Эта статья требует внимания эксперта по генетике . Подробности смотрите на странице обсуждения . ( Январь 2025 ) |
Трансгенерационное эпигенетическое наследование — это предполагаемая передача эпигенетических маркеров и модификаций от одного поколения к нескольким последующим поколениям без изменения первичной структуры ДНК . [1] Таким образом, регуляция генов посредством эпигенетических механизмов может быть наследуемой; количество транскриптов и продуцируемых белков может быть изменено унаследованными эпигенетическими изменениями. Однако для того, чтобы эпигенетические метки были наследуемыми, они должны возникать в гаметах у животных, но поскольку у растений отсутствует определенная зародышевая линия и они могут размножаться, эпигенетические метки в любой ткани могут быть наследуемыми. [2]
Наследование эпигенетических меток в непосредственном поколении называется межпоколенческим наследованием. [3] У самцов мышей эпигенетический сигнал сохраняется в течение поколения F1. [4] У самок мышей эпигенетический сигнал сохраняется в течение поколения F2 в результате воздействия зародышевой линии в утробе матери. [4] Многие эпигенетические сигналы теряются после поколения F2/F3 и больше не наследуются, поскольку последующие поколения не подвергались воздействию той же среды, что и родительские поколения. [3] Сигналы, которые сохраняются после поколения F2/F3, называются трансгенерационным эпигенетическим наследованием (TEI), поскольку первоначальные экологические стимулы привели к наследованию эпигенетических модификаций. [5] Существует несколько механизмов TEI, которые, как было показано, влияют на перепрограммирование зародышевой линии, такие как трансгенерационное увеличение восприимчивости к болезням, мутациям и стрессовому наследованию. Во время перепрограммирования зародышевой линии и раннего эмбриогенеза у мышей метки метилирования удаляются, чтобы позволить начаться развитию, но метка метилирования преобразуется в гидроксиметилцитозин, чтобы он был распознан и метилирован, как только эта область генома больше не используется, [6] что служит памятью для этой метки TEI. Поэтому в лабораторных условиях унаследованные метильные метки удаляются и восстанавливаются, чтобы гарантировать, что TEI все еще происходит. Однако наблюдение TEI в диких популяциях все еще находится в зачаточном состоянии, поскольку лабораторные исследования позволяют использовать более управляемые системы. [7]
Факторы окружающей среды могут индуцировать эпигенетические метки (эпигенетические метки) для некоторых эпигенетически обусловленных признаков. [1] Они могут включать, но не ограничиваться, изменениями температуры, доступностью ресурсов, воздействием загрязняющих веществ, химикатов и эндокринных разрушителей. [8] Дозировка и уровни воздействия могут влиять на степень влияния факторов окружающей среды на эпигеном и его влияние на последующие поколения. Эпигенетические метки могут приводить к широкому спектру эффектов, включая незначительные фенотипические изменения в сложных заболеваниях и расстройствах. [8] Сложные сигнальные пути клеток многоклеточных организмов, таких как растения и люди, могут сильно затруднить понимание механизмов этого унаследованного процесса. [9]
Существуют механизмы, посредством которых воздействие окружающей среды вызывает эпигенетические изменения, влияя на регуляцию и экспрессию генов. Известны четыре общие категории эпигенетических модификаций.
Хотя существуют различные формы наследования эпигенетических маркеров, наследование эпигенетических маркеров можно обобщить как распространение эпигенетической информации посредством зародышевой линии. [19] Более того, эпигенетическая изменчивость обычно принимает одну из четырех общих форм, хотя есть и другие формы, которые еще предстоит выяснить. В настоящее время самоподдерживающиеся петли обратной связи, пространственное шаблонирование, маркировка хроматина и РНК-опосредованные пути модифицируют эпигены отдельных клеток. Эпигенетическая изменчивость внутри многоклеточных организмов является либо эндогенной, либо экзогенной. [20] Эндогенная генерируется посредством межклеточной сигнализации (например, во время дифференциации клеток на ранней стадии развития), тогда как экзогенная является клеточным ответом на сигналы окружающей среды. [ необходима цитата ]
У организмов, размножающихся половым путем, большая часть эпигенетических модификаций внутри клеток сбрасывается во время мейоза (например, метки в локусе FLC, контролирующие яровизацию растений [21] ), хотя было показано, что некоторые эпигенетические ответы сохраняются (например, метилирование транспозона у растений [21] ). Дифференциальное наследование эпигенетических меток из-за основных материнских или отцовских предубеждений в механизмах удаления или сохранения может привести к назначению эпигенетической причинности некоторым эффектам родительского происхождения у животных [22] и растений. [23]
У млекопитающих эпигенетические метки стираются в течение двух фаз жизненного цикла. Во-первых, сразу после оплодотворения, а во-вторых, в развивающихся первичных половых клетках, предшественниках будущих гамет. [24] Во время оплодотворения мужские и женские гаметы соединяются в разных состояниях клеточного цикла и с разной конфигурацией генома. Эпигенетические метки самца быстро разбавляются. Во-первых, протамины, связанные с мужской ДНК, заменяются гистонами из цитоплазмы самки , большинство из которых ацетилированы либо из-за более высокого содержания ацетилированных гистонов в цитоплазме самки, либо из-за предпочтительного связывания мужской ДНК с ацетилированными гистонами. [25] [26] Во-вторых, мужская ДНК систематически деметилируется во многих организмах, [27] [28], возможно, через 5-гидроксиметилцитозин . Однако некоторые эпигенетические метки, в частности метилирование материнской ДНК, могут избежать этого перепрограммирования, что приводит к родительскому импринтингу. [ необходима ссылка ]
В первичных половых клетках (PGC) происходит более обширное стирание эпигенетической информации. Однако некоторые редкие сайты также могут избегать стирания метилирования ДНК. [29] Если эпигенетические метки избегают стирания во время как зиготических , так и PGC событий перепрограммирования, это может сделать возможным трансгенерационное эпигенетическое наследование. [ необходима цитата ]
Признание важности эпигенетического программирования для установления и фиксации идентичности клеточной линии во время раннего эмбриогенеза в последнее время стимулировало интерес к искусственному удалению эпигенетического программирования. [30] Эпигенетические манипуляции могут позволить восстановить тотипотентность в стволовых клетках или клетках в целом, тем самым обобщая регенеративную медицину [ необходима ссылка ] .
Клеточные механизмы могут допускать совместную передачу некоторых эпигенетических меток. Во время репликации ДНК-полимеразы, работающие на лидирующих и отстающих цепях, связаны с фактором процессивности ДНК, пролиферирующим ядерным антигеном клеток (PCNA), который также участвует в формировании паттерна и перекрестных помехах нитей, что обеспечивает точность копирования эпигенетических меток. [31] [32] Работа над точностью копирования модификации гистонов осталась на стадии моделирования, но ранние попытки показывают, что модификации новых гистонов копируются по образцу старых гистонов и что новые и старые гистоны случайным образом распределяются между двумя дочерними цепями ДНК. [33] Что касается передачи следующему поколению, многие метки удаляются, как описано выше. Новые исследования находят закономерности эпигенетической консервации между поколениями. Например, центромерные сателлиты устойчивы к деметилированию. [34] Механизм, ответственный за эту консервацию, неизвестен, хотя некоторые данные свидетельствуют о том, что метилирование гистонов может способствовать этому. [34] [35] Также была выявлена дисрегуляция времени метилирования промотора, связанная с дисрегуляцией экспрессии генов у эмбриона. [36]
В то время как скорость мутации в данном 100-основном гене может составлять 10−7 на поколение, эпигены могут «мутировать» несколько раз за поколение или могут быть фиксированными на протяжении многих поколений. [37] Это поднимает вопрос: являются ли изменения в частотах эпигенов эволюцией? Быстро затухающие эпигенетические эффекты на фенотипы (т.е. длящиеся менее трех поколений) могут объяснить некоторые остаточные вариации в фенотипах после того, как генотип и окружающая среда учтены. Однако различение этих краткосрочных эффектов от эффектов материнской среды на раннем онтогенезе остается сложной задачей. [ необходима цитата ]
Относительная важность генетического и эпигенетического наследования является предметом споров. Хотя были опубликованы сотни примеров эпигенетической модификации фенотипов, мало исследований было проведено вне лабораторных условий. Поэтому взаимодействие генов с окружающей средой не может быть выведено, несмотря на центральную роль среды в естественном отборе. Множественные эпигенетические факторы могут влиять на состояние генов и изменять эпигенетическое состояние. Из-за многовариантной природы факторов окружающей среды исследователям трудно определить точную причину эпигенетических изменений вне лабораторных условий. [38]
Исследования, касающиеся трансгенерационного эпигенетического наследования у растений, были опубликованы еще в 1950-х годах. [39] Одним из самых ранних и наиболее хорошо охарактеризованных примеров этого является парамутация b1 у кукурузы. [39] [40] [41] [42] [43] [44 ] [45] [46] Ген b1 кодирует основной фактор транскрипции спираль-петля-спираль , который участвует в пути производства антоциана . Когда ген b1 экспрессируется, растение накапливает антоциан в своих тканях, что приводит к фиолетовой окраске этих тканей. Аллель BI (от B-Intense) имеет высокую экспрессию b1, что приводит к темной пигментации тканей оболочки и шелухи, в то время как аллель B' (произносится как B-prime) имеет низкую экспрессию b1, что приводит к низкой пигментации в этих тканях. [47] Когда гомозиготные родители BI скрещиваются с гомозиготными B', все полученное потомство F1 демонстрирует низкую пигментацию, что обусловлено подавлением гена b1. [39] [47] Неожиданно, когда растения F1 самоскрещиваются, все полученное поколение F2 демонстрирует низкую пигментацию и имеет низкие уровни экспрессии b1. Более того, когда любое растение F2 (включая те, которые генетически гомозиготны по BI) скрещиваются с гомозиготными BI, все потомство будет демонстрировать низкую пигментацию и экспрессию b1. [39] [47] Отсутствие темнопигментированных особей в потомстве F2 является примером неменделевского наследования , и дальнейшие исследования показали, что аллель BI преобразуется в B' через эпигенетические механизмы. [41] [42] Аллели B' и BI считаются эпиаллелями , поскольку они идентичны на уровне последовательности ДНК, но различаются по уровню метилирования ДНК , продукции siRNA и хромосомным взаимодействиям в ядре. [45] [48] [44] [43] Кроме того, растения, дефектные по компонентам пути РНК-направленного метилирования ДНК, показывают повышенную экспрессию b1 у особей B', аналогичную таковой у BI, однако, как только эти компоненты восстанавливаются, растение возвращается в состояние низкой экспрессии. [46] [49] [50] [51] Хотя наблюдалось спонтанное преобразование из BI в B', реверсия из B' в BI (из зеленого в фиолетовый) никогда не наблюдалась на протяжении 50 лет и тысяч растений как в тепличных, так и в полевых экспериментах. [52]
Также сообщалось о примерах трансгенерационного эпигенетического наследования, вызванного окружающей средой, у растений. В одном случае растения риса, которые были подвергнуты обработке с имитацией засухи, показали повышенную устойчивость к засухе после 11 поколений воздействия и размножения путем односемянного происхождения по сравнению с растениями, не подвергавшимися засухе. Различия в устойчивости к засухе были связаны с направленными изменениями уровней метилирования ДНК по всему геному, что позволяет предположить, что вызванные стрессом наследственные изменения в моделях метилирования ДНК могут быть важны для адаптации к повторяющимся стрессам. В другом исследовании растения, которые подвергались умеренному воздействию гусениц в течение нескольких поколений, показали повышенную устойчивость к травоядности в последующих поколениях (измеряемую по сухой массе гусениц) по сравнению с растениями, не имевшими давления травоядных. Это повышение устойчивости к травоядным сохранялось после поколения роста без какого-либо воздействия травоядных, что позволяет предположить, что реакция передавалась из поколения в поколение. В отчете сделан вывод о том, что компоненты пути РНК-направленного метилирования ДНК участвуют в повышенной устойчивости из поколения в поколение. Трансгенерационное эпигенетическое наследование также наблюдалось у полиплоидных растений. Было показано, что генетически идентичные реципрокные гибридные триплоиды F1 демонстрируют трансгенерационные эпигенетические эффекты на развитие жизнеспособных семян F2. [ необходима цитата ]
Было показано, что на растениях дикого редиса ( Raphanus raphanistrum ) TEI может быть вызван , когда растения подвергаются воздействию хищников, таких как Pieris rapae , гусеница капустной белянки. Растения редиса увеличат производство щетинистых волосков листьев и токсичного горчичного масла в ответ на хищничество гусениц. Повышенные уровни также будут наблюдаться в следующем поколении. Снижение уровня хищничества также приводит к уменьшению волосков листьев и токсинов, вырабатываемых в текущем и последующих поколениях. [53]
Трудно отследить TEI у животных из-за перепрограммирования генов во время мейоза и эмбриогенеза, особенно в диких популяциях, которые не выращиваются в лабораторных условиях. Необходимо провести дополнительные исследования для усиления документирования TEI у животных. Тем не менее, несколько примеров все же существуют. [ необходима цитата ]
Индуцированное трансгенерационное эпигенетическое наследование было продемонстрировано у животных, таких как Daphnia cucullata . Эти крошечные ракообразные будут развивать защитные шлемы в ювенильном возрасте, если подвергнутся воздействию кайромонов , типа гормона, выделяемого хищниками, пока они находятся в утробе матери. Шлем действует как метод защиты, уменьшая способность хищников захватывать дафнию , таким образом, индукция наличия шлема снизит уровень смертности. D. cucullata будет развивать небольшой шлем, если кайромоны отсутствуют. Однако, в зависимости от уровня кайромонов хищника, длина шлема почти удвоится. Следующее поколение дафний будет демонстрировать аналогичный размер шлема. Если уровни кайромонов уменьшатся или исчезнут, то третье поколение вернется к исходному размеру шлема. Эти организмы демонстрируют адаптивные фенотипы, которые повлияют на фенотип в последующих поколениях. [54]
Генетический анализ коралловых рифовых рыб Acanthochromis polyacanthus предложил TEI в ответ на изменение климата. По мере изменения климата температура воды в океане повышается. Когда A. polyacanthus подвергается воздействию более высоких температур воды до +3 °C от нормальной температуры океана, у рыб наблюдается повышенный уровень метилирования ДНК в 193 генах, что приводит к фенотипическим изменениям в функции потребления кислорода, метаболизма, инсулиновой реакции, выработки энергии и ангиогенеза. Увеличение метилирования ДНК и его фенотипические эффекты были перенесены на несколько последующих поколений. [55]
Возможный TEI изучался на морских свинках ( Cavia aperea ), подвергая самцов воздействию повышенной температуры окружающей среды в течение двух месяцев. В лаборатории самцам разрешалось спариваться с одной и той же самкой до и после воздействия тепла, чтобы определить, повлияли ли высокие температуры на потомство. Поскольку печень служит органом терморегуляции, образцы печени были изучены у отцов морских свинок (поколение F0) и печени и яичек самцов-потомков (поколение F1). Самцы F0 испытали немедленный эпигенетический ответ на повышение температуры; уровни гормонов в печени, ответственных за терморегуляцию, увеличились. Поколение F1 также показало другой метилированный эпигенетический ответ в своей печени и яичках, что указывает на то, что они потенциально могут передать эпигенетические метки поколению F2. [56]
Хотя генетическое наследование важно при описании фенотипических результатов, оно не может полностью объяснить, почему потомки похожи на своих родителей. Помимо генов, потомки наследуют схожие условия окружающей среды, установленные предыдущими поколениями. Одной из сред, которую человеческие потомки обычно разделяют со своими материнскими родителями в течение девяти месяцев, является матка . Учитывая продолжительность стадий развития плода , среда материнской матки может иметь долгосрочные последствия для здоровья потомства. [ необходима цитата ]
Примером того, как окружающая среда в утробе матери может влиять на здоровье потомства, является голландская голодная зима 1944–45 годов и ее причинное воздействие на индуцированные трансгенерационные эпигенетические наследственные заболевания. Во время голландской голодной зимы потомство, подвергшееся воздействию условий голода в третьем триместре развития, было меньше, чем те, кто родился за год до голода. Более того, было обнаружено, что потомство, рожденное во время голода, и их последующее потомство имеют повышенный риск метаболических заболеваний , сердечно-сосудистых заболеваний , непереносимости глюкозы , диабета и ожирения во взрослом возрасте. Влияние этого голода на развитие длилось до двух поколений. [9] [57] Повышенные факторы риска для здоровья поколений F1 и F2 во время голландской голодной зимы — это известный феномен, называемый « фетальным программированием », который вызван воздействием вредных факторов окружающей среды в утробе матери. [57]
Потеря генетической экспрессии, которая приводит к синдрому Прадера-Вилли или синдрому Ангельмана, в некоторых случаях была вызвана эпигенетическими изменениями (или «эпимутациями») на обоих аллелях , а не вовлечением какой-либо генетической мутации . Во всех 19 информативных случаях эпимутации, которые вместе с физиологическим импринтингом и, следовательно, подавлением другого аллеля , вызывали эти синдромы, были локализованы на хромосоме с определенным родительским и бабушкино-родительским происхождением. В частности, отцовская хромосома несла аномальную материнскую метку в SNURF-SNRPN , и эта аномальная метка была унаследована от бабушки по отцовской линии. [58]
Было обнаружено, что несколько видов рака подвержены влиянию трансгенерационной эпигенетики. Эпимутации гена MLH1 были обнаружены у двух людей с фенотипом наследственного неполипозного колоректального рака и без какой-либо явной мутации MLH1, которая в противном случае вызывала бы это заболевание. Те же эпимутации были обнаружены и в сперматозоидах одного из людей, что указывает на потенциальную возможность передачи потомству. [58] В дополнение к эпимутациям гена MLH1 было установлено, что некоторые виды рака, такие как рак молочной железы , могут возникать на фетальных стадиях внутри матки . [59] Кроме того, доказательства, собранные в различных исследованиях с использованием модельных систем (т. е. животных), показали, что воздействие в родительских поколениях может привести к многопоколенческому и трансгенерационному наследованию рака молочной железы. [59] Совсем недавно исследования обнаружили связь между адаптацией мужских зародышевых клеток посредством отцовской диеты до зачатия и регуляцией рака молочной железы у развивающегося потомства. [59] Более конкретно, исследования начали раскрывать новые данные, которые подчеркивают связь между трансгенерационным эпигенетическим наследованием рака молочной железы и предковыми пищевыми компонентами или связанными маркерами , такими как вес при рождении. [59] Используя модельные системы, такие как мыши, исследования показали, что стимулированное отцовское ожирение во время зачатия может эпигенетически изменить отцовскую зародышевую линию. Отцовская зародышевая линия отвечает за регулирование веса их дочерей при рождении и потенциальную возможность развития рака молочной железы у их дочерей. [60] Кроме того, было обнаружено, что изменения в профиле экспрессии miRNA мужской зародышевой линии связаны с повышенной массой тела. [60] Кроме того, отцовское ожирение привело к увеличению процента женского потомства, у которого развиваются опухоли молочной железы , вызванные канцерогенами , что вызвано изменениями в экспрессии miRNA молочной железы. [60]
Помимо заболеваний, связанных с раком и связанных с эффектами трансгенерационного эпигенетического наследования, трансгенерационное эпигенетическое наследование недавно было вовлечено в прогрессирование легочной артериальной гипертензии (ЛАГ). [61] Недавние исследования показали, что трансгенерационное эпигенетическое наследование, вероятно, участвует в прогрессировании ЛАГ, поскольку современные методы лечения ЛАГ не устраняют нерегулярные фенотипы, связанные с этим заболеванием. [61] Современные методы лечения ЛАГ пытались исправить симптомы ЛАГ с помощью вазодилататоров и антитромботических защитных средств , но ни один из них не смог эффективно облегчить осложнения, связанные с нарушенными фенотипами, связанными с ЛАГ. [61] Неспособность вазодилататоров и антитромботических защитных средств исправить ЛАГ предполагает, что прогрессирование ЛАГ зависит от множества переменных, что, вероятно, является следствием трансгенерационного эпигенетического наследования. [61] В частности, считается, что трансгенерационная эпигенетика связана с фенотипическими изменениями, связанными с сосудистым ремоделированием . [61] Например, гипоксия во время беременности может вызывать трансгенерационные эпигенетические изменения, которые могут оказаться пагубными на ранних стадиях развития плода и увеличить вероятность развития ЛАГ во взрослом возрасте. [61] Хотя гипоксические состояния могут вызывать трансгенерационную эпигенетическую дисперсию, связанную с ЛАГ, существуют веские доказательства, подтверждающие, что различные материнские факторы риска связаны с возможным прогрессированием ЛАГ. [61] Такие материнские факторы риска, связанные с поздним началом ЛАГ, включают плацентарную дисфункцию, гипертонию, ожирение и преэклампсию. [61] Эти материнские факторы риска и стрессоры окружающей среды в сочетании с трансгенерационными эпигенетическими изменениями могут привести к длительному повреждению сигнальных путей, связанных с развитием сосудов на стадиях плода, тем самым увеличивая вероятность наличия ЛАГ. [61]
Одно исследование показало, что насилие в детстве, которое определяется как «сексуальный контакт, тяжелое физическое насилие и/или тяжелое пренебрежение», приводит к эпигенетическим модификациям экспрессии рецепторов глюкокортикоидов. [62] [ необходим неосновной источник ] [63] [ необходим неосновной источник ] Экспрессия рецепторов глюкокортикоидов играет жизненно важную роль в активности гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (ГГН). Кроме того, эксперименты на животных показали, что эпигенетические изменения могут зависеть от взаимодействия матери и ребенка после рождения. [64] [ необходим неосновной источник ] Кроме того, недавнее исследование, изучающее корреляции между материнским стрессом во время беременности и метилированием у подростков/их матерей, показало, что дети женщин, подвергшихся насилию во время беременности, с большей вероятностью имели метилированные гены рецепторов глюкокортикоидов. [65] [ необходим неосновной источник ] Таким образом, дети с метилированными генами рецепторов глюкокортикоидов испытывают измененную реакцию на стресс, что в конечном итоге приводит к более высокой восприимчивости к переживанию тревожности. [65] [ необходим неосновной источник ]
Дополнительные исследования, изучающие эффекты диэтилстильбестрола (DES), который является эндокринным разрушителем , обнаружили, что внуки (третье поколение) женщин, подвергшихся воздействию DES, значительно увеличили вероятность развития у своих внуков синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). [66] Это связано с тем, что женщины, подвергшиеся воздействию эндокринных разрушителей , таких как DES, во время беременности , могут быть связаны с многопоколенными нарушениями нейроразвития . [66] Кроме того, исследования на животных показывают, что эндокринные разрушители оказывают глубокое влияние на клетки зародышевой линии и нейроразвитие. [66] Предполагается, что причиной многопоколенного воздействия DES является результат биологических процессов, связанных с эпигенетическим перепрограммированием зародышевой линии , хотя это еще предстоит определить. [66]
Эпигенетическое наследование может влиять на приспособленность только в том случае, если оно предсказуемо изменяет признак при отборе. Были получены доказательства того, что стимулы окружающей среды являются важными агентами в изменении эпигенов. По иронии судьбы, дарвиновская эволюция может воздействовать на эти неоламарковские приобретенные характеристики, а также на клеточные механизмы, их производящие (например, гены метилтрансферазы). Эпигенетическое наследование может давать преимущество приспособленности организмам, которые имеют дело с изменениями окружающей среды в промежуточных временных масштабах. [67] Изменения с коротким циклом, вероятно, будут иметь регуляторные процессы, кодируемые ДНК, поскольку вероятность того, что потомству придется реагировать на изменения несколько раз в течение своей жизни, высока. С другой стороны, естественный отбор будет воздействовать на популяции, испытывающие изменения при изменениях окружающей среды с более длинным циклом. В этих случаях, если эпигенетическое праймирование следующего поколения пагубно для приспособленности в течение большей части интервала (например, дезинформация об окружающей среде), эти генотипы и эпигенотипы будут потеряны. Для промежуточных временных циклов вероятность того, что потомство столкнется с похожей средой, достаточно высока без существенного селективного давления на особей, не имеющих генетической архитектуры, способной реагировать на среду. Естественно, абсолютная длина коротких, промежуточных и длинных экологических циклов будет зависеть от признака, длины эпигенетической памяти и времени генерации организма. Большая часть интерпретации эффектов эпигенетической приспособленности сосредоточена на гипотезе о том, что эпигены вносят важный вклад в фенотипы, что еще предстоит решить. [ необходима цитата ]
Унаследованные эпигенетические метки могут быть важны для регулирования важных компонентов приспособленности. Например, у растений ген Lcyc в Linaria vulgaris контролирует симметрию цветка. Линней впервые описал радиально-симметричные мутанты, которые возникают, когда Lcyc сильно метилирован. [68] Учитывая важность формы цветка для опылителей, [69] метилирование гомологов Lcyc (например, CYCLOIDEA ) может иметь пагубные последствия для приспособленности растений. У животных многочисленные исследования показали, что унаследованные эпигенетические метки могут повышать восприимчивость к болезням. Предполагается, что трансгенерационные эпигенетические влияния также способствуют возникновению болезней, особенно рака, у людей. [70] Было показано, что паттерны метилирования опухолей в промоторах генов положительно коррелируют с семейной историей рака. [71] Кроме того, метилирование гена MSH2 коррелирует с ранним началом колоректального и эндометриального рака. [72]
Экспериментально деметилированные семена модельного организма Arabidopsis thaliana имеют значительно более высокую смертность, замедленный рост, задержку цветения и более низкое завязывание плодов, [73] что указывает на то, что эпигены могут повышать приспособленность. Кроме того, было показано, что эпигенетические реакции на стресс, вызванные окружающей средой, наследуются и положительно коррелируют с приспособленностью. [74] У животных совместное гнездование изменяет поведение мышей, усиливая режимы родительской заботы [75] и социальные способности [76] , которые, как предполагается, повышают выживаемость потомства и доступ к ресурсам (таким как еда и партнеры) соответственно. [ необходима цитата ]
Эпигенетика играет решающую роль в регуляции и развитии иммунной системы. [77] В 2021 году были представлены доказательства наследования тренированного иммунитета через поколения к потомству мышей с системной инфекцией Candida albicans . [78] Потомство мышей пережило инфекцию Candida albicans благодаря функциональным, транскрипционным и эпигенетическим изменениям, связанным с локусами иммунных генов. [78] Реагирование миелоидных клеток на инфекцию Candida albicans увеличилось в воспалительных путях, и устойчивость к инфекциям увеличилась в следующих поколениях. [78] Иммунитет у позвоночных также может передаваться от матери через передачу гормонов, питательных веществ и антител. [79] У млекопитающих материнские факторы могут передаваться через лактацию или плаценту. [79] Трансгенерационная передача признаков, связанных с иммунитетом, также описана у растений и беспозвоночных. Растения имеют систему прайминга защиты, которая позволяет им иметь альтернативный защитный ответ, который может быть ускорен при воздействии стрессовых воздействий или патогенов. [80] После события прайминга информация о стрессе прайминга сохраняется, и память может быть унаследована у потомства (межпоколенческим или трансгенерационным). [80] В исследованиях потомство Arabidopsis, инфицированное Pseudomonas syringae, было праймировано во время выражения системной приобретенной устойчивости (SAR). [81] Потомство показало наличие устойчивости к (геми)-биотрофным патогенам, которая связана с генами, зависимыми от салициловой кислоты, и геном, регулирующим защиту, не экспрессирующим гены PR (NPR1). [81] Трансгенерационный SAR у потомства был связан с повышенным ацетилированием гистона 3 по лизину 9, гипометилированием генов и хроматиновыми метками на промоторных участках генов, зависимых от салициловой кислоты. [81] Аналогично у насекомых красный мучной хрущак Tribolium castaneum подвергается воздействию патогена Bacillus thuringiensis . [79] Эксперименты по двойному спариванию с красным мучным хрущаком продемонстрировали, что отцовское трансгенерационное иммунное примирование опосредуется спермой или семенной жидкостью, что повышает выживаемость при воздействии патогенов и способствует эпигенетическим изменениям. [79]
Положительные и отрицательные петли обратной связи обычно наблюдаются в молекулярных механизмах и регуляции гомеостатических процессов. Имеются доказательства того, что петли обратной связи взаимодействуют для поддержания эпигенетических модификаций в пределах одного поколения, а также способствуют TEI у различных организмов, и эти петли обратной связи могут демонстрировать предполагаемые адаптации к возмущениям окружающей среды. Петли обратной связи действительно являются следствием любой эпигенетической модификации, поскольку они приводят к изменениям в экспрессии. Более того, петли обратной связи, наблюдаемые в нескольких поколениях из-за TEI, демонстрируют пространственно-временную динамику, которая связана только с TEI. Например, повышенные температуры во время эмбриогенеза и установление PIWI RNA (piRNA) прямо пропорциональны, обеспечивая наследуемый результат для подавления мобильных элементов через кластеры piRNA. [82] Более того, последующие поколения сохраняют активный локус для продолжения установления piRNA, чье формирование ранее было загадочным. [82] В другом случае было высказано предположение, что эндокринные нарушения имели взаимодействие петли обратной связи с метилированием различных геномных участков в Menidia beryllina , что могло быть функцией TEI. [83] Когда воздействие было прекращено, потомство M. beryllina F2 все еще сохраняло эти метки метилирования, что вызывало отрицательную обратную связь при экспрессии различных генов. [83] В другом примере гибридизация угрей может привести к петлям обратной связи, способствующим деметилированию транспозона и активации транспозируемых элементов. [84] Поскольку TE обычно подавляются в геноме, их присутствие и потенциальная экспрессия создают петлю обратной связи, чтобы предотвратить размножение гибридов с другими гибридами или негибридными видами, что устраняет пролиферацию экспрессии TE и предотвращает TEI в этом контексте. Это явление известно как форма постзиготической репродуктивной изоляции.
Унаследованные эпигенетические эффекты на фенотипы были хорошо документированы у бактерий, простейших, грибов, растений, нематод и плодовых мушек. [85] [19] Хотя систематическое исследование эпигенетического наследования не проводилось (большинство из них сосредоточено на модельных организмах), есть предварительные доказательства того, что этот способ наследования более важен у растений, чем у животных. [85] Ранняя дифференциация зародышевых линий животных , вероятно, исключает эпигенетическую маркировку, происходящую на более поздних этапах развития, в то время как у растений и грибов соматические клетки могут быть включены в зародышевую линию. [86] [87]
Считается, что трансгенерационное эпигенетическое наследование может позволить определенным популяциям легко адаптироваться к изменчивым условиям. [19] Хотя существуют хорошо документированные случаи трансгенерационного эпигенетического наследования в определенных популяциях, существуют вопросы относительно того, применима ли эта же форма адаптивности к млекопитающим. [19] Более конкретно, ставится под сомнение, применима ли она к людям. [19] В последнее время большинство экспериментальных моделей, использующих мышей, и ограниченные наблюдения за людьми обнаружили только эпигенетически унаследованные черты, которые пагубны для здоровья обоих организмов. [19] Эти вредные черты варьируются от повышенного риска заболеваний, таких как сердечно-сосудистые заболевания , до преждевременной смерти. [19] Однако это может быть основано на предпосылке ограниченной предвзятости отчетности, поскольку легче обнаружить отрицательные экспериментальные эффекты, в отличие от положительных экспериментальных эффектов. [19] Более того, значительное эпигенетическое перепрограммирование, необходимое для эволюционного успеха зародышевых линий и начальных фаз эмбриогенеза у млекопитающих, может быть потенциальной причиной, ограничивающей трансгенерационное наследование хроматиновых меток у млекопитающих. [19]
Модели жизненного цикла также могут способствовать возникновению эпигенетического наследования. Сидячие организмы, те, у которых низкая способность к расселению, и те, у которых простое поведение, могут извлечь наибольшую пользу из передачи информации своему потомству через эпигенетические пути. Географические модели также могут возникнуть, когда высоко изменчивые и высококонсервативные среды могут содержать меньше видов с важным эпигенетическим наследованием. [ необходима цитата ]
Люди давно осознали, что черты родителей часто проявляются у потомков. Это понимание привело к практическому применению селективного разведения растений и животных, но не затронуло центральный вопрос наследования: как эти черты сохраняются между поколениями и что вызывает изменчивость? В истории эволюционной мысли было несколько позиций. [ необходима цитата ]
Обращаясь к этим связанным вопросам, ученые эпохи Просвещения в основном отстаивали гипотезу смешивания, в которой родительские черты гомогенизировались в потомстве, подобно тому, как смешиваются ведра с разноцветной краской. [88] Критики книги Чарльза Дарвина «О происхождении видов» указывали, что при такой схеме наследования вариации быстро подавляются фенотипом большинства. [89] В аналогии с ведром краски это можно было бы увидеть, смешав два цвета вместе, а затем смешав полученный цвет только с одним из родительских цветов 20 раз; редкий вариант цвета быстро бы исчез. [ необходима цитата ]
Неизвестный большинству европейского научного сообщества, монах Грегор Мендель решил вопрос о том, как признаки сохраняются между поколениями с помощью экспериментов по селекции с растениями гороха. [90] Таким образом, Чарльз Дарвин не знал о предложенном Менделем «частичном наследовании», в котором признаки не смешивались, а передавались потомству в дискретных единицах, которые мы теперь называем генами. Дарвин пришел к отказу от гипотезы смешивания, хотя его идеи и идеи Менделя не были объединены до 1930-х годов, периода, называемого современным синтезом . [ необходима цитата ]
В своей книге 1809 года «Зоологическая философия» [ 91] Жан-Батист Ламарк признал, что каждый вид сталкивается с уникальным набором проблем, обусловленных его формой и средой обитания. Таким образом, он предположил, что наиболее часто используемые признаки будут накапливать «нервную жидкость». Такие приобретенные накопления затем будут передаваться потомству особи. Говоря современным языком, нервная жидкость, переданная потомству, будет формой эпигенетического наследования. [ необходима цитата ]
Ламаркизм , как стало известно это течение мысли, был стандартным объяснением изменения видов с течением времени, когда Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес совместно предложили теорию эволюции путем естественного отбора в 1859 году. В ответ на теорию Дарвина и Уоллеса пересмотренный неоламаркизм привлек небольшое число последователей-биологов, [92] хотя ламаркистский пыл был угас в значительной степени из-за знаменитого эксперимента Вейсмана [93] , в котором он отрезал хвосты мышам в течение нескольких последовательных поколений, не оказав никакого влияния на длину хвоста. Таким образом, возникший консенсус о том, что приобретенные характеристики не могут быть унаследованы, стал каноном. [24]
Однако негенетические вариации и наследование оказались довольно распространенными. Одновременно с развитием в 20 веке современного эволюционного синтеза (объединяющего менделевскую генетику и естественный отбор), CH Waddington (1905–1975) работал над объединением биологии развития и генетики. При этом он принял слово «эпигенетический» [94] для обозначения упорядоченной дифференциации эмбриональных клеток в функционально различные типы клеток, несмотря на идентичную первичную структуру их ДНК. [95] Исследователи спорадически обсуждали эпигенетику Waddington - она стала скорее всеобъемлющим понятием для загадочных негенетических наследуемых признаков, а не концепцией, продвигающей корпус исследования. [96] [97] Следовательно, определение слова Waddington само по себе эволюционировало, расширившись за пределы подмножества сигнализируемой развитием, унаследованной специализации клеток.
Некоторые ученые задаются вопросом, не ставит ли эпигенетическое наследование под угрозу основу современного синтеза. Описывая центральную догму молекулярной биологии , Фрэнсис Крик [98] лаконично заявил: «ДНК удерживается в конфигурации гистонами[ами], так что она может действовать как пассивный шаблон для одновременного синтеза РНК и белка[ов]. Никакой подробной «информации» нет в гистоне». Однако он завершает статью, заявляя: «Эта схема объясняет большинство настоящих экспериментальных результатов!» Действительно, появление эпигенетического наследования (в дополнение к достижениям в изучении эволюционного развития, фенотипической пластичности , эволюционируемости и системной биологии) напрягло нынешнюю структуру современного эволюционного синтеза и побудило пересмотреть ранее отвергнутые эволюционные механизмы. [99]
Более того, закономерности эпигенетического наследования и эволюционные последствия эпигенетических кодов в живых организмах связаны как с теориями эволюции Ламарка , так и Дарвина . [100] Например, Ламарк постулировал, что факторы окружающей среды ответственны за изменение фенотипов по наследству , что подтверждает конструкции о том, что воздействие факторов окружающей среды на критических стадиях развития может привести к эпимутациям в зародышевых линиях , тем самым увеличивая фенотипическую дисперсию. [100] Напротив, теория Дарвина утверждала, что естественный отбор усилил способность популяции выживать и оставаться репродуктивно приспособленной, благоприятствуя популяциям, которые способны легко адаптироваться. [100] Эта теория согласуется с межпоколенческой пластичностью и фенотипической дисперсией, возникающей в результате наследственной адаптивности. [100]
Кроме того, некоторая эпигенетическая изменчивость может обеспечить полезную пластичность , так что некоторые организмы могут адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Однако обмен эпигенетической информацией между поколениями может привести к эпигенетическим аберрациям, которые являются эпигенетическими признаками, отклоняющимися от нормы. Таким образом, потомство родительских поколений может быть предрасположено к определенным заболеваниям и снижению пластичности из-за эпигенетических аберраций. Хотя способность легко адаптироваться при столкновении с новой средой может быть полезна для определенных популяций видов, которые могут быстро размножаться, виды с большим разрывом поколений могут не извлечь выгоду из такой способности. Если вид с большим разрывом поколений не адаптируется должным образом к ожидаемой среде, то репродуктивная приспособленность потомства этого вида будет снижена. [ необходима цитата ]
Было проведено критическое обсуждение основной эволюционной теории Эдвардом Дж. Стилом , Робин А. Линдли и коллегами, [101] [102] [103] [104] [105] Фредом Хойлом и Н. Чандрой Викрамасингхе , [106] [107] [108] Юншэном Лю [109] [110] Денисом Ноблом , [111] [112] Джоном Мэттиком [113] и другими, которые пришли к выводу, что логические несоответствия, а также эффекты ламаркистского наследования, включающие прямые модификации ДНК, а также только что описанные косвенные, а именно эпигенетические, передачи бросают вызов традиционному мышлению в эволюционной биологии и смежных областях. [ необходима ссылка ]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Одним из классических противоречий в эмбриологии было противоречие между преформистами и эпигенетиками[sic]. [...] взаимодействие этих компонентов приводит к появлению новых типов тканей и органов, которые изначально не существовали, и в этом смысле развитие следует рассматривать как «эпигенетическое».