Хотя ученые пока не ответили на массу вопросов, касающихся импринтинга, они убеждены: именно из-за этого процесса в создание потомства вносят вклад оба пола. В 2007 году сложный комплекс экспериментов по спариванию генетически модифицированных мышей показал, что все-таки можно получать жизнеспособных мышей, встраивая два ядра яйцеклеток в одну оплодотворенную яйцеклетку. Это удалось сделать, искусственно изменив характер импринтинга в двух зонах мышиного генома. В одном из яйцеклеточных ядер создали картину метилирования, похожую на нормальную отцовскую, а не на материнскую. Так экспериментаторы обманули механизмы развития, заставив их поверить, будто генетический материал происходит от самца, а не от самки. Опыты продемонстрировали особенно значимую роль, которую играют эти две зоны, подвергшиеся импринтингу, в процессах контролирования развития организма. Кроме того, опыты показали и то, что единственное реальное препятствие на пути «двуматеринского» размножения — картина метилирования ДНК в ключевых генах. Эксперименты стали опровержением предыдущей гипотезы, согласно которой для размножения требуется сперматозоид, поскольку он сам по себе несет необходимые «сопутствующие факторы», такие, как определенные белки или молекулы РНК, необходимые для того, чтобы должным образом запустить развитие эмбриона16.
Вернемся к рис. 10.2. Легко видеть, что характер импринтинга может меняться в ходе развития организма. Похоже, такой контроль экспрессии генов, задаваемый при помощи импринтинга, особенно важен именно в процессе развития. Так, у мышей большинство из примерно 140 импринтируемых генов демонстрируют импринтинг лишь в плаценте. Во взрослых тканях либо экспрессируются обе копии каждого из таких генов, либо не экспрессируется ни одна из копий. Вот еще одно подтверждение того, что именно контроль роста на ранних стадиях развития, вероятно, стал главной причиной возникновения импринтинга у некоторых представителей царства животных. По-видимому, тут сыграл роль «географический» фактор. В кластерах импринтинга ближайшие к ОКИ гены могут сохранять импринтинг во всех тканях. Однако гены, находящиеся дальше от этого «контрольного центра», проявляют импринтинг лишь в плаценте. Похоже, некоторые типы клеток мозга особенно склонны к сохранению импринтинга, хотя в большинстве случаев среди ученых нет единого мнения о том, почему это приносит эволюционные преимущества. Выдвигались предположения, что длинные некодирующие РНК, вырабатываемые в ОКИ, способствуют ДНК-метилированию ближайших генов, однако при этом привлекают гистонные модификации к более отдаленным генам кластера17. Поскольку гистонные модификации легче изменять, чем картину метилирования ДНК, такие изменения могут служить механизмом освобождения более отдаленных генов от импринтинга (по мере взросления тканей).
Итак, импринтинг действительно происходит, и мы уже начали проникать по крайней мере в некоторые его механизмы. Вспомним гипотезу, согласно которой импринтинг появился для того, чтобы уравновесить конкурирующие эволюционные стремления матери и плода (плода — а значит, косвенным образом, и отца). В свете этой гипотезы неудивительно, что большинство генов, кодирующих белки и контролируемых при помощи импринтинга, вовлечены в рост эмбриона, в процессы грудного вскармливания, а также в метаболические процессы18. Не приходится удивляться и тому, что при нарушениях импринтинга самые распространенные симптомы — дефекты роста и развития.
Когда импринтинг идет не так
Исследования расстройств, связанных с импринтингом, по-настоящему начались в 1980-е годы, когда впервые стала возможной идентификация генов, связываемых с наследственными заболеваниями. Для этого, в частности, отыскивали семьи, где хотя бы один человек страдал от данной болезни, и затем проводили в этих семьях анализ, пытаясь приблизительно выявить область хромосомы, ставшую причиной заболевания. Сегодня мы можем проделывать это довольно легко, ведь у нас есть полная расшифровка нуклеотидной последовательности нормального человеческого генома и доступ к весьма дешевым технологиям секвенирования. Однако тогда, в 1980-е, найти мутацию, вызывающую болезнь, было не так-то просто — все равно, что отыскать определенную перегоревшую лампочку, когда известно лишь, что она перегорела в каком-то американском доме. Для выявления мутаций, причин той или иной болезни, требовались годы упорного труда больших коллективов ученых.
Целый ряд таких научных групп занимался синдромом Прадера-Вилли. Младенцы, родившиеся с этим синдромом, слишком мало весят при появлении на свет, а кроме того, у них нарушен сосательный рефлекс. Лишь после отлучения от груди у них начинает нормально развиваться тонус мышц, а до этого младенческое тельце довольно вялое. По мере взросления у таких детей просыпается ненасытный аппетит. В результате у них рано возникают экстремальные формы ожирения. Кроме того, они страдают от умственной отсталости, пусть и проявляемой в мягкой форме19.
Совершенно другая группа ученых занималась исследованием заболевания с совсем иными симптомами. Речь идет о синдроме Ангельмана. У детей с этим синдромом маленькая, недоразвитая голова, они с трудом обучаются, а кроме того, очень поздно переходят на твердую пищу. Такие дети склонны к беспричинным взрывам смеха. К счастью, отвратительно-бестактное описание этих пациентов как «счастливых манекенов» употребляется сейчас все реже20.
Представьте, что вы прокладываете железную дорогу через весь континент. Одна бригада рабочих начинает с востока и продвигается на запад, а другая идет ей навстречу. Вначале бригады находятся на совершенно различных территориях, однако постепенно сближаются. В конце концов (если все идет как надо), они встречаются в некоей точке, пожимают друг другу руки, выпивают в честь окончания работы. Что-то подобное случилось и с группами, исследовавшими синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана. Только вот ученые, в отличие от железнодорожных рабочих из нашего примера, вовсе не ожидали, что встретятся. Они считали, что строят независимые железные дороги в совершенно разные города. И все-таки они очутились в одном и том же месте.
По мере того, как набирало обороты картирование хромосомных зон, ответственных за синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана, становилось все яснее, что на эти два заболевания влияет одна и та же область генома. Поначалу выдвигалось наиболее очевидное предположение: причина этих заболеваний — два разных гена, расположенных очень близко друг от друга. Однако в конце концов выяснилось, что оба этих заболевания вызывает дефект на одном и том же строго определенном участке генома.
Оба недуга имеют одну и ту же генетическую подоплеку — утрату небольшого участка хромосомы 15. Родители больных детей не страдали от этих заболеваний. Когда ученые исследовали хромосомы родителей, выяснилось, что эти хромосомы у них не повреждены. Утрата важнейшего участка хромосомы 15 происходила в процессе формирования яйцеклеток или сперматозоидов[28].
Казалось очень странным, что удаление небольшой части хромосомы способно вызывать два таких разных заболевания. Загадка стала проясняться, когда ученые показали: важно даже не само отсутствие этого маленького участка хромосомы 15. Важно то, почему он отсутствует. Как выяснилось, 70% изученных детей с синдромом Прадера-Вилли унаследовали аномальную хромосому 15 от мутантных клеток сперматозоидов. А 70% детей с синдромом Ангельмана унаследовали аномальную хромосому от мутантных яйцеклеток. Чуть позже исследователи установили, что 25% изученных детей с синдромом Прадера-Вилли обладали двумя совершенно нетронутыми хромосомами 15, в которых не наблюдалось никакой нехватки генетического материала. Дело в том, что эти пациенты наследовали обе копии хромосомы 15 от матери, а не по одной копии от каждого из родителей[29]. Меньшая доля страдающих синдромом Ангельмана имела по две нормальные копии хромосомы 15, причем обе копии наследовались от отца.
Такие картины наследования обретают смысл, только если привлечь концепцию импринтинга (см. рис. 10.3). Во всех аномальных ситуациях в клетках пациента отсутствует контролирующая импринтинг зона, которую ему следовало получить от одного из родителей. Результат — аномальные уровни экспрессии генов, которые в обычных условиях находились бы под жестким «родительским контролем». Это приводит к патологиям, в том числе к недостаточному или чрезмерному развитию органов и тканей.
Исследователи сумели еще больше сузить круг проблем, которые могли бы приводить к этим заболеваниям. Для этого они проанализировали гены, управляемые зонами, контролирующими импринтинг. Выяснилось, что среди обследованных пациентов, страдающих синдромом Ангельмана, примерно 10% унаследовали всю нужную ДНК от каждого из родителей. Однако у них имеется мутация в ДНК, унаследованной от матери. Она происходит не в ОКИ, а в гене, управляемом ОКИ. Это ген, кодирующий белок. Обычно данный ген экспрессируется лишь на хромосоме, наследуемой от матери. На хромосоме, наследуемой от отца, этот ген глушится импринтингом. Если ген, полученный от матери, не в состоянии вырабатывать белок из-за мутации, это означает, что такая клетка вообще не может синтезировать данный белок, что и приводит к патологии[30].
С синдромом Прадера-Вилли еще более необычная ситуация. Удалось выявить небольшое количество пациентов, у которых отсутствует лишь один из генов, находящихся на этом важнейшем участке хромосомы 15. Этот ген не кодирует белок, однако он кодирует целый набор некодирующих РНК. Все эти РНК обладают сходными функциями21,22,23: они вовлечены в процессы регуляции еще одного класса РНК, не кодирующих белки. Похоже, отсутствие одного-единственного гена, не кодирующего белок, имеет определяющее значения для развития большинства симптомов, характерных для синдрома Прадера-Вилли.