Почему однояйцевые близнецы разные, если у них одинаковая ДНК

Близнецы бывают однояйцевыми и разнояйцевыми, и главное различие между ними связано с тем, как начинается их развитие.

• Однояйцевые, или монозиготные, развиваются из одной оплодотворённой яйцеклетки — зиготы. На ранней стадии она разделяется на две эмбриональные линии, и из каждой развивается отдельный организм. Поскольку источник у близнецов общий, они получают почти одинаковую исходную генетическую основу. Однако полной генетической идентичности это не гарантирует: первые различия в ДНК могут возникнуть уже на ранних этапах развития.
• Разнояйцевые, или дизиготные, появляются иначе. Они развиваются из двух разных яйцеклеток, каждую из которых оплодотворяет свой сперматозоид. Поэтому генетически такие близнецы похожи примерно так же, как обычные братья и сёстры: в среднем у них совпадает около половины генетических вариантов, по которым люди отличаются друг от друга.

Разнояйцевые близнецы могут быть разного пола, а однояйцевые почти всегда одного. Очень редко встречаются исключения — например, если после оплодотворения происходят изменения половых хромосом.

Когда организм растёт, его клетки постоянно делятся. Перед каждым делением клетка копирует свою ДНК, и иногда в новой копии появляются изменения — мутации. Мутации, возникшие после оплодотворения, называют постзиготными. Они могут появиться очень рано — как до окончательного разделения клеточных линий будущих близнецов, так и после него. Если такое изменение попадает в клетки одного близнеца, но не другого, между их ДНК появляется различие.

В 2021 году Хакон Йонссон и его коллеги сравнили ДНК однояйцевых близнецов.

У разных пар число таких различий было разным.

Изменения тоже могут быть разными. Иногда у одного близнеца меняется небольшой участок ДНК, иногда изменения затрагивают хромосомы или число копий отдельных участков ДНК. А некоторые мутации встречаются не во всём организме, а только в части клеток. Например, если мутация возникла в одной клетке во время развития, она может передаться клеткам, которые от неё произошли. Так появляется группа генетически немного отличающихся клеток — это называют соматическим мозаицизмом.

Различия между однояйцевыми близнецами зависят не только от мутаций. Даже при одинаковой последовательности ДНК одни и те же гены могут работать с разной активностью. Это связано в том числе с эпигенетикой — процессами, которые регулируют работу генов, не изменяя саму последовательность ДНК.

Представим ДНК как книгу с инструкциями для организма. У однояйцевых близнецов текст этой книги почти один и тот же. Но пользоваться этими инструкциями можно по-разному: какие-то клетки обращаются к одним генам активнее, к другим — реже. Эпигенетические процессы как раз участвуют в такой регулировке.

Один из них — метилирование ДНК. На определённых участках ДНК появляются небольшие химические метки — метильные группы. Их можно сравнить с пометками на страницах книги: сам текст они не переписывают, но могут влиять на то, насколько активно клетка использует тот или иной ген. Например, метилирование может снижать его активность.

Эти «пометки» не обязательно остаются неизменными. Эпигенетические особенности могут меняться с возрастом, а влиять на них могут питание, физическая активность и окружающая среда. Поэтому у двух близнецов один и тот же ген со временем может работать с разной активностью, хотя его последовательность не изменилась.

Итак, последовательность ДНК — это ещё не вся история. Важно не только, какие гены есть у человека, но и насколько активно они работают.

Даже однояйцевые близнецы не живут в совершенно одинаковых условиях. Их развитие до рождения может проходить по-разному, а после рождения у каждого появляется собственный жизненный опыт.

Особенно интересны для учёных случаи, когда однояйцевые близнецы росли в разных семьях. Один из таких случаев изучили в Колумбии. Близнецов по ошибке перепутали при рождении, поэтому генетически родные братья воспитывались отдельно. Разбор был опубликован в 2016 году.

Учёные сравнили в том числе метильные метки на их ДНК — те самые химические «пометки», о которых говорилось выше, и нашли различия, которые могли быть связаны с разными условиями воспитания. Но результаты оказались не такими простыми, как можно было бы ожидать. В целом участники исследования были больше похожи на своих генетических родственников, чем на членов семьи, в которой выросли.

Различия возникают не только из-за мутаций и особенностей работы генов. На развитие влияют условия — сначала во время беременности, а затем и после рождения. Посмотрим, к каким различиям это может привести.

Рост и физические особенности

Даже в утробе матери близнецы не всегда находятся в одинаковых условиях. Например, у части из них одна общая плацента — таких близнецов называют монохориальными.

Представим плаценту как систему, через которую плод получает кислород и питательные вещества. У двух близнецов её ткань и сосуды могут распределяться неравномерно. В результате одному может доставаться большая доля ресурсов, другому — меньшая.

Иногда разница в росте становится особенно заметной: один близнец развивается медленнее другого. Врачи называют это избирательной задержкой роста плода. Такое осложнение встречается примерно в 10–15% беременностей с общей плацентой.

При этом меньшая масса тела при рождении не означает, что один близнец обязательно останется меньше другого. После рождения их рост может идти по-разному. На него влияют питание, состояние здоровья и другие индивидуальные особенности развития. В результате разница между близнецами со временем может уменьшиться, сохраниться или измениться.

Характер и личность

Одинаковые гены не означают одинаковый характер. Даже близнецы, которые растут в одной семье и ходят в одну школу, получают разный жизненный опыт. У них могут быть разные друзья, отношения с учителями и родителями, увлечения и важные события в жизни. Учёные называют это индивидуальной средой.

При этом характер зависит не только от среды. Исследования показывают влияние и наследственности, и индивидуального опыта. Особенно интересно это видно на примере близнецов, разлучённых в детстве. В знаменитом Миннесотском исследовании изучали более ста пар близнецов и тройняшек, выросших отдельно. Однояйцевые пары нередко оказывались похожи по чертам личности, интересам и установкам, несмотря на разное воспитание. Но полностью одинаковыми они не становились.

Отпечатки пальцев

Гены влияют на общие особенности рисунка кожных гребней на пальцах. Но мельчайшие детали этого рисунка формируются ещё до рождения. На них влияют индивидуальные условия внутриутробного развития и случайные биологические процессы.

Чтобы такое различие появилось, им не обязательно иметь разные наследуемые варианты ДНК. Достаточно небольших различий в том, как развивалась кожа каждого из них.

Разные болезни при одинаковых генах

Похожая ситуация возникает и со здоровьем. Одинаковая генетическая предрасположенность ещё не означает, что у двух близнецов обязательно разовьётся одно и то же заболевание. Это хорошо видно на примере шизофрении и диабета 1-го типа. Если таким заболеванием страдает один однояйцевый близнец, риск для второго заметно выше. Но даже у однояйцевых близнецов болезнь совпадает далеко не всегда.

Почему? Для развития многих сложных заболеваний одной генетической предрасположенности недостаточно. Значение могут иметь условия среды, эпигенетические различия, мутации, появившиеся после оплодотворения, и случайные биологические процессы.

Именно поэтому два однояйцевых близнеца могут иметь разное состояние здоровья.

Представим, что на месте преступления нашли биологический след, а подозреваемые — однояйцевые близнецы. Покажет ли обычный анализ ДНК, кому именно принадлежит след? Скорее всего, нет.

В криминалистике обычно не сравнивают всю ДНК человека целиком. Специалисты исследуют определённые участки — STR-маркеры — и по ним составляют генетический профиль. У однояйцевых близнецов такие профили, как правило, совпадают. Поэтому стандартный анализ не позволяет надёжно определить, кто именно оставил след.

Но, как мы уже знаем, в процессе развития у близнецов могут появляться собственные мутации. Именно их можно попытаться найти с помощью более подробного исследования ДНК. Для этого используют полногеномное секвенирование. Если у одного близнеца после образования зиготы возникла редкая мутация, которой нет у второго, она может стать признаком, позволяющим их различить.

Такие методы уже применялись в реальных судебных случаях. Однако исследовать геном настолько подробно гораздо сложнее, чем провести стандартное STR-профилирование. Поэтому пока этот способ не относится к обычным методам идентификации однояйцевых близнецов.

Даже общее происхождение не превращает двух людей в точные копии. С самого начала каждый организм развивается по собственному пути, и различия постепенно появляются на разных уровнях — от работы генов до внешности, характера и здоровья.

Именно поэтому изучение однояйцевых близнецов так важно для науки. Оно помогает понять, как наследственность, среда и особенности развития вместе формируют индивидуальность человека.