Эпигенетика и редактирование РНК: участвуют ли они в эволюции?

Так уж получилось, что после двух первых встреч Киевского Клуба “Эволюция”, посвящённых проблемам филогенетики, третье и четвёртое собрание погрузили участников в мир молекулярно биологических гипотез. Вышло это непреднамеренно, но полученный континуум позволил составить представление о том, что не всё так гладко с генетическим механизмом эволюции.

Первую партию в этой последовательности сыграл Александр Вайсерман, доктор медицинских наук и заведующий лабораторией эпигенетики Института геронтологии. Он рассказывал о своей давней страсти – эпигенетике. Доктор Вайсерман занимается проблемами вклада эпигенетических изменений в полигенные заболевания (диабет, болезнь Альцгеймера и пр.) и в старение организма. Он сразу признался, что эволюцией интересуется давно, но параллельно со своей основной научной деятельностью, в виде научного хобби. Эпигенетика как современная наука о наследственном изменении фенотипа без изменения последовательности ДНК никак не могла остаться в стороне от вопросов эволюции. Более того, в основании эпигенетики стоит Конрад Уоддингтон, известный эволюционный биолог со своими оригинальными идеями, которому и принадлежит сам термин “эпигенетика”. Потому неудивительно, что в уже довольно хорошо изученных сегодня процессах метилирования и ацетилирования ДНК и гистонов многие исследователи видят ещё один источник материала для эволюции. Такие свойства эпигенетических меток в ДНК как способность передаваться дочерним клеткам и меняться в ответ на изменения окружающей среды придали новую силу старой идее о наследовании приобретённых свойств и признаков (НПС). Вайсерман уделил достаточно времени разъяснению того, что не в НПС лежали различия между взглядами Дарвина и Ламарка, как ошибочно считают многие, поэтому включение эпигенетического наследования в факторы эволюции никак не противоречит идеям дарвинизма.

Но есть ли доказательства для такого объединения? Строгих, конечно, нету на сегодняшний день. Есть дискуссия, в которой звучат известные в биологических кругах фамилии Стила, Яблонки, Шишкина, Лэмб, Гродницкого и други. Есть появление наследственных признаков, вроде бы, слишком быстрое для распространения редких аллелей: тли Шапошникова, меняющие видоспецифические признаки за одно лето; коловратки, получающие новые признаки за короткое время; индейцы, демонстрирующие поголовную склонность к диабету за 2-3 поколения. Есть феномены передачи эпигенетических меток через поколения: устойчивость к вирусам у червя C. elegans; метаболические заболевания у потомков людей, переживших голод на внутриутробной стадии развития; агрессия у мышей, связанная со стрессом и метилированием глутаматных рецепторов. Единственное, чего не хватает – это чёткой связи между этими компонентами. Нет механизмов. Нельзя сказать: вот это эволюционное новшество появилось потому, что этот ген был метилирован у кого-то из предков заново. Поэтому эпигенетические гипотезы эволюции остаются гипотезами. Это чётко признал лектор, хотя и предложил экспериментальную их проверку. Нужно взять быстро размножающийся объект вроде тлей и коловраток – и подвергать их действию жёстких факторов среды, секвенируя и геном и эпигеном. Вот тогда, возможно удастся засечь явление генетической ассимиляции, которое предполагают сторонники эпигенетической теории эволюции. Но пока это слишком дорого, вряд ли кто-то этим займётся. Подождём, говорит Александр Николаевич.

Волнительная тема взбудоражила участников встречи, и вопросы не прекращались даже после официального закрытия собрания. Многие были настроены скептически, но докладчик и не стремился развеивать скепсис. Исследования не дают окончательных ответов, поэтому поле для дискуссии весьма широко. Здорово, что молодёжь встречается с уже состоявшимися учёными в неформальной обстановке, где можно спокойно или эмоционально обсуждать интересные научные темы. С таких площадок, как наш Клуб “Эволюция” начиналось много действительно сильных научных школ и крупных открытий, подытожил Вайсерман.

Планы у организаторов встреч были обширные, даже планировался приезд известного московского биолога. Но обстоятельства внесли свои коррективы, и молекулярно-гипотетическая серия продолжилась выступлением представителя молодых учёных Алексея Болдырева из Института физиологии. Идея генетической ассимиляции и здесь была на виду, поскольку речь зашла о редактировании РНК. Редактирование РНК представляет собой процесс изменения нуклеотидов РНК, который нельзя предсказать, исходя из последовательности ДНК данного гена. Явление было открыто в митохондриях трипаносомы, возбудителя сонной болезни. РНК цитохромоксидазы внезапно получала 4 дополнительных урациловых нуклеотидов, которые сдвигали рамку считывания и приводили к кардинальному изменению последовательности аминокислот в белке. Впоследствии было открыто несколько механизмов редактирования РНК, в числе которых вставки, делеции и замена одних нуклеотидов на другие. Наиболее распространёнными оказались дезаминирование аденина и цитозина. Аденин при этом превращается в инозин (который воспринимается машинерией транляции как гуанин), а цитозин на урацил, что приводит к изменению кодируемой ими аминокислоты.

Наиболее потрясающими примерами этих замен есть ситуация с глутаматным рецептором у мышей и с калиевым каналом у осьминогов. У мышей в мозге более 99,9% мРНК глутаматного рецептора редактируется для такой замены аминокислоты, чтобы этот белок не смог пропускать кальций в клетку. Если заблокировать редактирование и оставить ту аминокислоту, которая “прописана” в ДНК, мышь гибнет вскоре после рождения. У осьминогов же наблюдается разный уровень замены одной из аминокислот калиевого канала в зависимости от температуры воды в ареале их обитания. Это позволяет им регулировать активность их нервной системы.

А причём здесь эволюция, спросите вы? А дело в том, что дезаминазы работают с двухцепочечными участками РНК – шпильками и дуплексами. Эта вторичная структура РНК сильно зависит от внешних условий пребывания клетки: температуры, кислотности, концентрации ионов, плотности цитоплазмы. Поэтому редактирование РНК может быть эпигенетическим ответом на условия среды. А дальше – всё та же генетическая ассимиляция, которую только предстоит доказать. Но некоторые косвенные намёки на это есть: в геноме животных подозрительно часто встречаются именно замены А на Г и Ц на Т. Будто бы редактирование ассимилировалось. Однако и с самим редактированием многое ещё неясно. Специалисты в области РНК до сих пор спорят, какая часть транскриптов редактируется – единицы процентов или почти все. Так что вопросов снова было болье, чем ответов на них. Но ведь именно правильно поставленный вопрос даёт возможность сделать новое открытие. А значит, мы продолжим собираться в Киевском Клубе “Эволюция” и ставить ещё больше вопросов себе самим.