Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности

Будущая судьба медоносных пчел решается по истечении третьего дня их жизни, когда они еще представляют собой совершенно неподвижные и беспомощные личинки. До окончания третьего дня все личинки медоносных пчел получают одинаковую пищу. Ею является особая субстанция, называемая маточным молочком, которую производят специализированные группы рабочих пчел. Эти юные рабочие, известные как пчелы-кормилицы, выделяют маточное молочко из расположенных на их головах желез. Маточное молочко — чрезвычайно питательный корм. Оно представляет собой концентрированную смесь множества разнообразных компонентов, в число которых входят важнейшие аминокислоты, редкие жиры, особые белки, витамины и другие питательные вещества, которые пока еще не полностью определены.

Когда личинкам исполняется три дня от роду, пчелы-кормилицы перестают кормить подавляющее большинство из них маточным молочком. Большая часть личинок переводится на новую диету, состоящую из пыльцы и нектара. Эту пищу получают те личинки, которым предстоит стать рабочими пчелами.

Но по причинам, которым никто не может найти убедительного объяснения, нескольким избранным личинкам пчелы-кормилицы продолжают давать маточное молочко. Нам неизвестно, как и по каким критериям отбираются эти личинки. Генетически они абсолютно идентичны тем личинкам, которые переводятся на менее изысканную диету. Но эта небольшая группа личинок, продолжающая получать маточное молочко, разовьется в маток и будет питаться той же самой субстанцией до скончания своих дней. Кормление маточным молочком является необходимым требованием для развития у маток зрелых яйцеклеток. У рабочих самок яйцеклетки так до конца и не развиваются, что и является одной из главных причин их бесплодия. Маточное молочко, кроме того, препятствует развитию у маток тех органов, которыми они никогда не будут пользоваться, таких, например, как пыльцевые корзиночки.

Мы понимаем действие некоторых механизмов, лежащих в основе этого процесса. У личинок пчел есть орган, выполняющий некоторые из функций, присущих нашей печени. Если личинка получает маточное молочко постоянно, этот орган обрабатывает комплексный источник пищи и активирует выработку инсулина. Это очень похоже на производство гормонов у млекопитающих, с помощью которых контролируется уровень сахара в крови. У медоносных пчел активация выработки инсулина повышает производство другого гормона, который называется ювенильным гормоном. Ювенильный гормон, в свою очередь, активирует другие реакции. Одни из них стимулируют рост и развитие тканей, таких как созревающие яйцеклетки. Другие останавливают формирование органов, которые не потребуются матке[263].

Королевство подражателей

Так как в процессе созревания медоносных пчел постоянно наблюдается присутствие эпигенетических факторов, ученые выдвинули предположение о существовании некой стоящей за этими явлениями эпигенетической механики. Первые свидетельства того, что эта гипотеза соответствует действительности, были обнаружены в 2006 году. В этот год исследователи определили последовательность генома медоносных пчел и расшифровали его фундаментальную генетическую схему[264]. В результате этих исследований выяснилось, что в геноме медоносных пчел присутствуют гены, которые очень похожи на гены метилтрансферазы ДНК более сложных организмов, таких как позвоночные. Также в геноме медоносных пчел обнаружилось множество мотивов CpG. Это двухнуклеотидная последовательность, являющаяся обычно мишенью для метилтрансфераз ДНК.

В тот же самый год группа ученых из Иллинойса под руководством Джина Робинсона продемонстрировала, что предполагаемые белки метилтрансферазы ДНК, закодированные в геноме медоносных пчел, являются активными. Эти белки были способны добавлять метиловые группы к цитозиновому радикалу на мотиве CpG в ДНК[265]. Медоносные пчелы, кроме того, экспрессировали белки, способные присоединяться к метилированной ДНК. В совокупности эти открытия показали, что медоносные пчелы могут и «писать», и «читать» эпигенетический код.

До опубликования этих сведений никто даже не пытался выдвигать предположения о том, обладают или нет медоносные пчелы системой метилирования ДНК. Дело в том, что наиболее широко распространенная экспериментальная система среди насекомых, а именно плодовая мушка Drosophila melanogaster, с которой мы уже встречались в этой книге, не метилирует свою ДНК.

Интересно отметить, что медоносные пчелы обладают полной системой метилирования ДНК. Однако это не доказывает, что метилирование ДНК у них принимает участие в реакциях на маточное молочко или играет какую-либо роль в воздействии этого вида питания на физическое строение и функциональные особенности взрослых пчел. Исследованию этого вопроса была посвящена весьма оригинальная работа, проведенная в лаборатории доктора Ришарда Малешки в Австралийском национальном университете Канберры.