Черви, вирусы, наследование приобретённых признаков: Ламарк снова прав?

Почему дети похожи на родителей, человек знал давно. Что наследственность – причина фамильного сходства, не вызывает сомнений ни у кого. Но могут ли наследоваться не только неизменные родовые черты, а и новые признаки, появившиеся у одного из предков? Следуя здравому смыслу, у натренированного мускулистого отца должны родиться сильные дети, а шея у жирафа удлинилась, поскольку каждое поколение жирафов всё выше тянулось к вкусным листьям на дереве.


До конца 19го века практически ничего не было известно о механизмах наследования в биологии (кое что понял Грегор Мендель, но его в свою очередь не поняли современники), поэтому ответ учёные приняли самый очевидный: наследование приобретённых признаков, возможно, происходит постоянно. Прервал всеобщее согласие Август Вейсман который в 1889 году в течение 19 поколений отрезал мышам хвосты (отрезал 901 хвост!) — и не увидел никаких изменений в потомстве. Соматические изменения не влияют на половые клетки («барьер Вейсмана»), а значит и на наследственность, решил Вейсман.
Сегодня биологи знают несколько путей такого влияния — в первую очередь, это горизонтальный перенос генов (при помощи вирусов и мобильных ДНК) и эпигенетическая регуляция активности генов (метилирование и ацетилирование ДНК и гистонов). Группа исследователей из Нью-Йорка, изучая противовирусный иммунитет нематоды Caenorhabditis elegans, обнаружила ещё один возможный путь.


Нематода Caenorhabditis elegansC. elegans
уже много лет является модельным объектом в биологии. Этого червя длиной около 1 мм удобно разводить в лаборатории — большинство особей гермафродиты и размножаются самооплодотворением (впрочем, иногда встречаются самцы). Среди других его ценных для исследователей характеристик: постоянное количество клеток (959 у гермафродитов и 1031 у редких самцов), позволяющее проследить судьбу каждой клетки от оплодотворённого яйца до взрослого состояния; более 10% клеток гибнут апоптозом в ходе онтогенеза — удобно изучать пути клеточной смерти; наличие гермафродитов и самцов позволяет сравнивать половое размножение и самооплодотворение. Одно из самых замечательных свойств C. elegans — наличие высокоразвитой системы РНК-интерференции (*). Вкратце суть интерференции в следующем: малые двухцепочечные молекулы РНК связываются с мРНК-мишенями и блокируют их трансляцию или вызывают их разрушение. Американские исследователи работали с особенным подклассом малых РНК — вирусно-производных интерференционных РНК (виРНК). Когда одноцепочечный РНК-вирус попадает в цитоплазму клетки и образует двухцепочечную форму, специальные ферменты распознают его и нарезают на короткие фрагменты — виРНК. В дальнейшем эти двухцепочеченые виРНК связываются с новыми вирусными РНК и приводят к их разрушению. Таким образом виРНК представляют собой вариант специфического иммунитета против конкретного вируса.

Система РНК-интерференции и виРНК у нематоды C. elegans работает так успешно, что у неё абсолютно отстутствуют вирусные заболевания. Тем не менее, была обнаружена линия нематод, у которых паразитировал одноцепочечный РНК-вирус из семейства Nodaviridae. Оказалось, что это стало возможным из-за мутаций, повредивших белки, обеспечивающие производство интерференцонных РНК. Этим фактом и воспользовались исследователи, чтобы проверить возможность наследования приобретённых признаков. Специфические виРНК — это и есть приобретённый признак, ведь до инфицирования вирусом их нет в организме червя. Итак, нужно ввести вирус в нематоду, подождать его превращения в двухцепочечную форму, зафиксировать образование специфических виРНК, а потом посмотреть, что там у потомков данного организма. Чтобы убрать все мешающие факторы, связанные с заражением (повреждение покровов, вход вируса в клетку), вирус был вставлен в геном  C. elegans в неактивном состоянии, но способным активизироваться и размножаться при повышении температуры.
Ход эксперимента из статьи в Cell. Мутантный, зараженный вирусом, гермафродит (слева, подписан красным) скрещивается с самцом, подавляющим вирус (справа, синим). Их гомозиготный мутантный потомок (внизу, красным) не может создавать малые РНК, но всё равно защищён от вируса (посредине - гетерозигота)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом была выбрана линия нематод с частично нарушеной системой интерференции (гетерозигот по мутациям в генах белков, обеспечивающих образование виРНК), которая, тем не менее, позволяла заглушать экспрессию вируса, активизированного нагреванием. После такой индукции, гермафродитных червей скрещивали и получали потомство с полностью нерабочей системой РНК-интерференции (гомозигот по разрушительным мутациям). Но вот удивительное дело — нематоды-потомки оказались по-прежнему способными заглушать индуцированный вирус! А ведь они не могли уже эффективно производить виРНК из вирусов. Более того, нематоды с поломанной интерференцией продолжали блокировать вирус ещё 4 поколения и лишь после появлялись в небольшом количестве особи, неспособные к борьбе. В ходе дальнейшего самооплодотворения таких особей становилось всё больше, однако даже в 50м поколении встречались отдельные черви с подавленным размножением вируса!

Как такое возможно? Каков молекулярный механизм этой необычной способности передавать специфический иммунитет через поколения? Австралийский иммунолог Тед Стил ещё с 1980х годов отстаивает свои эксперименты по наследованию специфического иммунитета у мышей. Он подсаживал новорожденным мышатам лимфоидную ткань иммунизированных незнакомым вирусом взрослых мышей, а затем наблюдал возникновение иммунитета к этому вирусу у потомства этих мышат. Механизм был неясен, но косвенные данные указывали на передачу наследственной информации от В-лимфоцитов к половым клеткам (да-да, преодолев «барьер Вейсмана»). Стил предложил гипотезу, что новая информация записывается в ДНК половых клеток при помощи эндогенных ретровирусов.
Возможно ли такое же событие у нематод? А может быть, что какая-то новая мутация вкралась в геном мутантов и восстановила способность вырабатывать виРНК из вирусов? Могла ли сама нематода заблокировать вставленный в неё трансгенный вирус путём инактивации генов?
Схема опыта Стила по исследованию приобретённого иммунитета у мышей
Тщательно спланированные эксперименты по скрещиванию между страдающими от вируса и побеждающими его червями показали, что способность подавлять вирус наследуется не по законам Менделя, а значит не зависит от ядерной ДНК. Если не ДНК отвечает за размножение виРНК в поколениях нематод, значит это делает РНК, заключили учёные. Нематоды имеют РНК-зависимую РНК-полимеразу — подходящий фермент для копирования виРНК. И действительно, стоило отключить этот фермент, как способность передавать устойчивость к вирусу по наследству немедленно пропала.

Эта работа чётко показывает возможность наследования нового приобретённого признака устойчивости к вирусу независимо от ядерного генома организма. Однако последствия открытия далеко идущие. Малые интерференционные РНК представляют собой важнейшую систему регуляции активности работы всех клеток животных и растений. Если предположить, что данный механизм характерен не только для нематод, но и для других организмов, то он может влиять на наследование практически любого признака! Это возвращает нас к эволюционным идеям 19го века – наследованию приобретённых признаков как к одному из механизмов биологической эволюции. Часто этот тезис приписывают  исключительно Жану-Батисту Ламарку, но его поддерживали все крупные учёные 19го века: Этьен Жоффруа Сент-Илер, Эрнст Геккель, Герберт Спенсер — и сам Чарльз Дарвин! Как мы помним, первым, кто решительно выступил с экспериментальным опровержением этой идеи, был Вейсман. Однако учёный действовал на организм мышей фактором, который не вызывал физиологического ответа, требуемого теориями Ламарком и Жоффруа, поэтому вывод об отстутствии связи между соматическими и половыми клетками был преждевременным. Вейсман не учёл первый закон эволюции Ламарка –  закон упражнения органов: наследуется не любой приобретённый признак (например, травмы не наследуются по Ламарку), а результат физиологического изменения. Новые данные говорят о том, что высокий уровень интерферирующих РНК, созданный в ответ на изменившиеся условия среды, может наследоваться и приводить к появлению группы организмов, отличающихся от предковой группы. Такие долговременные наследуемые эпигенетические признаки могут затем фиксироваться в геноме при помощи мутаций. Это очень похоже на предлагаемый эпигенетической теорией эволюции эволюционный механизм.

Остаётся открытым вопрос, действительно ли передача по наследству интерференционных РНК является универсальной для других растений и животных. Ведь есть вероятность, что это уникальное свойство именно C. elegans. В любом случае, проблема движущих сил эволюции по-прежнему привлекает исследователей, и нас ждёт ещё множество открытий на этом пути.

Transgenerational Inheritance of an Acquired Small RNA-Based Antiviral Response in C. elegans
Oded Rechavi, Gregory Minevich, Oliver Hobert

 

————————————————————–
* Об РНК-интерференции следует писать долго и детально, чем мы непременно займёмся позже. Пока на нашем сайте есть упоминания про один из элементов этой системы — микроРНК. Поэтому интересующихся мы отправляем за обзором к нашим партнёрам — сайту «Биомолекула.ру» (кстати, автором является наш соотечественник молекулярный биолог Пётр Старокадомский)

 

Brunei

Leave a Comment