Эпигенетической код эволюционирует быстрее генетического

Метилирование ДНК — это средство быстрого реагирования при приспособлении организма к окружающей среде: изменения в эпигенетическом метильном коде происходят на пять порядков быстрее, чем в собственно генетическом.

Изменения в метильном статусе цитозина в ДНК пяти линиях Arabidopsis thaliana на протяжении 30 поколений; зелёным обозначен немодифицированный цитозин, розовым — метилированный. (Рисунок авторов исследования.)

Давно известно, что гены не единственная «инстанция», определяющая признаки живого организма: наряду с генетическим у растений и животных есть эпигенетический код. Один из способов его реализации основан на химических модификациях ДНК, которые изменяют активность того или иного гена. К азотистому основанию — одной из «букв» генетического кода — прикрепляется метильная группа, и в результате ген начинает вести себя по-другому.

Рисунок распределения метильных групп по ДНК и есть эпигенетический код, который передаётся из поколения в поколение.

Хотя эпигенетическое наследование известно довольно давно, взаимоотношения между генетическим и эпигенетическим кодом до сих пор во многом неясны. Множество признаков у растений и животных наследуются явно по эпигенетическому механизму, но насколько весом вклад такого наследования в приспособление организма к среде и в эволюцию вида? Учёные из Института биологических исследований Солка (США) предприняли попытку проследить за «эпигенетическим» узором у растений на протяжении нескольких поколений. Эксперимент проводился на популяции Arabidopsis thaliana (классического объекта в молекулярно-генетических исследованиях), в которой все особи являлись клонами одного предка. Генетическая идентичность всех растений позволила проследить именно за судьбой эпигенетических модификаций в ДНК, не отвлекаясь на разнобой в собственно генетическом коде.

На протяжении тридцати поколений A. thaliana группа во главе с Джозефом Экером анализировала изменения в участках ДНК растений, которые обычно являются мишенью для метилирующих ферментов. Оказалось, что у каждого поколения происходят изменения в нескольких тысячах позиций эпигенетического кода. По сравнению с полной картой кода это не такая уж большая величина: по оценкам, полная карта у A. thaliana включает около шести участков для эпигенетических модификаций. Однако скорость эпигенетических изменений в 10 тыс. раз превышает скорость изменений в собственно генетическом коде.

Как пишут авторы в журнале Science, такие результаты свидетельствуют о большей гибкости и пластичности эпигенетического кода. Изменения в метилировании ДНК влекли за собой перемены в активности генов, что передавалось следующему поколению. Даже без давления окружающей среды многие признаки подвергались значительным вариациям, и такая пластичность выбора, безусловно, должна облегчать прохождение через «тернии» естественного отбора. Эпигенетический код ответит на нужды эволюции гораздо скорее, чем «медленный» генетический.

По словам исследователей, это свойство характерно не только для растений, но и для животных с людьми. Хотя способ, которым эпигенетический код с его «эпимутациями» передаётся через поколения, он до сих пор во многом остается для исследователей загадкой.

Подготовлено по материалам Института биологических исследований Солка.