ДНК

Иногда, читая что-либо на тему биологии, мы по вполне объективным причинам приходим к мнению, что эти три буквы объясняют абсолютно все. Вот, например, лишь некоторые заявления, сделанные 26 июня 2000 года, когда исследователи объявили, что ими было завершено секвенирование генома человека.

«Сегодня нам стал известен язык, на котором Господь создавал жизнь».

Президент США Билл Клинтон.

«Теперь у нас есть возможность достичь всего, о чем мы только мечтали в медицине».

Министр науки Великобритании лорд Сейнсбери.

«Картирование генома человека с полным правом можно сравнить с высадкой человека на Луну, но я считаю, что значение этого события неизмеримо больше. Это выдающееся достижение не только современности, но и всей истории человечества».

Глава Фонда The Wellcome Trust Майкл Декстер

Из этих цитат, как и из многих других, подобных им, казалось бы, можно сделать вывод, что после июня 2000 года исследователи заслужили право на отдых, поскольку теперь на большинство вопросов, касающихся здоровья человека и лечения заболеваний, без труда будут даны убедительные и исчерпывающие ответы. В самом деле, мы ведь получили чертеж, по которому создано человечество. И все, что нам осталось, это лишь получше разобраться в его деталях и уяснить для себя некоторые нюансы.

Увы, к сожалению, приведенные выше заявления оказались несколько преждевременными. В реальности теория разошлась с практикой.

Мы говорим о ДНК так, как будто это некий трафарет, шаблон, по которому изготавливаются запчасти для машин на автомобильном заводе. Там расплавленный металл или пластмасса тысячи раз заливаются в одну и ту же форму, и, если в этот процесс не вмешаются сторонние факторы, те же тысячи раз мы получим полностью идентичные запасные части.

Однако с ДНК дело обстоит иначе. Это скорее сценарий. Возьмем для примера «Ромео и Джульетту». В 1936 году Джордж Кукор снял фильм по этой трагедии с Лесли Ховардом и Нормой Ширер в главных ролях. Шестьдесят лет спустя Баз Лурман поставил новую версию этой же пьесы с Леонардо Ди Каприо и Клэр Дейнз. В основе обеих работ лежал сюжет Шекспира, однако эти два фильма получились совершенно разными. Одинаковый исходный материал — но различные результаты.

Именно это и происходит, когда клетки читают генетический код, хранящийся в ДНК. Один и тот же сценарий может реализоваться в разных постановках. Последствия этого для здоровья человека могут быть самыми разнообразными, в чем мы убедимся в ближайшем будущем при рассмотрении конкретных случаев. Когда мы будем анализировать их, крайне важно помнить, что с чертежом ДНК людей, о которых мы будем говорить, совершенно ничего не происходит. Их ДНК не претерпевает изменений (не мутирует) и, тем не менее их жизни кардинальным образом меняются, реагируя на факторы окружающей среды.

Одри Хепберн была одной из величайших киноактрис двадцатого столетия. Стильная, элегантная, обладавшая восхитительно утонченной, можно сказать даже нежной костной структурой, она, исполнив роль Холли Гоулайтли в «Завтраке у Тиффани», мгновенно превратилась в икону даже для тех, кто никогда не видел этот фильм. И вы наверняка удивитесь, что своей поразительной красотой она была обязана тому, что ее юность прошла в крайней нужде. В конце Второй мировой войны Одри Хепберн довелось пережить то, что позже получило название Голландской голодной зимы. Массовому голоду среди гражданского населения Голландии удалось положить конец, когда девушке было шестнадцать лет, однако последствия перенесенных испытаний, включая и слабое здоровье, оставались с ней на протяжении всей ее жизни.

Голландская голодная зима продолжалась с начала ноября 1944 года до поздней весны 1945 года. Это время года выдалось необычайно холодным в Западной Европе, многократно усугубляя бедственное положение населения, и без того до предела изнуренного четырьмя годами кровопролитной войны. Самая напряженная ситуация сложилась в Западных Нидерландах, которые на этом этапе войны продолжали находиться под контролем фашистов. Германская блокада привела к катастрофическому сокращению поставок продовольствия гражданскому населению Голландии. В течение некоторого периода времени народ выживал только чудом, ежедневно получая лишь около 30 процентов необходимого количества калорий. Людям приходилось есть траву и луковицы тюльпанов и сжигать последние остатки мебели, какие им только удавалось раздобыть, в отчаянных попытках просто выжить. Более двадцати тысяч человек погибли к тому времени, когда в мае 1945 года поставки продовольствия были возобновлены.

Однако ужасающие лишения привели к тому, что в Голландии, сформировалась целая популяция людей, представлявших огромный интерес для науки. Пережившие голодную зиму голландцы принадлежали к четко очерченным социальным группам, все они недостаточно питались лишь в один период своей жизни, временные рамки которого были общими для всех. Благодаря высокоразвитой инфраструктуре здравоохранения в Голландии и тщательному ведению документации эпидемиологи смогли проследить долгосрочные последствия влияния недоедания на женщин. Сделанные ими выводы оказались совершенно неожиданными.

Одним из первых вопросов, которыми они задались, стало выявление закономерностей в весе новорожденных детей, в течение голодной зимы пребывавших в утробе матери. Если мать хорошо питалась в период зачатия и недоедала лишь в последние несколько месяцев беременности, то ее ребенок чаще всего рождался с пониженной массой тела. С другой стороны, если мать получала недостаточное питание только в первые три месяца беременности (поскольку ее ребенок был зачат незадолго до завершения голодной зимы), а затем питалась полноценно, то вес ее новорожденного малыша в большинстве случаев соответствовал норме. Плод в утробе успевал набрать нужные граммы.

Все это представляется вполне очевидным, поскольку все мы привыкли к мысли, что обычно плод стремительно набирает в весе именно в последние несколько месяцев беременности. Но эпидемиологи имели возможность наблюдать эти группы детей на протяжении десятилетий, и обнаруженные ими результаты оказались, по меньшей мере, удивительными. Малыши, родившиеся с массой тела и ростом ниже нормы, так и оставались маленькими на протяжении всей своей жизни, при этом почти всегда не были склонны к полноте. В течение сорока с лишним лет эти люди ни в чем не нуждались и не испытывали недостатка в питании, однако их организмы так и не смогли преодолеть последствий недоедания в период младенчества. Почему так случилось? Почему этот опыт младенческих лет продолжает десятилетиями оказывать влияние на этих людей? Почему они не могут вернуться к норме, если среда, в которой они живут, уже не накладывает на них никаких ограничений?

Еще более неожиданным представляется то, что некоторые из этих явлений проявляются и у детей такой группы, как у внуков и внучек женщин, которые недостаточно питались в течение первых трех месяцев беременности. Значит, нечто, случившееся в период беременности женщин одного поколения, продолжает оказывать влияние на детей их детей. Отсюда вытекает действительно интересный вопрос о том, каким образом эти эффекты передаются следующим поколениям.

Давайте поговорим еще на одну тему. Шизофрения — тяжелое психическое заболевание, которое, если оставить его без врачебного вмешательства, способно целиком поглотить страдающего им человека и привести к полной утрате им собственной личности. Больным шизофренией свойственны самые разнообразные симптомы, включая бред, галлюцинации и серьезные затруднения в процессе мыслительной деятельности. Больные шизофренией часто оказываются абсолютно неспособными провести четкую грань между реальным миром и собственными галлюцинациями, порожденными их воображаемой реальностью. Ими утрачены нормальные познавательные, эмоциональные и социальные реакции. Бытует широко распространенное, но совершенно не соответствующее действительности мнение, что больные шизофренией люди обычно жестоки и опасны. Подавляющему большинству больных насилие абсолютно не свойственно, и люди, которым были нанесен какой-то ущерб от контакта с этими больными, сами были пациентами психиатрических учреждений. Больные шизофренией в пятьдесят раз чаще здоровых людей совершают попытки самоубийства.

Как это ни печально, но шизофрения — весьма распространенное заболевание. В большинстве стран и культур ею поражено от 0,5 до 1 процента населения, а это означает, что сейчас на нашей планете живет свыше пятидесяти миллионов человек, страдающих этим тяжелым недугом. С некоторых пор ученым известно, что генетика играет важную роль в склонности человек к этому заболеванию. Мы знаем это на основании такого факта как, что если один из двух однояйцевых близнецов страдает шизофренией, то вероятность заболевания ею и вторым близнецом составляет пятьдесят процентов. Для него эта опасность существенно выше, чем однопроцентная средняя в мире.

Однояйцевые близнецы обладают совершенно идентичным генетическим кодом. Они вынашиваются в одной утробе и обычно воспитываются в аналогичных условиях. Помня об этом, мы не слишком удивляемся тому, что шансы заболеть шизофренией у человека, однояйцевый близнец которого уже страдает этим недугом, весьма высоки. Более того, нам следовало бы задуматься, почему они не еще выше. Почему они не равны 100 процентам? Как могут два на первый взгляд идентичных человека настолько отличаться друг от друга? Один из них страдает ужасным психическим заболеванием— но ждет ли такая же плачевная участь его однояйцевого близнеца? Подбросьте монетку: выпадет орел — они выиграли, решка — проиграли. Различия в окружающей среде едва ли стоит принимать во внимание, но даже если мы будем их учитывать, то каким образом ее влияние может привести к столь различным последствиям в жизни двух генетически полностью идентичных людей?

А вот третья история для размышления. Маленький ребенок, которому не исполнилось еще и трех лет, подвергается жестокому обращению со стороны родителей, или же, в лучшем случае, оказывается предоставленным сам себе. В конце концов, в ситуацию вмешивается государство, ребенка забирают у биологических родителей и отдают на воспитание приемным родителям или усыновителям. Те души в нем не чают, окружают своего нового ребенка нежностью и лаской и делают все от них зависящее, чтобы он почувствовал себя любимым и желанным. Ребенок остается в новой семье на протяжении всего детства, отрочества и юности.

Иногда жизнь такого человека складывается вполне благополучно. Он вырастает счастливой, полноценной личностью, ничем не отличающейся от своих сверстников, воспитывавшихся в нормальных, любящих семьях. Но очень часто, как это ни прискорбно, подобная схема не срабатывает. Дети, пережившие в раннем возрасте безразличие или насилие со стороны родителей, во взрослом периоде своей жизни оказываются в значительно большей степени, по сравнению со средними показателями, подвержены психическим расстройствам. Слишком часто такие дети, став взрослыми, проявляют предрасположенность к депрессиям, членовредительству, наркомании и самоубийствам.

И опять мы вынуждены задать себе вопрос, почему так происходит. Почему настолько сложно преодолеть последствия безразличного или жестокого обращения, испытанного в раннем детстве? Почему какие-то события, случившиеся на самой заре жизни, оказывают свое влияние на психическое здоровье человека, которое может проявиться десятилетия спустя? В некоторых случаях взрослый человек может не сохранить даже обрывков воспоминаний о происшествиях, ставших причиной его душевной травмы, однако на протяжении всей своей жизни он продолжает ощущать их последствия на психическом и эмоциональном уровне.

Эти три примера на первый взгляд не имеют между собой ничего общего. Первый из них связан, главным образом, с питанием матери и «кормлением» еще не родившегося ребенка. Во втором говорится о различиях, проявляющихся у генетически идентичных индивидуумов. В третьей истории рассказывается об ущербе, который может быть нанесен взрослому человеку насильственным обращением с ним в глубоком детстве.

Однако все три примера тесно переплетены между собой на самом глубинном биологическом уровне. Все они находят свое объяснение с позиций эпигенетики. Эпигенетика — это новая дисциплина, производящая революцию в биологии. Если два генетически идентичных человека оказываются не идентичными по некоторым параметрам, которые мы можем проанализировать, то это и есть эпигенетика. Когда изменения в окружающей среде приводят к биологическим последствиям, продолжающимся долгое время после того, как само вызвавшее их событие давно кануло в Лету, то мы наблюдаем эпигенетические результаты в действии.

Эпигенетические явления присутствуют в нашей жизни повсеместно, и мы постоянно сталкиваемся с ними. Ученые наблюдают многочисленные проявления эпигенетики, подобные тем, что описаны выше, на протяжении многих лет. Когда исследователи говорят об эпигенетике, они подразумевают все те случаи, при которых только лишь генетическим кодом невозможно объяснить то, что происходит, — наряду с ним должен существовать некий дополнительный фактор.

Один из способов научного объяснения эпигенетики состоит в том, что она имеет место там, где два организма, являющихся генетически идентичными друг другу, в действительности демонстрируют некие различия между собой. И должен существовать некий механизм, вызывающий эти несоответствия между генетическим сценарием и конечным результатом. Такие эпигенетические эффекты должны провоцироваться физическими изменениями, какими-то модификациями широкого разнообразия молекул, из которых строятся клетки любых живых организмов. Это подводит нас к рассмотрению эпигенетики с другой точки зрения — объяснению с позиций строения молекулы. В данном случае эпигенетика может характеризоваться как серия модификаций нашего генетического материала, меняющих порядок «включения» и «выключения», т. е. активации и репрессии генов, но не оказывающих влияния на сами гены.

То, что термин «эпигенетика» имеет два разных значения, неискушенного человека может несколько сбивать с толку, но объясняется это исключительно тем, что мы описываем одни и те же явления на двух различных уровнях. В некотором роде это можно сравнить с разглядыванием фотографий в старых газетах через увеличительное стекло, когда мы видим, что изображение на них складывается из множества точек. Если бы у нас не было увеличительного стекла, мы имели бы полное право думать, что изображение на снимках выполнено на какой-то очень твердой основе, и, вероятно, поражались бы тому, каким образом удается каждый день создавать такое огромное количество фотографий. С другой стороны, если бы мы занимались только тем, что изучали фотографии исключительно через увеличительное стекло, то не увидели бы на них ничего, кроме точек, и так и не сумели бы охватить взглядом великолепную картину, в которую сложились бы эти точки, если мы не сделаем всего лишь пару шагов назад.

Революция, совсем недавно начавшаяся в биологии, состоит в том, что мы впервые действительно начинаем понимать, какие поразительные открытия сулит нам эпигенетика. Мы больше не рассматриваем лишь общую картину — теперь мы можем анализировать отдельные точки, из которых она состоит. Это означает, что мы, наконец-таки, начинаем нащупывать утраченное звено между природой и воспитанием, а также понимать, как наше окружение взаимодействует с нами и изменяет нас, иногда необратимо. Префикс «эпи» в термине «эпигенетика» заимствован из греческого языка и может переводиться как «на», «над», «сверх», «после». ДНК в наших клетках — это не какая-то чистая, беспримесная молекула. На определенных участках ДНК к ней могут добавляться маленькие группы химических соединений. Наша ДНК, кроме того, покрыта специфическими белками. Эти белки, в свою очередь, также могут присоединять к себе подобные группы. Ни одна из подобных молекулярных корректировок не ведет к изменениям базового генетического кода. Однако, присоединение этих химических групп к ДНК или соответствующим белкам или же их удаление, может вызывать изменения в экспрессии соседствующих генов. Эти изменения экспрессии генов влекут за собой изменения функций клеток и даже самой природы этих клеток. Иногда, если подобные химические модификации (присоединение или удаление химических соединений) осуществляются на важном этапе развития, то они могут оказывать влияние на наш организм на протяжении всей нашей жизни, даже если нам предстоит пережить свой столетний юбилей.

Не приходится сомневаться, что отправной точкой является карта ДНК. Очень важной отправной точкой и абсолютно необходимой, и двух мнений тут быть не может. Но только ею одной невозможно исчерпывающе объяснить все иногда прекрасные, а иногда ужасные проявления многообразия жизни. Если бы единственным, что имеет значение, была последовательность ДНК, однояйцевые близнецы всегда и во всем были бы идентичны друг другу. Младенцы, родившиеся у матерей, испытавших недостаток питания, быстро бы набирали вес и вскоре догоняли бы своих ровесников, жизнь которых началась более счастливо. И все мы, о чем читатель сможет узнать из Главы 1, были бы похожи на раздувшиеся бесформенные пузыри, потому что все клетки в наших организмах были бы абсолютно идентичны.

Самые разнообразные направления биологии испытывают на себе влияния эпигенетических механизмов, и революция в нашем мышлении распространяется все дальше и дальше, вторгаясь в самые неожиданные сферы жизни на нашей планете. В этой книге мы рассмотрим множество различных примеров и узнаем причины многих явлений. Например, почему для зачатия ребенка необходим один сперматозоид и одна яйцеклетка, а не, скажем, два сперматозоида или две яйцеклетки? Что делает возможным клонирование? Почему процесс клонирования настолько сложен? По какой причине некоторым растениям требуется пережить холодный период, прежде чем они смогут зацвести? Если пчелиные матки и рабочие пчелы генетически идентичны, то почему они совершенно различны по внешнему виду и функциям? Почему трехцветный окрас могут иметь только кошки, а не коты? Как может быть, что сотни сложнейших органов человека состоят из триллионов клеток, а у микроскопических червей лишь около тысячи клеток и практически никаких органов, но при этом и мы, и черви обладаем одинаковым количеством генов?

Не только академическая наука, но и коммерческие предприятия постепенно начинают все больше осознавать, какое колоссальное влияние оказывает эпигенетика на здоровье человека. Эта наука имеет непосредственное отношение к самым разнообразным заболеваниям от шизофрении до ревматического артрита, от рака до хронических болей. Уже разработаны два типа лекарственных препаратов, инициирующих эпигенетические процессы и благодаря этому успешно применяемых для борьбы с определенными разновидностями рака. Фармацевтические компании затрачивают на исследования сотни миллионов долларов в стремлении опередить друг друга в создании лекарственных средств следующего поколения для лечения самых тяжелых заболеваний, поразивших наш индустриализированный мир. Новым горизонтом в разработке современных лекарственных препаратов является именно эпигенетическая терапия.

Благодаря открытиям Дарвина и Менделя в биологии XIX век стали называть эрой эволюции и генетики; труды Уотсона и Крика принесли XX веку титул эры ДНК, ознаменовавшейся принципиальным пониманием механизмов взаимодействия генетики и эволюции. И вот теперь, в XXI столетии, появилась новая научная дисциплина, эпигенетика, объясняющая то, что мы всегда считали догмой, и преобразующая окружающий нас мир бесконечно разнообразным, удивительным и прекрасным образом.

Мир эпигенетики завораживает и околдовывает. Ему присущи изысканная утонченность и сложность, и в Главах 3 и 4 мы окунемся в глубины молекулярной биологии и попытаемся узнать, что происходит с нашими генами при их эпигенетическом модифицировании. Но подобно многочисленным поистине революционным идеям в биологии, в основе эпигенетики лежат явления настолько простые и элементарные, что они покажутся совершенно самоочевидными любому, кто возьмет на себя труд обратить на них свое внимание. И в Главе 1 мы рассмотрим наиболее важный пример таких явлений. Он представляет собой исследование, с которого началась эпигенетическая революция.

Примечания по терминологии

Существует международная договоренность о том, как следует писать названия генов и белков, и именно ее мы и будем придерживаться в этой книге.

Названия и аббревиатура генов записываются курсивом. Белки, кодируемые генами, записываются обычным шрифтом.

Аббревиатура генов и белков человека записываются заглавными буквами. Для других видов, например мышей, в этих символах обычно только первая буква является заглавной.

Эти правила для гипотетического гена обобщены в следующей таблице:

* чаще всего в современной научной литературе аббревиатура генов записывается только маленькими буквами ( прим. научного ред. ).