4046

4053

Wiesenfeld

S. L.

1967

Серповидноклеточный признак в биологической и культурной эволюции человека

Science (New York, N.Ю.)

157

3793

1134

1140

Yehuda

R.

Daskalakis

N. P.

Bierer

L. M.

2015

Воздействие холокоста вызвало межпоколенческие эффекты метилирования FKBP5

Биологическая психиатрия

80

652

656

Заметки автора

Руководитель: Кристофер Финлей, Университет Глазго, Глазго G12 8QQ, Великобритания

Как выпускник факультета генетики Университета Глазго, мои интересы начали сосредотачиваться на области эпигенетики довольно поздно в моей академической карьере.Однако после того, как я погрузился в эпигенетику и огромное количество вопросов и теорий, поднятых этой темой, которые перевернули генетику с ног на голову, эпигенетика очаровала меня. Я надеюсь, что когда-нибудь либо проведу исследование влияния эпигенетики на эволюцию человека, либо стану журналистом, специализирующимся на этой теме.

© Автор, 2017. Опубликовано Oxford University Press.

(PDF) Эпигенетические механизмы кембрийского взрыва

Nelson R. Cabej

CABEJ

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ

МЕХАНИЗМЫ

КАМБРИЙСКИЙ ВЗРЫВ

ВЗРЫВ

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ

ВЗРЫВ

9780128 143117

ISBN 978-0-12-814311-7

Уникально опирается на эпигенетическую теорию эволюции для объяснения быстрой диверсификации метазоан

того периода

Кембрийский взрыв стал беспрецедентно быстрой диверсификацией животных

542 миллиона лет назад.В эволюционный «миг» примерно 10 миллионов лет, из которых

представляют лишь 0,3% времени существования жизни на Земле, появились все 30 существующих планов тела

и основные группы животных.

За последние полвека был выдвинут ряд гипотез, объясняющих кембрийский взрыв

, но эти теории не имеют подтверждающих доказательств или не объясняют все изменения, произошедшие во время кембрийского взрыва, из

.В книге «Эпигенетические механизмы кембрийского взрыва

» автор использует свою эпигенетическую теорию эволюции для объяснения причинной основы кембрийского взрыва

. Он представляет как эмпирические доказательства, так и теоретическую аргументацию

в поддержку этой эпигенетической теории.

Эпигенетические механизмы кембрийского взрыва предоставляет читателям базовые знания о

эпигенетическом объяснении этой биологической загадки и помогает ответить на оставшиеся вопросы

кембрийского взрыва для эволюционных биологов, эпигенетиков и других научных

исследователей.

Основные характеристики

● Объясняет кембрийский взрыв с полностью эпигенетической точки зрения

● Использует причинный, а не описательный подход к явлению

● Обеспечивает широкий круг читателей, в том числе тех, кто обладает только базовыми биологическими знаниями, в то время как

соблюдение научной строгости

Об авторе

Д-р Нельсон Р. Кабей является автором книг «Эпигенетические принципы эволюции» (Elsevier, 2011) и

«Построение самой сложной структуры на Земле» (Elsevier, 2013), в которых он исследует роль

эпигенетических механизмов в эволюции организма.Он опубликовал более 40 научных

статей и 10 книг на английском и его родном албанском языке по эволюционной биологии,

эпигенетике и биологии развития. Доктор Кабедж получил докторскую степень по биологии в университете

в Тиране, Албания, и в настоящее время работает научным сотрудником на кафедре биологии в университете

.

Эпигенетические изменения: Ламарк, просыпайся, тебя разыскивают в конференц-зале!

Если мы хотим услышать, что говорят нам окаменелости, мы должны выяснить, как они стали такими, какими они были (и как их потомки стали такими, какие они есть сегодня).В течение нескольких поколений ученые обращались к дарвиновской эволюции (естественный отбор, действующий на случайные мутации) почти исключительно для объяснения всего этого. Вопросы считались решенными, если можно было предоставить дарвиновский счет.

Это произошло не потому, что любой закон природы показывает, что дарвинизм должен быть правильным объяснением. Скорее потому, что, как выразился Ричард Докинз, «дарвинизм — единственная известная теория, которая в принципе способна объяснить определенные аспекты жизни» (стр. 287, Blind Watchmaker, 1986).

Но когда мы посмотрели на горизонтальный перенос генов (ГПГ), мы обнаружили, что утверждение Докинза неверно.

Напомним, что дарвинизм предполагает вертикальную передачу генов от общего предка потомкам. Горизонтальный перенос генов означает передачу генов от одного организма к другому при контакте, , независимо от происхождения любой формы жизни. Да, ХПГ — это форма эволюции. Но это резко ослабляет статус дарвинизма как «единственно известной теории». Любое дарвиновское утверждение об эволюции должно сначала исключить ГПГ как возможное объяснение.И, как мы вскоре увидим, это также должно исключать эпигенетику.

Почему этому историческому сдвигу в бремени доказывания уделяется сравнительно мало внимания? Вероятно, это связано с всеобщим принятием дарвинизма как культурной метафоры и философии жизни. Например, можно вспомнить, как Amazon цитирует «целенаправленный дарвинизм» и максимально использует теорию Дарвина в качестве защиты от недавнего разоблачения условий труда в фирме. Концепции, которые продвигает Amazon, бессмысленны с научной точки зрения, но имеют культурное значение.А культура заглушает науку.

Таким образом, при разговоре с окаменелостями (или нынешними живыми формами) наша задача состоит в том, чтобы прислушиваться к тому, что они говорят, а не к тому, что говорят дарвиновские интерпретаторы окаменелостей (и почти всего остального).

Это подводит нас к эпигенетике. Жан-Батист Ламарк (1744-1829) был одним из первых эволюционистов, который предположил, что формы жизни могут получать информацию из окружающей среды и передавать ее своим генам. Дарвинисты в течение многих десятилетий увольняли его, хотя и не высмеивали его (хотя, как это бывает, не Дарвин).Но основная направленность его идеи недавно нашла отражение в эпигенетике.

В том, как произошло возрождение, есть ирония. Ключевым научным достижением 1990-х годов стало картирование генома человека. Это были дни, когда лауреат премии Вальтер Гилберт, превознося проект «Геном человека», держал компакт-диск с данными и сообщал своей аудитории: «Вот человек; это я!»

Но что, если это не так? Что, если это просто компакт-диск, содержащий важную информацию о Гилберте, но ни в коем случае не всю историю? Что, если остальная часть истории создается непрерывным потоком жизни? Ученые только сейчас начинают узнавать о нераспознанном до сих пор «втором генетическом коде», эпигеноме, который значительно увеличивает как сложность, так и уникальность информации в живых системах.

Эпигенетика — это изучение систем и процессов, с помощью которых экспрессия генов может быть изменена, не случайным образом, как в дарвинизме, а посредством конкретных, предсказуемых, повторяемых и исследуемых событий — а затем унаследованных в измененном состоянии. Исследования показали, что метилирование является ключевым механизмом. Описывается так:

Не все гены активны постоянно. Метилирование ДНК — один из нескольких эпигенетических механизмов, которые клетки используют для контроля экспрессии генов…. распространенный инструмент эпигенетической передачи сигналов, который клетки используют для блокировки генов в положении «выключено».В последние десятилетия исследователи многое узнали о метилировании ДНК, в том числе о том, как это происходит и где это происходит, а также обнаружили, что метилирование является важным компонентом многих клеточных процессов, включая эмбриональное развитие, геномный импринтинг, инактивацию Х-хромосомы. , и сохранение стабильности хромосом.

Эпигенетические изменения, такие как метилирование, не изменяют ДНК клетки, но они меняют то, как она функционирует. Например, в исследованиях на грызунах стресс может запускать серию химических реакций, которые определяют, насколько активными будут некоторые гены в передаче воздействия родительского стресса.

Такое наследование приобретенных черт постепенно получает признание в академической науке, но мы все еще находимся на ранней стадии понимания механизмов. Или, как выразился один исследователь, «… мы все чертовски увлечены выяснением того, как они работают». И еще один: «Хотя многие ломают голову над дырами в предлагаемом механизме, немногие предполагают, что лежащий в основе феномен — это сказка».

Оказывается, большинство генов не столько эгоистичны, сколько готовы тусоваться с не той компанией и усваивать дурные привычки.Вы так думаете, если прочитаете это в специальном выпуске Science :

Молекулярное наследие выходит за рамки переноса генов и включает митохондрии и эпигенетику (Lane et al., P. 756). Наконец, процессы вынашивания и родов также формируют потомство, и преждевременные роды в настоящее время находятся в центре внимания исследований (Romero et al., P. 760).

Вот еще несколько результатов, которые дают некоторое представление о масштабах изменений, которые эпигенетика привносит в наше понимание истории жизни:

— Бактерии эпигенетически переписывают свою ДНК. Карл Циммер отмечает в Quanta :

Для студентов, изучающих историю биологии, этот вид наследственности перекликается с в значительной степени дискредитированной теорией, выдвинутой натуралистом Жаном-Батистом Ламарком в начале 19 века. Ламарк выступал за наследование приобретенных черт. … Появление генетики, казалось, разрушило эту идею. Похоже, что у опыта не было никакого способа изменить гены, которые организмы передавали своему потомству. Но CRISPR показал, что микробы переписывают свою ДНК информацией о своих врагах — информация, которую показал Баррангу, может иметь значение между жизнью и смертью их потомков.

Новые методы анализа помогут определить роль, которую бактериальная эпигенетика играет в создании устойчивости к антибиотикам.

— Лабораторные исследования показывают, как это работает на животных. Дело не только в окружающей среде матки, потому что вклад родителей-мужчин через изменения в сперме очень велик. Из Природа :

Самцы крыс, получавшие пищу с высоким содержанием жиров, например, рожали дочерей с аномальным метилированием ДНК в поджелудочной железе. Самцы мышей, получавших диету с низким содержанием белка, имеют потомство с измененной экспрессией генов холестерина в печени.А самцы мышей с предиабетом имеют аномальное метилирование сперматозоидов и передают повышенный риск диабета следующим двум поколениям.

Эффекты эпигенетического стресса, обнаруженные у крыс, могут сохраняться в течение нескольких поколений. Точно так же в недавнем исследовании на мышах, описанном в Nature , РНК сперматозоидов показала наследственные признаки травмы еще для двух поколений. А от голодающих мышей родились щенки, потомство которых грозило диабетом. В другом исследовании на мышах было обнаружено, что «вообще без каких-либо изменений в ДНК, метильные группы могут быть добавлены или вычтены, и эти изменения унаследованы так же, как мутация в гене.”

— Эпигенетика может влиять на поведение животных и в последующих поколениях. «Эпигенетическая наследственность между поколениями не является решаемой областью — она ​​очень постоянно меняется», — признает один исследователь, но похоже, что эпигенетическая память пережитого стресса может передаваться из поколения в поколение и переходить от клетки к клетке на раннем этапе развития: «Это не меняет последовательность генов, а скорее то, как упакована ДНК и как гены экспрессируются ». Недавние исследования на грызунах показывают, что «воздействие наркотиков, алкоголя и стресса на родителей-животных может повлиять на развитие мозга и поведение их потомства.”

Например, из одного исследования о том, как мыши могут унаследовать страх перед запахом от своего родителя-самца, мы узнали:

Каким-то образом информация об устрашающем запахе проникает в семенники мыши и приводит к более низкому метилированию гена Olfr151 в ДНК сперматозоидов. Исследователи даже провели эксперименты с использованием экстракорпорального оплодотворения, чтобы убедиться, что отец каким-то образом не передал страх перед ацетофеноном через взаимодействие с матерью. Эпигенетическая подстройка сперматозоидов сохраняется в ДНК потомства, что приводит к усилению экспрессии рецептора в носу животных и, в конечном итоге, к повышенной чувствительности к запаху.

Конечно, предстоит еще много работы, и это открытие было поставлено под сомнение, как «слишком хорошее, чтобы быть правдой». Но авторы отметили, что они не тщательно отобрали данные; они включили в дополнительные материалы эксперименты, которые не дали статистически значимых результатов.

Если The Scientist не вешает авторов исследования эпигенетики на сушку, то, скорее всего, потому, что редакторы думают, что есть что сказать в пользу их модели. Это может помочь решить давние вопросы, например, о том, как животные, кажется, «знают» то, что они не узнали на собственном опыте.Сказать, что их знания — это «инстинкт», просто означает, что мы не знаем, как они это знают. Эпигенетические исследования, напротив, могут выявить конкретный механизм передачи информации.

— Эпигенетика также может влиять на здоровье человека. Унаследовать «хорошие гены» — это нормально (мы много слышали об этом от евгеников более века!). Но что, если пакет «хороших генов» будет поврежден при транспортировке и попадет туда? Гены могут передаваться по наследству в бодрствующем состоянии и могут влиять на метаболизм, поведение и предрасположенность к заболеваниям, включая болезни сердца и диабет.От одного исследователя:

По словам Исии, основная мысль заключается в следующем: «Я надеюсь, что люди понимают, что различные стрессы могут изменять экспрессию генов без изменения последовательности ДНК». Он говорит, что самые молодые из нас — развивающиеся эмбрионы и младенцы — могут быть особенно чувствительны к такого рода эпигенетическим изменениям, вызванным стрессом, и «нам следует более осторожно относиться к ним».

В другом исследовании травмированные беременные женщины, которым было около 9-11, не только имели значительно более низкие уровни кортизола в слюне, но и их дети, измеренные после рождения.Исследователи отметили, что эффект был наиболее очевиден, когда подвергшиеся воздействию дети находились в третьем триместре. Последующие исследования на крысах, подвергшихся стрессу, выявили различия в метилировании ДНК, способе химической модификации ДНК.

Аналогичным образом, проект «Ледяной шторм» обнаружил «отличительную« сигнатуру »в ДНК детей, рожденных после массивного ледяного шторма в Квебеке» (1998):

Тринадцать лет спустя исследователи обнаружили, что ДНК в Т-клетках — типе клеток иммунной системы — 36 детей демонстрирует отличительные паттерны метилирования ДНК.Исследователи впервые пришли к выводу, что материнские невзгоды предсказывают степень метилирования ДНК в Т-клетках. «Эпигенетическая» подпись играет роль в способе самовыражения генов. Это исследование также является первым, показывающим, что именно объективное воздействие стресса (например, дни без электричества), а не степень эмоционального стресса у беременных женщин, вызывает долгосрочные изменения в эпигеноме их младенцев.

Пока еще рано, но есть также некоторые свидетельства того, что бедность родителей может способствовать детскому ожирению.Приватизация может перепрограммировать ДНК в утробе матери, чтобы повышать или понижать определенные гены, связанные с аппетитом. Может быть, «всякий раз, когда вы находите еду, ешьте все, что можно»? Это может продолжаться и во взрослой жизни, когда дефицита действительно нет. Как объясняет один исследователь: «Если генетика — это алфавит, то эпигенетика — это написание, которое определяет активность наших клеток».

Итак, роль эпигенетики в ожирении в целом, некоторых иммунитетах, хронических заболеваниях и даже раке сейчас активно изучается. Что касается рака, некоторые исследователи обнаружили, что эпигенетическая регуляция необходима для обеспечения правильного количества хромосом в дочерних клетках после деления, и «опухолевые клетки часто имеют либо слишком мало, либо слишком много хромосом, что приводит к неправильной экспрессии ряда хромосом. гены.”

Многие из этих результатов могут нуждаться в модификации или замене, но мы больше не можем исключать возможность того, что изменения в диете прадедов и дедушек или в окружающей среде влияют на здоровье или продолжительность жизни последующих поколений. Эти изменения не являются дарвиновской генетической наследственностью; у родителя не было случайно мутировавшего «гена», скажем, ожирения, а скорее опыт (возможно, хронический голод), который изменил способ экспрессии генов, контролирующих аппетит. Изменения передаются, по крайней мере, через поколение или около того.Таким образом, эпигенетику не следует путать с генетическим или каким-либо другим детерминизмом; это не пророчество, а просто инструмент для оценки источников риска.

— Может ли эпигенетика влиять на поведение человека, а также на его здоровье? Возможно; например, жестокое обращение в раннем возрасте может изменить экспрессию генов у детей:

Исследователи обнаружили связь между родителями детей и конкретным геном (называемым геном рецептора глюкокортикоидов), который отвечает за важные аспекты социального функционирования и здоровья.

Если такие выводы подтвердятся, они могут пролить свет на «прерванные усыновления», когда спасенные дети продолжают вести себя так, как если бы они жили в среде с низким уровнем доверия / высокой угрозой. В любом случае, «рожденный плохим» просто больше не подходит для объяснения. Если эпигенетика дает достоверные сведения, мы, по крайней мере, можем надеяться на более реалистичные стратегии реабилитации.

По мере того как эпигенетика постепенно становится общепринятой в научной культуре, медицинский геномик Стефан Бек считает, что эпигеномная эпидемиология «находится на той же стадии, на которой геномная эпидемиология была восемь лет назад, когда большинство исследований были небольшими и редко выявляли одни и те же генетические варианты для какого-либо одного заболевания.Материалы семинара для конференции в Швеции в марте 2015 года «Эпигенетика как точка встречи между природой и воспитанием» предлагают проблему: «Существуют препятствия с точки зрения подозрения некоторых ученых в отношении биологических объяснений и упрощения социальных и философских вопросов. проблемы среди некоторых ученых. Две культуры должны быть соединены мостом, и мы предполагаем, что мост — это эпигенетика ».

Да, действительно. Рассмотрим спорный пересмотр дарвиновской теории рас в недавней книге научного писателя Николаса Уэйда « Беспокойное наследование». Эпигенетика делает такие теории неуместными, а также спорными. Вопрос не в том, проявляются ли определенные характеристики чаще в одной группе, чем в другой, а в том, каков механизм? Как сказал бы Майкл Бихи?

Эпигенетика должна привести к пересмотру учебников, говорят некоторые европейские исследователи, возможно, не подозревая о последователях Дарвина, которые разбили лагерь возле офисов органов образования, защищая свою финансируемую за счет налогов область. Тем не менее, освещение эпигенетики в самом последнем издании популярного университетского текста дарвиновского эволюциониста Кена Миллера увеличилось.В книге теперь есть определение эпигенетики со ссылкой на абзац по этой теме.

Некоторые, тем не менее, противостоят эпигенетике и кричат ​​СТОП !! В конце концов, он очень новый и не приживается с легкостью. Цитата из «ключевой концепции» из The Scientist гласит: «Концепция клеточной памяти, передаваемая потомству, может быть не такой безумной, как кажется». В эпигенетике нет ничего сумасшедшего, если только человек не привержен генетическому фатализму, включающему «ген жира», «ген гея», «ген неверности», «ген насилия» и т. Д., которые якобы «заставляют» людей что-то делать.

«Прекратить шумиху вокруг эпигенетики и ламаркианской эволюции», Real Clear Science требует, отмечая, что «млекопитающие — совершенно разные звери» от червей и растений, где было продемонстрировано эпигенетическое наследование:

Поэтому очень скептически относитесь к исследованиям, в которых утверждается, что обнаружены эффекты для здоровья из-за эпигенетической наследственности. Шумиха может скоро утихнуть, и концепция ламаркистской эволюции может снова вернуться в могилу.

В основе этого всплеска может лежать философия, если мы обратимся к статье в Cell со ссылкой на RCS : «Поскольку геном человека был секвенирован, термин« эпигенетика »все чаще ассоциируется с надеждой на то, что мы больше, чем просто сумма наших генов ».

Это не «надежда», это факт. И обвинение в «шумихе» звучит странно, учитывая широко распространенную дарвиновскую шумиху вокруг всего, что связано с генами, приписывая «генам» все явления, от плохого вождения до удивления Вселенной.

Real Clear Science продолжает беспокоиться о том, что эпигеном угнетает женщин:

Эпигенетика — это следующая большая область, которую СМИ, подстрекатели и политические взломщики попытаются использовать. … Авторы обеспокоены, возможно, справедливо, что ажиотаж в СМИ вокруг эпигенетики снова обратится к матерям. Будет ли правительство снова регулировать то, что беременные женщины могут есть, пить и делать? И если да, то почему бы не регулировать и поведение мужчин? В конце концов, эпигенетика может повлиять на качество спермы.

Авторы, о которых идет речь, опубликовали статью в журнале Nature , в которой говорится: «Общество: не обвиняйте матерей — небрежное обсуждение эпигенетических исследований того, как ранняя жизнь влияет на здоровье поколений, может нанести вред женщинам». Это странное беспокойство, поскольку большинство матерей с радостью избежали бы передачи хронического заболевания, , если бы у них была правильная информация. И эпигенетика в основном предназначена для установления правильной информации.

Между тем, бывший главный лоббист Дарвина в американских школах сказал:

Было почти облегчением, когда один антиэволюционист заявил, что книги должны быть отвергнуты, потому что они не включают эпигенетику.По крайней мере, аргумент об эпигенетике появился сравнительно недавно (возможно, ему всего 5-8 лет). Согласно креационному мышлению, включение эпигенетики в учебники биологии ослабит эволюцию, потому что эпигенетика является свидетельством против эволюции.

Обратите внимание на любопытный термин «аргумент эпигенетики», как будто все согласны с тем, что единственный потенциал эпигенетики — это политическая стратегия.

Но жизнь продолжается … Некоторые спорят, действительно ли эпигенетика «ламаркистская». Помимо придирок, наш мир — не мир компакт-диска «This Is You». ¹ Некоторые признанные эксперты даже говорят: «Эпигенетика может влиять на генетику» и что она «является одним из основных факторов межпоколенческих изменений, а не просто пассивным компонентом». Тем временем эпигеномика дебютирует благодаря десятилетию разработки программ анализа данных.

Итак, эпигенетика не собиралась уходить в могилу, а инвестировала в более крупное оборудование.

Многие результаты эпигенетики, как и многие находки в области горизонтального переноса генов, могут быть пересмотрены или заменены, но направление вряд ли изменится.Так как же эпигенетика участвует в эволюции? На этот счет есть два мнения. Говорят, что эпигеном развивается быстрее, чем геном, но большинство его изменений длится не более нескольких поколений. Возможно, это потому, что они перекрываются дальнейшими изменениями из-за новых условий: в своем новаторском исследовании исследователи пришли к выводу, что «эпигенетические изменения происходят на много порядков чаще, чем обычные мутации ДНК, но также часто недолговечны».

Однако эпигеномное разнообразие, согласно другим исследованиям, позволяет растениям приспосабливаться к различным условиям окружающей среды по всему миру.Изменения в среде обитания растений могут серьезно повлиять на эволюцию животных. Таким образом, это может сводиться к вопросу о том, каких изменений мы ищем. Что считается изменением?

В той мере, в какой эпигенетика ставит под сомнение упрощенные дарвиновские или другие схемы эволюции, ее главная роль может заключаться в «спойлере». Например, недавно шведские исследователи обнаружили, что эпигенетика, а не дарвиновская эволюция, является причиной широкого разнообразия типов домашних кур. Они говорят, что их результаты явно не согласуются с «традиционным дарвиновским объяснением», что интересно с учетом того факта, что собственное разведение голубей Дарвина часто используется как способ представления его теории общественности.

Итак, что мы можем теперь сказать об эволюции, истории жизни ?: Если мы не ищем чудесных преобразований, мы действительно наблюдаем некоторую эволюцию. Мы видели, что формы жизни могут продвигаться к одной и той же цели без общего предка (конвергентная эволюция). Совместное использование генов (горизонтальный перенос генов) может привести к появлению новых свойств у формы жизни. Эпигенетика может привести к тому, что потомство унаследует от своих родителей черты, которые были созданы при жизни их родителей, а не унаследованы от предыдущего общего предка.

Но возникает и другая возможность: может ли форма жизни эволюционировать, когда теряет вместо того, чтобы приобретать черты (деволюция)? Мы увидим.

Примечания:

(1) Цитируется у Дороти Нелкин, «Менее эгоистичен, чем священный? Гены и религиозный импульс в эволюционной психологии », в: Хилари Роуз и Стивен Роуз, ред., Увы, Бедный Дарвин: аргументы против эволюционной психологии (Лондон: Random House, Vintage, 2001), с. 18.

См. Остальную часть серии на сегодняшний день на «Поговорите с окаменелостями: давайте посмотрим, что они говорят в ответ.”

Изображение: Жан-Батист де Моне Шевалье де Ламарк, Шарль Тевенин [общественное достояние], через Wikimedia Commons.

Можем ли мы действительно унаследовать травму?

Одна рабочая теория основана на исследованиях на животных. В серии недавних исследований ученые из Медицинской школы Университета Мэриленда под руководством Трейси Бейл вырастили мышей-самцов в сложных условиях, периодически наклоняя клетки или оставляя свет включенным на ночь. Такое воспитание, по сути, травмирующее детство, меняет последующее поведение генов этих мышей таким образом, что меняет то, как они справляются с выбросами гормонов стресса.

И это изменение, в свою очередь, тесно связано с изменениями в том, как их потомство справляется со стрессом: а именно, молодые мыши оцепенели или менее реагируют на гормоны по сравнению с контрольными животными, — сказал доктор Бейл, директор университета. Центр эпигенетических исследований детского здоровья и развития мозга. «Это ясные и последовательные результаты», — сказала она. «Эта область значительно продвинулась вперед всего за последние пять лет».

Возможно, лучшее объяснение того, как такие следы травм могут быть прикреплены к сперматозоидам отца, дает Оливер Рандо из Массачусетского университета.Его исследования, в том числе на мышах, сосредоточились на придатке яичка, трубке возле яичек, где сперматозоиды загружаются перед эякуляцией. «Там они учатся плавать в течение нескольких дней, и их гены могут быть помечены», — сказал доктор Рандо.

Молекулы, которые влияют на изменения, по-видимому, являются «малыми РНК», фрагментами генетического материала, о котором ученые все еще изучают, сказал доктор Рандо.

«Эта трубка производит небольшие РНК и доставляет их к сперматозоидам по мере их развития, что позволяет предположить, что существует место, которое чувствует условия окружающей среды отца и может изменять упаковку РНК, доставляемых через сперму ребенку», — сказал доктор.- сказал Рандо. Он не делает никаких широких заявлений, кроме этого.