Согласно новому исследованию, бактерии хранят информацию о том, как окружающая среда влияет на них, и эта информация может передаваться последующим поколениям при их делении. Это открытие — одно из многих, сделанных в последние годы, которые усложнили биологам представление об эволюции и передаче характеристик. Оно также может иметь важные медицинские применения, например, в борьбе с устойчивостью к антибиотикам. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
После того, как теория естественного отбора Дарвина в сочетании с доказательствами Грегора Менделя о доминантных и рецессивных генах отбросила креационистские идеи на обочину, приписывание всего генам стало последним писком моды. Решение структуры и репликации ДНК подкрепило это. Однако начали появляться проблемы с этими относительно простыми историями. То, как гены могут быть подавлены или активированы условиями окружающей среды посредством эпигенетики, является одним из примеров этой более тонкой картины, но другие менее понятны.
«Основное предположение в бактериальной биологии заключается в том, что наследственные физические характеристики определяются в первую очередь ДНК», — сказал в своем заявлении старший автор исследования профессор Адилсон Моттер из Северо-Западного университета. «Но с точки зрения сложных систем мы знаем, что информация также может храниться на уровне сети регуляторных отношений между генами. Мы хотели изучить, существуют ли характеристики, передаваемые от родителей к потомству, которые не кодируются в ДНК, а скорее в самой регуляторной сети».
Команда исследовала это с помощью хорошо изученной E. coli — одно из преимуществ работы с бактериями заключается в том, что они размножаются так быстро, что мы можем наблюдать за многими поколениями, прежде чем грантовое финансирование закончится. У него также отсутствуют некоторые усложняющие факторы, наблюдаемые у животных и растений, или даже у дрожжей, и для дополнительной простоты у него всего 5000 генов.
«В случае сложных организмов проблема заключается в распутывании таких мешающих факторов, как ошибка выжившего», — сказал Моттер. «Но, возможно, мы сможем выделить причины для простейших одноклеточных организмов, поскольку мы можем контролировать их среду и исследовать их генетику. Если мы что-то наблюдаем в этом случае, мы можем приписать происхождение негенетического наследования ограниченному числу возможностей — в частности, изменениям в регуляции генов».
Гены E. coli могут быть, как их называет команда, «временно нарушены», либо через временный нокаут, либо через временную сверхэкспрессию. Когда это происходит, последующие поколения будут иметь те же гены, что и их предшественники до нарушения, но Моттер и соавторы показали, что клетка может выглядеть и вести себя не так, как раньше.
Возмущение не всегда приводит к долгосрочным эффектам, и команда смогла выявить факторы, которые увеличивают шансы. Например, когда возмущенный ген расположен близко к «сильно связанному компоненту» регуляторной сети, более вероятно, что эффекты сохранятся даже после восстановления обычного статуса гена.
Команда провела целенаправленные вмешательства для достижения этих пертурбаций, но считает, что естественные изменения среды, в которой обитает E. coli , могли бы привести к аналогичным результатам, хотя, вероятно, и гораздо менее эффективно.
Чтобы увидеть что-то аналогичное у людей, соавтор доктор Томас Вайток использовал пример того, как голландцы сегодня с большей вероятностью будут иметь избыточный вес, если их отцы подверглись голоду, вызванному Второй мировой войной, в утробе матери. Те, кто сегодня живет в такой богатой стране, вряд ли страдали от нехватки пищи, поэтому прямого влияния окружающей среды нет. Аналогично, передаваемые гены не отличаются в зависимости от того, был ли отец плодом в разгар голода или после того, как кризис миновал. Тем не менее, биологическая память может сохраняться в течение поколений, в данном случае предупреждая о том, что может наступить нехватка продовольствия, поэтому организм должен запасать калории, которые он может.
Хотя мы знаем, что люди, другие животные и растения могут делать это, но наши представления о том, как это сделать, туманны. Исследования E. coli могут помочь. Однако авторы также надеются, что полученные знания могут быть напрямую применены, например, в изменениях бактерий, так что если потомки станут проблемой, они будут восприимчивы к антибиотикам.
