В 1987 году исследователи из лаборатории Сурани опубликовали одну из первых статей о попытках обнаружить такой механизм. Они выдвинули предположение, что эффект исходного родителя может быть вызван метилированием ДНК. На тот момент известно было лишь о хроматиновой модификации, поэтому их гипотеза стала отличной отправной точкой для дальнейших исследований. Ученые создали генетически модифицированных мышей. Эти мыши отличались наличием дополнительного участка ДНК, который мог вводиться случайным образом в любое место генома. Последовательность ДНК в этом дополнительном участке не представляла для исследователей особого интереса. Куда более важным было то, что они могли легко измерить, насколько сильно метилирована ДНК на этой последовательности, и точно ли передается этот уровень метилирования от родителя потомству.
Азим Сурани с сотрудниками исследовали семь линий мышей с этим избирательно вводимым участком ДНК. В шести линиях уровни метилирования введенной ДНК, переходя от поколения к поколению, оставались прежними. Но в седьмой линии произошло нечто очень странное. Когда мать передавала введенную ДНК, то у ее потомства та всегда оказывалась сильно метилированной. Но если она переходила к потомству от отца, у следующего поколения мышат неизменно был низкий уровень метилирования этого участка ДНК. Графически это представлено на рисунке 7.3.
Черным цветом показана метилированная введенная ДНК, а белым — неметилированная ДНК. Отцы всегда передают потомству белую, неметилированную ДНК, а матери — всегда черную, метилированную ДНК. Другими словами, метилирование ДНК у потомства зависит от пола родителя, передавшего ему эту введенную ДНК. Оно ни в коем случае не обусловлено уровнем метилирования ДНК у самого родителя. Например, у «черного» самца потомство всегда будет с «белой» ДНК.
Рис. 7.3. Мыши, появившиеся с метилированными или неметилированными введенными участками ДНК. Черным цветом представлена метилированная ДНК, а белым — неметилированная. Когда мать передавала эту введенную ДНК, у ее потомства, независимо от того, была ли сама мать «черной» или «белой», та всегда оказывалась сильно метилированной (черной). Противоположную картину мы видим у самцов, потомство которых всегда имело неметилированную, «белую», ДНК. Это стало первой экспериментальной демонстрацией того, что некоторые участки генома могут быть помечены, что позволило определить, были ли они унаследованы по материнской или же по отцовской линии
Эта статья Азима Сурани[59] и еще одна, опубликованная в то же время[60], показали, что когда млекопитающие формируют яйцеклетки и сперматозоиды, они каким-то образом кодируют ДНК в этих клетках. Как будто каждой хромосоме вручается маленький флажок. Хромосомы в сперматозоидах несут флажки, на которых написано: «Я — от папы», а хромосомы в яйцеклетках размахивают похожими флажками со словами: «Я — от мамы». А метилированная ДНК — это ткань, из которой «сшиты эти флажки».
На языке ученых это называется импринтингом — на хромосомах отпечатана информация об их происхождении, о том, от кого из родителей они получены. Эти два вопроса — импринтинг и эффект исходного родителя — мы рассмотрим более подробно в следующей главе.
Что произошло с введенной ДНК в экспериментах, заставив ее менять уровни метилирования при передаче от родителя потомству?
Она—совершенно случайно — вводилась в участок мышиной ДНК, над которым был водружен один из таких флажков. Как следствие, введенная ДНК также стала получать флажки метилированной ДНК, передаваясь от одного поколения другому.
Тот факт, что только у одной из семи линий мышей был продемонстрирован этот эффект, заставляет предположить, что не весь геном «утыкан такими флажками». Если бы геном был целиком помечен таким образом, то мы могли бы ожидать, что подобный эффект проявится у всех линий, подвергнутых экспериментам. Однако такое соотношение одного к шести свидетельствует о том, что «помеченные флажками» участки являются скорее исключениями, чем правилами.
В главе 6 мы убедились, что иногда животные действительно наследуют у родителей приобретенные признаки. Работа Эммы Уайтло, среди прочих, подтверждает, что некоторые эпигенетические модификации в самом деле переходят от родителя к потомству через сперматозоид или яйцеклетку. Этот тип наследования довольно редкий, но само его наличие укрепляет нашу веру в существование неких особых эпигенетических модификаций. Они не подменяются другими, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются для образования зиготы. Значит, хотя подавляющая часть генома текопитающих и перезагружается при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, его незначительный процент остается иммунным к этому перепрограммированию.