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

Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности (fb2) - Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности 2250K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Несса Кэри

Несса Кэри ЭПИГЕНЕТИКА Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности

Зои Рейнольдс, которая перепрограммировала мою жизнь, и памяти Шона Кэри, 1925—2011

Благодарность

Последние несколько лет мне посчастливилось работать с рядом поистине выдающихся ученых. Их слишком много, чтобы я могла назвать здесь каждого, однако особые слова благодарности я хочу адресовать Мишель Бартон, Стефану Беку, Марку Бедфорду, Шелли Бергер, Эдриану Берду, Крису Бошофу, Шэрон Дент, Дидье Девизу, Лучано Ди Кроче, Энн Фергюсон-Смит, Жану-Пьеру Исса, Питеру Джонсу, Бобу Кингстону, Тони Кузаридесу, Питеру Лэйрду, Джинни Ли, Дэнешу Моазеду, Стиву Макмахону, Вольфу Рейку, Рамину Шикхаттару, Ирине Станчевой, Азиму Сурани, Ласло Тора, Брайану Тернеру и Патрику Варга-Вайсу.

Кроме того, я благодарю моих бывших коллег из компании Cell Centric — Джонатана Беста, Девананда Кризи, Тима Фелла, Дэвида Ноулза, Нила Пега, Тиу Стенвей и Уилла Уэста.

Как начинающий автор, особую свою благодарность я хочу выразить моему агенту Эндрю Лоуни, рискнувшего потратить свое время на меня и эту книгу.

Свою самую теплую благодарность я выражаю также всем милым сотрудникам издательства Icon, и в первую очередь Саймону Флинну, Наджме Финлей, Эндрю Ферлоу, Нику Халл идею и Гарри Скоблу. Их неисчерпаемое терпение к моему полному невежеству во всех вопросах, касающихся издательского дела, было поистине героическим.

Огромную поддержку я получала от своей семьи и друзей, и я искренне надеюсь, что они простят меня за то, что я не перечисляю их здесь поименно. И все же я не могу не назвать Элеанору Флауэрдей, Виллема Флауэрдея, Алекса Гиббса, Эллу Гиббс, Джессику Шейл О’Тул, Лили Саттон и Люка Саттона, выводивших меня из уныния и вдохновлявших на продолжение работы, когда я временами увязала в ее казавшихся мне непроходимыми дебрях.

Наконец, за то, что ей неизменно удавалось перебороть искушение закатывать глаза всякий раз, когда я говорила: «Я не могу провести время с друзьями, вымыть посуду, поехать развеяться на уикенд, потому что пишу книгу», я просто обязана поблагодарить свою любимую подругу Эби Рейнольдс. И я обещаю тебе, что вот-вот запишусь на курсы бальных танцев.

Введение

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[1].

«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[2].

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.).

Глава 1. Мерзкая жаба и прекрасный человек

Подобна мерзкой, ядовитой жабе, Надевшей бриллиантовый венец.

Уильям Шекспир. «Как вам это понравится»

В организме обычного человека насчитывается от пятидесяти до семидесяти триллионов клеток. Именно так, 50 000 000 000 000 клеток. Эта оценка весьма приблизительна, но и удивляться этому не приходится. Представьте, что мы смогли каким-то образом разделить человека на отдельные клетки и решили пересчитать их, установив для себя скорость по одной клетке в секунду. Если мы не будем устраивать перерывы на чашечку кофе и, сбившись, не станем пересчитывать сначала, то при самом благоприятном развитии событий на эту работу у нас уйдет около полутора миллионов лет. Из наших клеток сформировано множество самых разных типов тканей, в высшей степени специфических и совершенно непохожих друг на друга. Если что-нибудь не пойдет уж совсем наперекосяк, то почки не станут расти у нас посреди лба, а глазные яблоки не ощетинятся зубами. Нам это представляется само собой разумеющимся, но почему так происходит? Такая избирательность кажется довольно странной, особенно если мы вспомним, что каждая клетка нашего организма возникла в результате деления единственной начальной клетки. Эта первичная клетка называется зиготой. Зигота образуется при слиянии одного сперматозоида с одной яйцеклеткой. Зигота делится надвое; затем уже две клетки снова делятся пополам, и так продолжается до тех пор, пока не завершится формирование удивительного конечного результата, именуемого человеческим телом. В процессе деления клетки все больше и больше отличаются друг от друга и образуют специфические типы клеток. Этот процесс известен как дифференциация. Именно он играет главенствующую роль в формировании любого многоклеточного организма.

Если мы посмотрим на бактерии под микроскопом, то убедимся, что все бактерии одного вида выглядят абсолютно одинаково. А теперь под тем же микроскопом рассмотрим некоторые клетки человека — скажем, всасывающие пищу клетки тонкой кишки и нейроны головного мозга, — и, скорее всего, будет весьма сложно поверить в то, что они имеют одно и то же земное происхождение. Так в чем же дело? Ведь и те, и другие клетки развились из одного и того же, общего для них, генетического материала. Именно общего, в том-то все и дело, так как они произошли от единственной первичной клетки, зиготы. А это значит, что клетки могут становиться совершенно разными, несмотря на то, что берут свое начало от одной клетки с записанным в ней единственным планом развития.

Одно из объяснений этого феномена заключается в том, что клетки разным образом используют одну и ту же информацию, и это, несомненно, так и есть. Однако такое объяснение не никак не помогает нам в наших поисках истины. В экранизации 1960 года «Машины времени» Г. Дж. Уэллса, где Род Тейлор исполнил роль путешествующего по времени ученого, есть одна сцена, в которой он демонстрирует изобретенный им аппарат своим высокообразованным коллегам (исключительно мужчинам, естественно), и один из них просит объяснить, как эта штука работает. И наш герой рассказывает, как путешественник, бороздя время, будет управлять машиной с помощью следующего нехитрого механизма:

«Перед ним располагается рукоятка, задающая направление движения. Отжимая рукоятку от себя, он посылает аппарат в будущее. Прижимая ее к себе, отправляется в прошлое. И чем сильнее давление на рукоятку, тем выше скорость развивает машина».

Все глубокомысленно кивают, выслушав это объяснение. Вот только проблема в том, что это никакое не объяснение, а всего лишь описание. То же самое мы вправе возразить и в ответ на утверждение о том, что клетки разными способами используют одну и ту же информацию, — это заявление не сообщает нам ничего нового, в нем только лишь перефразировано то, что нам и так было известно.

Куда интереснее было бы выяснить, каким образом клетки могут использовать одну и ту же генетическую информацию различными способами. Еще интереснее и важнее узнать, как клеткам удается помнить о том, что им предстоит делать, и продолжать делать это.

Клетки в нашем костном мозге производят клетки крови, клетки в печени продолжают производить клетки печени. Почему это происходит?

Одно из возможных и весьма привлекательных объяснений заключается в том, что по мере того как клетки становятся все более специфическими, они перестраивают свой генетический материал и, вероятно, утрачивают гены, в которых больше не нуждаются. Печень принадлежит к числу жизненно важных и чрезвычайно сложных органов. На вэб-сайте фонда British Liver Trust[3] говорится, что печень выполняет в организме свыше 500 функций, включая участие в переработке пищи, усвоенной кишечником, нейтрализации токсинов и выработке ферментов, выполняющих в нашем организме самый широкий спектр задач. Однако чем печень не занимается никогда и ни при каких условиях — это перенос по организму кислорода. Эта обязанность возложена на красные кровяные тельца, которые до отказа заполнены особым белком, гемоглобином. Гемоглобин захватывает кислород в тканях, где того в избытке, например в легких, а затем освобождается от него, когда красные кровяные тельца достигают тканей, нуждающихся в этом важнейшем химическом элементе, таких как, скажем, крошечные кровяные сосуды в кончиках наших пальцев ног. Печень никогда не возьмет на себя эту функцию, так как, возможно, она просто «избавилась» от гена гемоглобина, который никогда так и не использовала?

Такое объяснение представляется вполне разумным — клетки попросту утрачивают генетический материал, который им в будущем не пригодится. В процессе дифференциации клетки могут отбросить сотни генов, в которых они больше не нуждаются. Возможен, конечно, и несколько менее кардинальный способ решения этой проблемы — может быть, клетки всего лишь отключают те гены, которыми не пользуются. И, возможно, они проделывают это настолько эффективно, что эти гены уже никогда не смогут снова активироваться в той же клетке, то есть гены оказываются необратимо подавленными. В ключевом эксперименте, исследовавшем эти две в равной степени допустимые гипотезы — утрату генов или их необратимую репрессию, — приняли участие мерзкая жаба и прекрасный человек.

Запустить биологические часы вспять

Этой работе дали начало эксперименты, проведенные Джоном Гердоном многие десятилетия назад в Англии, сначала в Оксфорде, а затем в Кембридже. В настоящее время профессор сэр Джон Гердон по-прежнему работает в своей кембриджской лаборатории, превратившейся теперь в роскошное, оснащенное самым современным оборудованием здание и носящей его имя. Это совершенно очаровательный, скромный и выдающийся человек, который и через сорок лет после своего сенсационного открытия продолжает публиковать результаты проводимых им исследований в области, основателем которой, по сути, он и является.

Даже своей внешностью Джон Гердон производит самое неизгладимое впечатление, резко выделяясь на фоне всех обитателей Кембриджа. Разменявший восьмой десяток, это высокий и худощавый мужчина с зачесанной назад роскошной гривой седых волос. Он похож на собирательный образ старого английского джентльмена, какими их изображают в американских фильмах, и в этом нет ничего удивительного, учитывая, что получать образование он начинал в Итоне. Рассказывают, что Джон Гердон все еще трепетно хранит характеристику, данную ему в ту пору его школьным учителем биологии, в которой говорится: «Если не ошибаюсь, Гердон собирается заниматься наукой. В свете его нынешней успеваемости эти идеи представляются смехотворными»[4]. Такое мнение его учитель высказал на основании нежелания юноши бездумно вызубривать несвязанные между собой факты. Но, как мы убедимся чуть позже, для такого выдающегося ученого, каким стал Джон Гердон, память куда менее важна, нежели воображение.

В 1937 году венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за научные достижения, в число которых входило и открытие им витамина С. Одной фразой, имеющей несколько слегка различающихся переводов, которые, впрочем, не искажают ее смысла, он так описал процесс открытия: «Видеть то, что видят другие, но думать так, как никто раньше не думал»[5]. И эти слова, пожалуй, лучше любых других характеризуют то, чем занимаются настоящие ученые. А Джон Гердон с полным правом принадлежит к их числу и вполне может последовать по стопам Сент-Дьердьи к нобелевскому Олимпу.

В 2009 году он стал лауреатом Ласкеровской премии, которая соотносится с Нобелевской премией практически так же, как «Золотой Глобус» с «Оскаром» в кинематографе. Работы Джона Гердона настолько потрясающи, что, когда знакомишься впервые с изложенным в них материалом, он кажется таким очевидным, что поражаешься, как это раньше никто до такого не додумался. Вопросы, которые он ставит, и манера, в которой он дает на них ответы, обладают такой восхитительной научной простотой и изысканностью, что представляются не требующими никаких дополнительных доказательств.

В работе, о которой пойдет речь, Джон Гердон использовал неоплодотворенные яйцеклетки лягушек. Любой из нас, кто когда-либо был счастливым обладателем аквариума, полного лягушачьей икры, и наблюдал, как из ее желеобразной массы появляются головастики, а затем превращаются в крошечных лягушат, имел дело с оплодотворенными яйцеклетками, то есть с теми, в которые проникли сперматозоиды и создали новое полноценное ядро. Яйцеклетки, с которыми работал ученый, были практически такими же, но с единственным отличием — они не имели контактов со сперматозоидами.

У Джона Гердона были веские причины, чтобы использовать для экспериментов именно яйцеклетки лягушек. Икринки земноводных обычно очень крупные, они откладываются в больших количествах, развиваются вне материнского организма и, наконец, прозрачны. Благодаря всем этим особенностям земноводные представляют собой очень удобный экспериментальный материал для ученых, занимающихся биологией развития, поскольку обращаться с их яйцеклетками довольно просто. Вне всяких сомнений, проще, чем с человеческой яйцеклеткой — трудно достижимой, чрезвычайно хрупкой для манипулирования, непрозрачной и настолько маленькой, что нам потребовался бы микроскоп только для того, чтобы увидеть ее.

Джон Гердон работал с африканской шпорцевой лягушкой (Xenopus laevis, если представить ее официально), с одной из тех, ярым почитателем которых является Джон Малкович, пытаясь выяснить, что происходит с клетками по мере их развития, дифференциации и взросления. Он хотел узнать, по-прежнему ли клетка ткани взрослой лягушки содержит в себе весь генетический материал, которым она обладала когда-то, или он утрачен, или же его какая-то часть была необратимо репрессирована в процессе специализации клетки. Способ, которым он решил это выяснить, заключался в том, чтобы извлечь ядро из клетки взрослой лягушки и поместить его в неоплодотворенную яйцеклетку, из которой было предварительно удалено ее собственное ядро. Эта техника, с которой мы постоянно будем сталкиваться на протяжении всей книги, называется «перенос ядра соматической клетки» (ПЯСК). Термин «соматический» происходит от греческого слова, означающего «тело».

Осуществив ПЯСК, Джон Гердон поместил яйцеклетки в подходящую среду (совсем как тот малыш с полным лягушачьей икры аквариумом) и стал ждать, когда из этих обработанных икринок вылупятся маленькие головастики.

Этому эксперименту предстояло проверить следующую гипотезу: «По мере того как клетки становятся все более специфическими (дифференцированными), они претерпевают необратимую утрату/репрессию генетического материала». Итогом эксперимента должен был стать один из двух возможных результатов:

1. Гипотеза была верна, и «взрослое» ядро утратило часть изначального плана создания нового индивидуума. В этом случае взрослое ядро ни при каких обстоятельствах не будет способно заменить ядро яйцеклетки и не произведет новую здоровую лягушку со всеми присущими ей разнообразными и дифференцированными тканями.

2. Гипотеза была ошибочна, и новые лягушки могут быть созданы при удалении ядра из яйцеклетки и замене его ядром из взрослой ткани.

Другие исследователи пытались проделать нечто подобное еще до того, как Джон Гердон взялся за решение этой проблемы. Двое ученых, Бриггс и Кинг, проводили эксперименты с другим представителем земноводных — лягушкой Rana pipiens. В 1952 году они пересадили ядра из клеток на очень ранней стадии развития в яйцеклетки, из которых были удалены собственные ядра, и в итоге получили жизнеспособных лягушек. Тем самым, они продемонстрировали существование технической возможности переноса ядра из одной клетки в «пустую» яйцеклетку, при котором клетка не погибала. Однако затем Бриггс и Кинг опубликовали результаты следующего эксперимента, в ходе которого они прибегли к той же процедуре, но перенесли ядро более развитого клеточного типа, и на этот раз не получили ожидаемого результата — лягушки не вылупились. Разница между клетками, использовавшимися для переноса ядер в двух экспериментах, казалась ничтожно малой — всего лишь на какой-то день старше, а лягушат уже и нет. Это служило подтверждением гипотезы о том, что в процессе дифференциации клеток имеет место некая необратимая репрессия. Человека менее целеустремленного, чем Джон Гердон, такое известие, возможно, выбило бы из седла, однако он более десяти лет посвятил решению этой проблемы.

План проведения экспериментов следовало продумать самым тщательным образом. Представьте, что мы начали читать детективные повести Агаты Кристи. Прочитав первые три произведения, мы выдвигаем следующую гипотезу: «Убийцей в книгах Агаты Кристи всегда является доктор». Читаем следующие три повести и обнаруживаем, что в каждой из них действительно свирепствует врач. Подтвердили ли мы нашу гипотезу? Нет. Нас обязательно будет преследовать мысль, что, может быть, стоит прочесть хотя бы еще одно произведение, просто чтобы удостовериться. А что если какая-то из ее книг не напечатана? А вдруг мы не смогли ее отыскать? Сколько бы книг мы ни прочли, мы никогда не можем быть абсолютно уверены, что изучили все собрание сочинений. Но в этом-то и заключается вся прелесть опровержения гипотез. Все, что нам для этого требуется, это обнаружить одно-единственное произведение, в котором Пуаро или мисс Марпл убеждаются, что доктор является образцом законопослушания, а убийство совершил викарий, и тогда наша гипотеза разобьется вдребезги. Именно так строятся самые образцовые научные эксперименты — чтобы опровергнуть, а не подтвердить идею.

И здесь в полной мере проявила себя гениальность Джона Гердона. В то время, когда он проводил свои эксперименты, то, чего он пытался достичь, находилось на грани или даже за гранью возможностей современных ему технологий. Если бы ему не удалось произвести лягушат из ядер взрослой особи, это просто можно было бы списать на недостаточно высокое качество оборудования. Сколько бы раз он ни ставил эксперимент, который не приводил бы к появлению лягушат, это отнюдь не означало бы, что он подтвердил гипотезу. А вот если бы жизнеспособные лягушки действительно появились из яйцеклеток, собственные ядра которых были заменены взрослыми ядрами, тогда бы он опроверг эту гипотезу. Он бы со всей убедительностью продемонстрировал, что при дифференциации клеток их генетический материал не утрачивается необратимо и не меняется. Красота этого подхода заключалась в том, что единственная лягушка способна была перевернуть с ног на голову всю теорию — что она и сделала.

Джон Гердон всегда был и остается чрезвычайно щедр на благодарности в адрес своих коллег по научному сообществу, отмечая их вклад в проделанную им работу и говоря о прекрасных условиях, предоставленных ему лабораториями и университетами. Ему посчастливилось начать эксперименты в идеально оснащенной лаборатории, оборудованной новейшим инструментарием и установкой ультрафиолетового света. Благодаря этому он получил возможность убивать собственные ядра яйцеклеток-реципиентов, не нанося последним вреда, а также «размягчать» клетку, чтобы затем тончайшими стеклянными иглами для подкожных инъекций вводить в них донорские ядра. Другим исследователям, работавшим в той же лаборатории над собственными проектами, удалось вывести лягушек с явно выраженной, но не угрожавшей их жизни мутацией. Как почти все мутации, она возникла в ядре, а не в цитоплазме. Цитоплазма — это густая жидкость внутри клеток, в которой располагается ядро. Джон Гердон брал яйцеклетки лягушек одной группы и донорские ядра мутировавшей группы. Таким образом, он мог бы неоспоримо продемонстрировать, что все вылупившиеся в результате эксперимента лягушки несут в себе информацию донорского ядра и не являются продуктом экспериментальной ошибки, что могло бы иметь место, если бы несколько ядер реципиентов были оставлены в яйцеклетках после их обработки.

Джон Гердон занимался этими исследованиями, которые он начал в конце 1950-х годов, около пятнадцати лет, продемонстрировав в итоге, что ядра из специфических клеток действительно способны развиваться в полноценное живое существо, если их поместить в соответствующую среду, то есть в неоплодотворенную яйцеклетку[6]. Чем более дифференцированной (специфичной) была донорская клетка, тем менее успешным оказывался результат, если говорить о количестве животных, но в этом и состоит красота опровержения гипотез. Для начала эксперимента нам может потребоваться очень много лягушачьих икринок, но, чтобы наш эксперимент считался успешным, мы отнюдь не обязаны получить в итоге столь же много живых лягушек. Всего лишь одного врача, оказавшегося не убийцей, будет вполне достаточно, помните?

Тем самым Джон Гердон показал, что, несмотря на присутствие в клетках некоего механизма, способного поддерживать определенные гены в активированном или репрессированном состоянии в разных типах клеток, этот механизм, как бы он не действовал, не приводил к утрате или необратимой репрессии генетического материала. Когда Гердон помещал взрослое ядро в соответствующую среду — в данном случае, в «пустую» неоплодотворенную яйцеклетку, то это ядро напрочь «забывало», к какому клеточному типу принадлежало раньше. Оно вновь становилось наивным ядром эмбриона, чтобы опять с нуля начать собственный процесс развития.

На вопрос о том, чем же является этот механизм, и отвечает эпигенетика. Предмет исследований этой отрасли биологии развития заключается в изучении того, как ведут себя гены в ДНК, иногда на протяжении многих сотен циклов клеточных делений, и каким образом клетки наследуют определенные особенности своих «родителей». Эпигенетические модификации программы развития не оказывают влияния на генетический код, они не затрагивают его ни с какой стороны и программируют клетки на десятилетия вперед. Но при определенных обстоятельствах этот слой эпигенетической информации может быть удален, и под ним обнаружится все та же «белая и пушистая» последовательность ДНК, которая никуда и не девалась. Именно это и происходило, когда Джон Гердон помещал ядра полностью дифференцированных клеток в неоплодотворенные яйцеклетки.

Знал ли Джон Гердон механизм этого процесса, создавая новых лягушат? Нет. Становится ли от этого его открытие менее значимым? Нисколько. Дарвину абсолютно ничего не было известно о генах, когда он разрабатывал теорию эволюции, основываясь на изучении законов естественного отбора. Мендель ничего не знал о ДНК, когда в саду одного из австрийских монастырей развивал идею о наследственных факторах, передающих «истину» от одного поколения горошка другому. Это не имеет никакого значения. Они увидели то, что прежде не удавалось увидеть никому, и благодаря им мы вдруг получили возможность совершенно иначе взглянуть на окружающий мир.

Эпигенетический ландшафт

Как это ни удивительно, но, когда Джон Гердон занимался этой работой, уже существовала некая концептуальная основа эпигенетики. Отправьтесь на любую конференцию, в названии которой присутствует слово «эпигенетика», и рано или поздно кто-либо из докладчиков непременно сошлется в своем выступлении на так называемый «эпигенетический ландшафт Уоддингтона». Он представит на ваше обозрение крупнозернистый рисунок, показанный на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Графическое изображение эпигенетического ландшафта, выполненное Конрадом Уоддингтоном. Положение шарика отражает вероятные судьбы различных клеток

Конрад Уоддингтон был в высшей степени выдающимся британским эрудитом. Он родился в 1903 году в Индии, однако для получения школьного образования был отправлен в Англию. Выпускник Кембриджа, он большую часть своей жизни проработал в университете Эдинбурга. Его научные интересы были поистине безграничны и варьировались от биологии развития до изобразительных искусств, от философии до перекрестного оплодотворения, и едва ли не в каждой из этих отраслей знаний он стал первооткрывателем новых путей в их изучении.

Свой образный эпигенетический ландшафт Уоддингтон представил в 1957 году для иллюстрации концепций биологии развития[7].

Выполненный им рисунок заслуживает того, чтобы остановиться на нем подробнее. Как вы видите, на вершине холма располагается шарик. Начиная скатываться с возвышенности, он может направиться по одному из нескольких желобов, ведущих к подножью холма. Визуально мы легко можем представить себе этот процесс, поскольку в детстве каждому из нас не раз приходилось катать мячики по горкам, ступеням и т. д.

Что нам сразу же приходит в голову, когда мы видим рисунок уоддингтоновского ландшафта? Мы понимаем, что как только шарик достигнет низшей точки, то он, вероятно, так в ней и останется, если мы не будем его трогать. Мы знаем, что закатить шарик наверх будет намного сложнее, чем отправить его сверху вниз. Кроме того, мы осознаем, что перекатить шарик из одного желоба в другой также будет довольно обременительно. Пожалуй, легче будет частично или полностью снова подкатить его к верхней точке, чтобы затем направить вниз по новому руслу, чем пытаться перекатить из одной выемки в другую через разделяющий их «хребет». И наша задача усложнится многократно, если два интересующих нас желоба разделены более чем одним холмом.

Этот образ чрезвычайно полезен для зрительного представления того, что может случиться в процессе развития клетки. Шарик на вершине холма — это зигота, начальная клетка, возникающая в результате слияния одного сперматозоида и одной яйцеклетки. Когда различные клетки организма начинают дифференцироваться (становиться более специфичными), каждую из них мы можем сравнить с шариком, катящимся по склону холма и направляющимся по одному из желобов. Достигнув конечной точки своего движения, каждый шарик так в нем и остается. Если не случится нечто действительно экстраординарное, определенная клетка никогда не превратится в клетку другого типа (не перепрыгнет через барьер в соседнюю ложбину). Точно также и не направится она вверх, к вершине холма, чтобы снова скатиться с него и дать начало клеткам самых разнообразных типов.

Ландшафт Уоддингтона, подобно навигационной рукоятке путешественника во времени, на первый взгляд кажется всего лишь еще одним описанием. Однако это не просто описание, а модель, помогающая нам нащупать новые способы мышления. Как и очень многие ученые, упоминавшиеся в этой главе, Уоддингтон не знал принципов действия этою механизма, но неужели это имеет какое-то значение? Он предоставил нам новый и очень эффективный способ осмысления проблемы.

Эксперименты Джона Гердона показали, что иногда, если у него получалось достаточно поднатужиться, ему удавалось закатить клетку со дна ложбины у основания холма на самую вершину этого холма. Оттуда она могла снова скатиться вниз и опять превратиться в клетку любого типа. И каждая лягушка, созданная Джоном Гердоном и его командой, учила нас двум важным вещам. Во-первых, тому, что клонирование — воссоздание живого организма из клеток взрослой особи — возможно, поскольку именно его Гердон и осуществил. Во-вторых, мы узнали, что клонирование — чрезвычайно сложный процесс, так как для появления каждого лягушонка ученому приходилось выполнить сотни ПЯСК.

Вот почему такой фурор был произведен в 1996 году, когда Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут из Рослинского института впервые в истории клонировали млекопитающее, овцу Долли[8]. Как и Джон Гердон, они воспользовались ПЯСКом. В случае Долли ученые перенесли ядро из клетки молочной железы взрослой овцы в неоплодотворенную яйцеклетку овцы, предварительно удалив из него собственное ядро. Затем они поместили ее в матку овцы-реципиента. Настойчивость, которую пионеры клонирования проявили в своей работе, трудно назвать иначе, чем маниакальной. Кэмпбелл и Вилмут выполнили не менее трехсот пересадок ядра, прежде чем были вознаграждены рождением того легендарного животного, которое ныне вращается в стеклянном кубе в Королевском шотландском музее Эдинбурга. Даже сегодня, когда уже были клонированы самые разнообразные животные — от скаковых лошадей до племенного крупного рогатого скота и от декоративных пород собак до домашних кошек, — этот процесс все еще чрезвычайно малоэффективен.

Два вопроса продолжают оставаться в высшей степени актуальными с той поры, когда Долли шагнула в анналы истории на своих слабых трясущихся ножках, которым вскоре предстояло ощутить на себе все тяготы преждевременного артрита. Первый:: по каким причинам процесс клонирования животных настолько малоэффективен? И второй: почему полученные в результате клонирования животные отличаются значительно менее крепким здоровьем, чем их родственники, появившиеся на свет естественным путем? Ключом к ответам на оба эти вопроса является эпигенетика, и ключ этот лежит в области молекулярной биологии, в чем мы убедимся в ходе наших дальнейших исследований этой темы. Пока же последуем примеру путешественника во времени Г. Дж. Уэллса и, оставив Джона Гердона в Кембридже, перенесемся на тридцать с лишним лет вперед в японскую лабораторию, где некий не менее настойчивый ученый обнаружил совершенно иной способ клонирования животных из взрослых клеток.

Глава 2. Как мы учились катиться в гору

Любой изобретательный дурак способен запутать и усложнить все что угодно… А вот чтобы двигаться в противоположном направлении, требуется искра гениальности и очень много мужества.

Альберт Эйнштейн

Итак, перепрыгнем почти через сорок лет, минувших с открытия Джона Гердона, и десятилетие после рождения Долли. Мы видим, что газеты просто переполнены публикациями о клонированных млекопитающих, и из-за их обилия создается впечатление, что эта процедура стала простой и рутинной. В действительности же процесс создания клонов путем переноса ядра продолжает оставаться чрезвычайно длительным и трудоемким и, соответственно, требующим существенных финансовых затрат. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, в значительной степени обусловлены тем, что им приходится вручную переносить соматические ядра в яйцеклетки. Кроме того, в отличие от амфибий, с которыми имел дело Джон Гердон, млекопитающие не производят одновременно яйцеклетки в больших количествах. Также усложняет их задачу и то, что яйцеклетки млекопитающих необходимо с предельной осторожностью извлекать из организма, поскольку сами собой они в аквариуме не оказываются, как это было с лягушачьей икрой. Яйцеклетки млекопитающих нуждаются в постоянном уходе и внимании, чтобы оставаться не просто живыми, но и здоровыми. Исследователи должны были вручную извлечь ядро из яйцеклетки, ввести ядро взрослой клетки (ничего при этом не повредив), но прежде чем имплантировать эту клетку в матку другой женской особи, необходимо было культивировать ее с максимальной осторожностью. Это невероятно напряженная и трудоемкая работа, причем каждый раз может быть пересажена лишь одна-единственная клетка.

Многие годы ученые мечтали о том, что у них появиться возможность клонирование в идеальных условиях. У взрослого млекопитающего, которое они хотели бы клонировать, исследователи брали бы самые доступные клетки. Крошечного соскоба клеток кожи было бы вполне достаточно, а сделать его было бы проще простого. Затем они бы обработали эти клетки в лаборатории, добавляя в них определенные гены, белки или другие химические соединения. Такая обработка принципиально изменила бы будущую судьбу ядер этих клеток. Вместо того чтобы вести себя как ядра клеток кожи, они перенимали бы манеру поведения ядер только что оплодотворенных яйцеклеток. Результат этой лабораторной обработки, таким образом, был бы аналогичен переносу ядер взрослых клеток в оплодотворенные яйцеклетки, из которых предварительно были удалены собственные ядра. Прелесть этой гипотетической методики заключается в том, что мы могли бы избавиться от множества сложных и трудоемких действий, требующих высочайшего уровня технического оснащения и мастерства при работе с крошечными клетками. Эта методика стала бы простой и доступной техникой, позволяющей применять ее одновременно на множестве клеток, а не выполнять каждый раз перенос лишь одного-единственного ядра.

Конечно, нам все еще предстояло бы найти способ доставки этих клеток в суррогатную мать, и это оставалось бы единственной задачей, требующей решения, если мы хотим создавать полноценных живых существ. Отчасти именно это и является нашей целью — дублировать племенных быков, например, или жеребцов, однако если говорить о воссоздании человека, то к такой перспективе большинство разумных людей относятся негативно. Более того, клонирование человека (репродуктивное клонирование) запрещено практически во всех странах, располагающих учеными и инфраструктурой для выполнения подобной задачи. Впрочем, на самом деле нам нет никакой нужды заходить настолько далеко и размышлять о перспективах клонирования человека, чтобы обосновать пользу, которую получит человечество от клонирования. Все, что нам нужно, это клетки, обладающие потенциалом превращаться в клетки других типов. Такого рода клетки называются стволовыми, и, образно говоря, они располагаются около вершины эпигенетического ландшафта Уоддингтона. Причина, по которой мы нуждаемся в таких клетках, объясняется природой заболеваний, составляющих одну из главных проблем нашей развитой цивилизации.

В богатых регионах нашей планеты болезни, убивающие наибольшее число людей, являются хроническими. Для развития им требуется продолжительное время, и часто столь же неспешно они убивают нас, когда принимаются за свое черное дело. Возьмем для примера сердечные заболевания — у человека, пережившего первый сердечный приступ, весьма незначительны шансы на то, что его сердце полностью восстановится и снова будет совершенно здоровым. Во время приступа некоторое количество клеток сердечной мышцы (кардиомиоциты) могут испытать кислородное голодание и погибнуть. На первый взгляд, это не должно представлять для нас большой проблемы, так как сердце наверняка может воссоздать новые клетки взамен утраченных, разве нет? В конце концов, мы ведь сдаем кровь, и наш костный мозг после этого производит больше красных кровяных телец. Точно так же, мы должны нанести ну уж очень большой вред собственной печени, чтобы она утратила способность восстанавливаться, «ремонтируя» сама себя. Но с сердцем дело обстоит несколько иначе. Кардиомиоциты принадлежат к так называемым «окончательно дифференцированным» клеткам — они скатились к самому подножию холма Уоддингтона и прочно застряли в отведенной им ложбине. В отличие от костного мозга или печени, сердце не располагает доступными запасами менее специализированных клеток (кардиальных стволовых клеток), которые могли бы превратиться в новые кардиомиоциты. Соответственно, долгосрочная проблема, вызванная сердечным приступом, состоит в том, что наш организм не способен создавать новые клетки сердечной мышцы. Организм делает единственное, что в его силах, заменяя погибшие кардиомиоциты соединительной тканью, и сердце никогда уже не бьется точно так, как билось прежде.

Подобные явления происходят при очень многих заболеваниях: синтезирующие клетки, секретирующие инсулин, разрушаются, когда у подростка развивается диабет 1 типа, клетки мозга погибают при болезни Альцгеймера, клетки ткани, из которых состоят хрящи, разрушаются при остеоартрите, и этот список можно продолжать бесконечно. Как было бы здорово, если бы мы могли заменять их новыми клетками, полностью идентичными нашим собственным. В этом случае мы могли бы навсегда забыть об отторжении тканей, с которым часто приходится сталкиваться при трансплантации органов, или об отсутствии так нужных нам доноров. Использование стволовых клеток таким образом называется терапевтическим клонированием; под ним мы подразумеваем создание клеток, идентичных клеткам конкретного больного, для лечения его заболевания.

Сорок с лишним лет мы знали, что теоретически это возможно. Работы Джона Гердона и его многочисленных последователей продемонстрировали, что взрослые клетки хранят в себе информацию обо всех клетках организма, и нам остается лишь найти эффективный способ извлечения ее. Джон Гердон брал ядра клеток взрослых лягушек, помещал их в яйцеклетки и закатывал эти ядра на самую вершину ландшафта Уоддингтона, создавая тем самым новых животных. Взрослые ядра оказывались — и это очень важное определение — перепрограммированными. Иэн Вилмут и Кит Кэмпбелл практически то же самое проделали с овцой. Важнейший общий признак, объединяющий эти работы, заключался в том, что в обоих случаях перепрограммирование срабатывало лишь тогда, когда взрослое ядро помещалось в неоплодотворенную яйцеклетку. Именно яйцеклетке была отведена в этом процессе главная роль. Мы не сможем клонировать живое существо, поместив взрослое ядро в клетку какого-либо другого типа.

Почему?

Чтобы разобраться в этом, нам придется сделать небольшое отступление и поговорить о биологии клетки. В ядре содержится подавляющее большинство ДНК и генов, которыми мы закодированы, это чертеж, по которому мы созданы. Очень незначительная часть ДНК располагается не в ядре — она находится в крошечных структурах, называемых митохондриями, но в данном случае это ничуть не должно нас беспокоить. Когда мы впервые знакомились с понятием клетки в школе, у большинства из нас складывалось впечатление, что самое главное и важное в ней — это ядро, тогда как все прочее, а именно цитоплазма, не более чем мешочек с жидкостью, пользы от которого не так уж и много. Трудно представить себе что-либо, столь же далекое от истины, и особенно, если речь идет о яйцеклетке, ибо и лягушки, и Долли научили нас тому, что цитоплазма в яйцеклетке играет ключевую роль. Что-то, содержащееся в этой яйцеклеточной цитоплазме, активно перепрограммировало взрослые ядра, помещенные в нее экспериментаторами. Эти неизвестные факторы откатили ядро со дна одного из уоддингтоновских желобов на самую вершину его ландшафта.

Никто толком не понимал, каким образом цитоплазме яйцеклетки удавалось преобразовывать взрослые ядра в ядра, присущие зиготам. Оставалось лишь предполагать, что, чем бы это ни было, оно должно быть невероятно сложным и запутанным для анализа. Часто в науке случается так, что действительно большие вопросы, получить ответы на которые не представляется возможным, содержат в себе ряд меньших вопросов, поддающихся осмыслению. Поэтому несколько лабораторий занялись решением концептуально более простых, но технически не менее сложных задач.

Безграничный потенциал

Давайте вспомним шарик на вершине ландшафта Уоддингтона. Пользуясь клеточной терминологией, мы называем его зиготой и характеризуем как тотипотентный, то есть обладающий потенциалом сформировать любую клетку в организме, включая и плаценту. Конечно, зиготы по определению крайне ограниченны количественно, и большинство ученых, занимающиеся исследованиями самых ранних стадий развития, пользуются клетками чуть более взрослыми, знаменитыми эмбриональными стволовыми (ЭС) клетками. Эти клетки получаются в результате естественного процесса развития. Зигота дробится и делится несколько раз, образуя в итоге группу клеток, называемую бластоцистой. Несмотря на то, что бластоциста обычно насчитывает менее 150 клеток, она уже является эмбрионом на ранней стадии развития, состоящим из двух четко разделенных структур. В ней присутствует внешний слой, называемый трофэктодермой, из которой позже сформируется плацента и другие внеэмбриональные ткани, и внутриклеточная масса (ВКМ).

На рисунке 2.1 показано, как выглядит бластоциста. Рисунок выполнен в двух измерениях, однако в действительности бластоциста представляет собой трехмерную структуру, так что на самом деле она похожа на теннисный мячик, внутрь которого вклеен шарик для гольфа.

Рис. 2.1. Строение бластоцисты млекопитающих. Из клеток трофэктодермы образуется плацента. В процессе естественного развития клетки внутриклеточной массы (ВКМ) сформируют ткани эмбриона. В лабораторных условиях клетки ВКМ могут выращиваться в культуре как плюрипотентные эмбриональные стволовые (ЭС) клетки будут делиться неограниченное количество раз, оставаясь при этом полным подобием своей родительской клетки. Их мы и называем ЭС клетками, и, как следует из их полного наименования, они способны сформировать любую клетку эмбриона и, в конечном итоге, взрослого животного. Они не тотипотентны — так как не могут образовать плаценту — и называются плюрипотентными, поскольку все остальное им по силам.

Клетки ВКМ могут выращиваться в лаборатории в чашках для культивирования. Очень нежные и прихотливые, они требуют особых условий и крайне внимательного и бережного обращения, но соблюдайте правила, и они вознаградят вас за усердие тем, что ЭС клетки оказались поистине бесценными для понимания того, что необходимо для сохранения плюрипотентного состояния клеток. На протяжении долгих лет многие выдающиеся ученые, в первую очередь Азим Сурани в Кембридже, Остин Смит в Эдинбурге, Рудольф Джениш в Бостоне и Шинья Яманака в Киото, не жалея времени и сил, пытались идентифицировать гены и белки, экспрессированные (включенные) в ЭС клетках. Особые усилия они направляли на определение генов, поддерживающих ЭС клетки в плюрипотентном состоянии. Эти гены чрезвычайно важны, так как ЭС клетки демонстрируют высокую склонность к превращению в клетки других типов в культуре, стоит лишь чуть изменить условия их содержания. Допустите совсем незначительные вариации в выверенном режиме выращивания, и ЭС клетки, делящиеся в чашке для культивирования, тут же начнут дифференцироваться, например, в кардиомиоциты и заниматься тем, что лучше всего остального получается у клеток сердца: сокращаться в унисон друг с другом. Очередное едва уловимое изменение условий содержания, такое как, скажем, нарушение четкого баланса химических соединений в культуральной жидкости, может заставить ЭС клетки отказаться от их первоначального плана превратиться в клетки сердца и приступить к формированию клеток, из которых развиваются нейроны нашего головного мозга.

Ученые, работающие с ЭС клетками, определили огромное множество генов, играющих важную роль в сохранении клеток плюрипотентными. Функциональное назначение различных выявленных ими генов далеко не всегда было одинаковым. Некоторые из них были важны для самообновления, то есть одна ЭС клетка при делении образовывала две ЭС клетки, тогда как другие были необходимы для того, чтобы не позволять клеткам дифференцироваться[9].

Таким образом, к началу XXI века ученые обнаружили способ сохранения плюрипотентных ЭС клеток в чашках с культурой и узнали очень много нового и важного об их биологии. Кроме того, им удалось установить, как именно следует менять состав культурального раствора, чтобы находящиеся в нем ЭС клетки дифференцировались в клетки различных типов, включая клетки печени, сердца, нейроны и так далее. Но насколько это приближает нас к осуществлению мечты, о которой мы говорили выше? Смогут ли исследователи воспользоваться этой информацией, чтобы разработать новые способы обращения собственного времени клеток вспять, закатывания их вверх, в высшую точку уоддингтоновского ландшафта? Можно ли будет взять полностью дифференцированную клетку и обработать ее в лаборатории таким образом, чтобы она стала во всем подобной ЭС клетке, со всем присущим ей потенциалом? И если у ученых имелись веские основания полагать, что теоретически это возможно, то до осуществления этих идей на практике требовалось проделать еще очень и очень долгий путь. Однако эта работа сулила в высшей степени манящие перспективы для ученых, стремившихся с помощью стволовых клеток излечивать людей от самых разнообразных заболеваний.

К середине первого десятилетия нашего века было идентифицировано более двадцати генов, играющих важную роль в развитии ЭС клетках. Далеко не всегда ученым было понятно, каким образом они взаимодействуют между собой, и, конечно же, было совершенно ясно, что в биологии ЭС клеток для нас еще остается слишком много белых пятен. Однако абсолютно точно было известно то, что будет невообразимо сложно взять зрелую клетку и воссоздать в ней широчайший комплекс внутриклеточных условий, существующий в ЭС клетке.

Торжество оптимизма

Иногда величайшие научные прорывы случаются лишь по той причине, что кто-то попросту отваживается игнорировать превалирующий в каком-то вопросе пессимизм. В нашей истории оптимистами, решившими на практике проверить то, что все остальные по определению считали невозможным, были уже упоминавшийся выше Шинья Яманака и помогавший ему в проведении экспериментов докторант Казутоши Такахаши.

Профессор Яманака принадлежит к числу молодых светил в области изучения стволовых клеток и плюрипотентности. Родившийся в Осаке в начале 1960-х годов, он, что весьма необычно, занимал высокие академические посты в узкоспециализированных научно-исследовательских учреждениях Японии и США. Получив медицинское образование, он стал практикующим врачом в области ортопедической хирургии. Своих коллег-ортопедов другие хирурги часто снисходительно называют «мастерами кувалды и зубила». Хотя справедливого в этом определении мало, но все же практическая деятельность хирурга-ортопеда настолько далека от утонченной молекулярной биологии и изучения стволовых клеток, насколько это только можно себе представить.

Пожалуй, более любых других исследователей, занимавшихся изучением стволовых клеток, профессор Яманака горел желанием найти способ создания в лабораторных условиях плюрипотентных клеток из дифференцированных клеток. Приступив к этой работе, он располагал списком из 24 генов, имеющих жизненно важное значение для ЭС клеток. Все они принадлежали к числу «генов плюрипотентности» — они должны были оставаться активированными, чтобы ЭС клетки могли сохранить свою плюрипотентность. Если с помощью различных экспериментальных техник эти гены репрессировались, то ЭС клетки начинали дифференцироваться (как те самые сокращавшиеся клетки сердца в чашках с культурой) и уже никогда не возвращались к своему первоначальному состоянию ЭС клеток. Отчасти именно это и происходит в процессе естественного развития млекопитающих, когда клетки дифференцируются и становятся специализированными, — они «отключают» свои гены плюрипотентности.

Шинья Яманака решил проверить, не обратят ли некие комбинации этих генов биологическое время дифференцированных клеток вспять, не отодвинут ли их на более ранние стадии развития. Работа ему предстояла долгая и трудоемкая, причем имело место обоснованное опасение, что, если результаты окажутся отрицательными, то есть если ни одна из этих клеток не «откатится» в свое прошлое, то он не сможет узнать наверняка, в чем причина такого завершения экспериментов — в том, что это невозможно в принципе, или в том, что не были верно соблюдены условия проведения экспериментов. Это был рискованный проект даже для такого авторитетного ученого как Яманака, но еще больше подводных камней он таил в себе для его юного помощника Такахаши, поскольку тому только предстояло взбираться по лестнице своей научной карьеры.

Когда герцогу Веллингтону стало известно о возможности обнародования его личной интимной переписки, грозившей нанести ему значительный вред, он произнес свои ставшие крылатыми слова: «Публикуйте и катитесь ко всем чертям!» Мантра ученых практически такая же, однако она отличается одним очень важном нюансом. Для нас она звучит «публикуйте или катитесь ко всем чертям» — если вы не публикуете свои научные труды, то не получите для них финансирования и не найдете работу в университетах. И крайне немного шансов у вашей работы быть опубликованной в солидном научном журнале, если весь ваш рассказ о годах напряженного труда можно выразить в одной фразе: «Я старался, старался, но у меня ничего не получилось». Так что желание заняться проектом, имевшим относительно небольшую вероятность завершиться положительным результатом, с полным правом можно назвать отчаянно смелым поступком, а перед Такахаши, в частности, нам остается лишь снять шляпу.

Яманака и Такахаши, имея в своем распоряжении 24 гена, решили испытать их в клеточном типе, известном как МЭФ — мышиные эмбриональные фибробласты. Фибробластами называются основные клетки соединительной ткани, присутствующие в самых разнообразных органах, включая кожу. Извлечь их очень легко, и они быстро растут в культуре, поэтому представляют собой превосходный клеточный материал для проведения экспериментов. Поскольку клетки МЭФ, как следует из их названия, получают из эмбрионов, существовала надежда, что они, будучи помещенными в подходящую среду, вспомнят хоть немногое о своем происхождении и сумеют вернуться к более ранним стадиям собственного развития.

Помните, как Джон Гердон в своих экспериментах выбирал доноров и акцепторов среди лягушек разных групп, обладавших различными маркерами генетического кодирования, чтобы определить, какие именно ядра развиваются в новых животных? Нечто подобное проделал и Яманака. Он брал клетки у мышей, имевших предварительно добавленный лишний ген. Этот ген называется геном неомициновой резистентности (neoR) и действует в полном соответствии со своим наименованием. Неомицин — это принадлежащее к антибиотикам соединение, которое в обычных условиях убивает клетки млекопитающих. Но если клетки были генетически перестроены для экспрессии гена neoR, они выживут. Когда Яманака готовил мышь, необходимую ему для проведения экспериментов, он особым образом добавил ей ген neoR. Это означало, что ген neoR должен активироваться лишь в том случае, если клетка, в которой он находился, станет плюрипотентной. Эта клетка должна была повести себя так, как будто она стала ЭС клеткой. То есть, если эксперименты по насильственному возвращению фибробластов в состояние недифференцированной ЭС клетки окажутся успешными, клетки будут продолжать расти даже при добавлении в них летальной дозы антибиотика. Если же эксперименты завершатся неудачей, все клетки погибнут.

Профессор Яманака и доктор Такахаши ввели 24 гена, которые они хотели протестировать, в особые молекулы, называемые векторами. Эти молекулы исполняют роль троянского коня, доставляя в клетку высокие концентрации «дополненной» ДНК в фибробласты. Оказавшись в клетке, эти гены должны активироваться и начать вырабатывать специфические для каждого из них белки. Введение векторов может быть осуществлено довольно просто одновременно в большое количество клеток при помощи химической обработки или электрического импульса (никаких кропотливых микро-инъекций, только не для японских исследователей!) Когда Шинья Яманака вводил все 24 гена одновременно, некоторые клетки оживали после обработки их неомицином. Доля их была крошечной, но, тем не менее, это был впечатляющий результат. Из него следовало, что эти клетки активировали ген neoR. Они и начинали вести себя соответственно, как ЭС клетки. Но если он вводил гены поодиночке, ни одна клетка не выживала. Тогда Шинья Яманака и Казутоши Такахаши стали вводить в клетки различные комбинации из 23 генов. Результаты этих экспериментов они использовали для идентификации десяти генов, каждый из которых был необходим для создания неомицин-резистентных плюрипотентных клеток. Пробуя различные сочетания этих десяти генов, они, наконец, опытным путем определили минимальное количество генов, которые, действуя совместно, превращали фибробласты эмбриона в ЭС клетки.

Волшебное число оказалось четверкой. Когда в фибробласты вводились векторы, несущие в себе гены, называемые Oct4, Sox2, Klf4 и с-Мус, происходило нечто совершенно невероятное. Клетки выживали в неомицине, демонстрируя тем самым, что они активировали ген neoR, и как следствие, становились подобными ЭС клеткам. И это не все — фибробласты начинали менять форму и внешне превращаться в ЭС клетки. Прибегая к разнообразным экспериментальным системам, ученые смогли преобразовать эти перепрограммированные клетки в три основных типа тканей, из которых формируются все органы млекопитающих — эктодерму, мезодерму и эндодерму. Именно это и проделывают обычные ЭС клетки. Фибробластам такое просто не по силам. Затем Шинья Яманака продемонстрировал, что он может повторить весь процесс, пользуясь в качестве исходного материала фибробластами взрослых мышей, а не эмбрионов. Это стало доказательством, что успех его метода не зависит от каких-то особенностей эмбриональных клеток, но может также применяться при работе с клетками полностью дифференцированных и зрелых организмов.

Созданные им клетки Яманака назвал «индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками», и аббревиатура этого термина — iPS (иПС) клетки — сегодня уже прочно укоренилась в профессиональном языке всех, кто занимается биологическими исследованиями. Если только представить, что каких-то пять лет назад этого словосочетания просто не существовало, а теперь оно пользуется всемирным признанием среди ученых, то мы поймем, насколько важен и велик был этот прорыв в науке.

Трудно поверить, что клетки млекопитающих несут в себе около двадцати тысяч генов, и всего лишь четыре из них необходимы для того, чтобы превратить полностью дифференцированную клетку в ее плюрипотентную предшественницу. При помощи этих четырех генов профессор Яманака сумел закатить шарик с самого дна одной из уоддингтоновских ложбин в верхнюю точку его ландшафта.

Нет ничего удивительного в том, что Шинья Яманака и Казутоши Такахаши опубликовали результаты своих открытий в журнале Cell («Клетка») — самом авторитетном и солидном в мире издании, посвященном биологическим исследованиям[10]. Что заставило слегка удивиться, так это последовавшая реакция. Все в 2006 году понимали, что это величайшее открытие, однако понимали они и то, что назвать его таковым можно лишь в том случае, если публикация в журнале соответствует истине. Очень многие ученые просто не могли поверить, что так оно и есть. Нет, они ни на мгновение не заподозрили профессора Яманаку и доктора Такахаши во лжи или в какой-либо подтасовке результатов. Они всего лишь усомнились, что исследователи сами не ошиблись в чем-либо при проведении экспериментов, потому что не может быть все настолько просто. Это можно сравнить с тем, что человек, решивший найти Святой Грааль, обнаружил его уже на второй минуте поисков под пакетом с зеленым горошком у задней стенки собственного холодильника.

Вполне очевидное развитие событий, казалось бы, напрашивалось само собой — кто-нибудь должен повторить работу японских ученых и посмотреть, получатся ли у него такие же результаты. Для читателя, не занимающегося наукой профессионально, это может показаться странным, но лаборатории не помчались наперегонки друг с другом в стремлении первыми повторить исследования своих коллег. Шинья Яманака и Казутоши Такахаши потратили два года на проведение экспериментов, которые были в высшей степени трудоемкими и требовавшими скрупулезной точности на каждой их стадии. Другие лаборатории, кроме того, были жестко привязаны к проведению собственных исследовательских программ и не горели особым желанием отвлекаться от них. Еще одним препятствием было то, что организации, выделяющие исследователям средства для осуществления конкретных проектов, мягко говоря, не приходят в восторг, если сотрудники лабораторий вдруг забрасывают утвержденную программу исследований и начинают заниматься чем-то совершенно посторонним. Особенно неприятно и опасно в такой ситуации то, что конечные результаты могут оказаться негативными. На практике это означало, что только располагающая неограниченными финансовыми ресурсами и оснащенная по последним требованиям лаборатория с очень уверенным в себе руководителем может задуматься о том, чтобы «тратить время» на воспроизведение и повторение чьих-то экспериментов.

Рудольф Джениш из института Уайтхеда в Бостоне по праву считается колоссом в области создания генетически модифицированных животных. Родившийся в Германии, вот уже почти тридцать лет он работает в Соединенных Штатах. Обладатель вьющихся седых волос и впечатляющих усов, он сразу же приковывает к себе взгляды участников любых конференций. Может быть, и неудивительно то, что именно он стал тем ученым, который отважился отложить выполнение собственных исследовательских проектов и лично убедиться в том, что Шинья Яманака действительно осуществил невозможное. В конце концов, ему принадлежит следующее общеизвестное высказывание: «На протяжении многих лет я брался за многие рискованные проекты, поскольку считаю, что, если вам пришла блестящая идея, вы просто обязаны учитывать возможность неудачи и продолжать эксперименты».

На конференции в Колорадо в апреле 2007 года профессор Джениш выступил с докладом, в котором сообщил, что ему удалось повторить эксперименты Яманаки. Результаты совпали. Яманака был прав, iPS клетки действительно могут быть созданы при введении всего лишь четырех генов в дифференцированную клетку. Эта новость произвела на слушателей эффект разорвавшейся бомбы. В зале воцарилась атмосфера, подобная той, что можно увидеть в ключевых эпизодах старых фильмов, когда присяжные оглашают свой вердикт, и репортеры сломя голову бросаются к телефонам, чтобы сообщить о нем редакторам своих изданий.

Рудольф Джениш был великодушен — он охотно признал, что взялся за воспроизведение этих экспериментов, поскольку был уверен, что Яманака ошибается. То, что произошло после этого в отрасли, можно назвать настоящим переворотом. Во-первых, действительно крупные лаборатории, занимающиеся исследованиями стволовых клеток, начали изучать методику Яманаки, оттачивая и совершенствуя ее, чтобы добиться наибольшей эффективности. Через какую-то пару лет даже те лаборатории, которые прежде не вырастили ни единой ЭС клетки, вовсю занимались созданием iPS клеток из интересующих их тканей и доноров. Материалы исследований на тему iPS клеток теперь публикуются еженедельно. Эта техника модифицирована для прямого превращения человеческих фибробластов в нервные клетки человека без предварительного создания iPS клеток[11]. Это можно сравнить с тем, что мы закатываем шарик вверх до середины склона уоддингтоновского эпигенетического ландшафта, а затем запускаем его вниз по другой выемке.

Трудно не задаться вопросом, было ли для Шиньи Яманаки обидно, что никто не стал развивать его работу и пользоваться результатами исследований, пока американская лаборатория не доказала его правоту. В 2009 году он разделил Ласкеровскую премию с Джоном Гердоном, так что, возможно, он и не сильно переживает. Его репутация теперь не подлежит сомнению.

Вопрос денег

Если бы все, что мы читаем, являлось исключительно научной литературой, то наш рассказ об этой истории был бы повествованием восторженным и весьма незатейливым. Однако существуют и другие источники информации, в частности, патентные свидетельства, на которые обычно обращают внимание через некоторое время после появления в специализированных журналах статей, сопровождаемых рецензиями экспертов. Как только начинают появляться заявки на получение патента, история приобретает несколько усложненный сюжет. Для этого всегда требуется некоторое время, так как заявки на патент после представления документов в патентное ведомство остаются конфиденциальными от года до полутора лет. Это делается для того, чтобы защитить интересы изобретателей, поскольку такой льготный период дает им время завершить работу над некоторыми секретными аспектами своих исследований, не разглашая всему миру, что они изобрели. Здесь важно понимать, что и Яманака, и Джениш подали заявки на получение патентов на открытие, сделанное каждым из них в управлении судьбами клеток. Обе эти патентные заявки были приняты, патенты выданы, и теперь, вероятно, только в суде предстоит решать, кто из них имеет юридическое право на владение патентом. Осложняется решение этого вопроса тем, что, хотя Яманака первым опубликовал результаты своих исследований, подать заявку на получение патента первым успел Джениш.

Как могло такое случиться? Отчасти это объясняется тем, что процедура подачи заявки на получение патента весьма любопытна. Соискатель освобожден от необходимости доказывать каждый тезис, фигурирующий в его заявке. Он имеет право воспользоваться льготным периодом, чтобы попытаться найти какие-либо доказательства в поддержку утверждений, сделанных в патентной заявке. С юридической точки зрения, патент Шиньи Яманаки датирован 13 декабря 2005 года и темой его является работа, описанная в нескольких абзацах выше: как взять соматическую клетку и с помощью четырех факторов — Oct4, Sox2, Klf4 и с-Мус — превратить ее в плюрипотентную клетку. Официальной датой выдачи патента Рудольфу Дженишу значится 26 ноября 2003 года. В нем описываются некоторые технические аспекты и делаются заявления относительно экспрессии гена плюрипотентности в соматической клетке. Одним из упоминаемых в патенте генов является Oct4. Однако и прежде было известно, что ген Oct4 необходим для плюрипотентного состояния, в конце концов, это и была одна из причин, по которым Яманака включил его в свои первые эксперименты по перепрограммированию. Юридические споры вокруг этих патентов, вероятнее всего, завершатся весьма нескоро.

Но по какой причине эти две лаборатории, возглавляемые выдающимися и в высшей степени творческими учеными, вообще озаботились получением патентов? Теоретически, владение патентом предоставляет его обладателю некие эксклюзивные права и возможности в заявленной области. Однако в академических кругах никто и никогда даже подумать не может о том, чтобы пытаться воспрепятствовать коллеге из другой лаборатории в проведении научных экспериментов. Единственным практическим назначением патента является гарантия того, что настоящий изобретатель сможет получить финансовую прибыль от озарившей его идеи, и по праву заслуженные им деньги не потекут в карманы предприимчивых мошенников.

Наиболее прибыльными патентами в биологии вообще являются те, описанные в которых открытия могут быть использованы для лечения заболеваний людей или помочь исследователям быстрее разработать новые лекарственные средства. Именно по этой причине разгорелась столь нешуточная борьба между Дженишем и Яманакой за право обладания патентом. В суде могут постановить, что каждый раз, когда кто-либо получит iPS клетки, он должен будет заплатить деньги исследователям и лабораториям, первыми добившимися успеха в этом направлении. Если компании станут продавать полученные ими iPS клетки и отчислять определенный процент прибыли держателям патента, финансовая выгода для последних может оказаться весьма существенной. Стоит поговорить о том, почему эти клетки являются настолько ценным в монетарном выражении товаром.

Разберем это на примере какого-нибудь заболевания, скажем, диабета 1 типа. Он обычно возникает в детстве, когда определенные клетки поджелудочной железы (носящие просто волшебное название — бета-клетки островков Лангерганса) разрушаются в ходе процесса, природа которого не до конца ясна. Погибая, эти клетки никогда уже не восстанавливаются и не заменяются новыми, и в результате этого больной не способен более вырабатывать гормон инсулин. Без инсулина невозможно контролировать уровень сахара в крови, и последствия этого могут быть просто катастрофическими. До тех пор, пока не были обнаружены способы получения инсулина у свиней и введения его больным, дети и подростки регулярно умирали из-за диабета. Даже сегодня, когда прием инсулина (теперь это обычно искусственно синтезированный человеческий гормон) стал делом вполне обыденным, эта процедура продолжает сопровождаться целым рядом обременительных проблем. Больным приходится измерять уровень содержания сахара в крови по нескольку раз в день и соответственно менять дозы лекарства и рацион, стараясь оставаться в пределах жестко установленных границ. Заниматься этим на протяжении многих лет чрезвычайно сложно, особенно для подростков. Много ли вы знаете детей, которые искренне беспокоятся о том, что с ними может что-то случиться, когда им стукнет сорок? А хронический диабет 1 типа способен спровоцировать самый широкий спектр осложнений, включая потерю зрения, нарушение кровообращения, которое может привести к ампутациям, и заболевания почек.

Как было бы здорово, если вместо того, чтобы ежедневно делать себе инсулиновые инъекции, диабетики смогли бы получить новые бета-клетки! Тогда они сами снова смогли бы вырабатывать инсулин. Собственные внутренние механизмы организма обычно очень эффективны в контролировании уровня содержания сахара в крови, так что о большей части проблем можно было бы просто позабыть. Загвоздка в том, что в организме не существует клеток, которые могли бы преобразоваться в бета-клетки (они располагаются на самом дне одной из уоддингтоновских ложбин), поэтому нам придется прибегать к трансплантации поджелудочной железы или, возможно, превратить некоторые человеческие ЭС клетки в бета-клетки и ввести их в организм.

Выполнению этой задачи препятствуют две большие проблемы. Первая из них заключается в том, что донорский материал (как ЭС клетки, так и здоровая поджелудочная железа) в большом дефиците, и его никогда не будет достаточно для обеспечения всех диабетиков. Но даже если бы мы располагали им в достаточных количествах, существовал бы серьезный риск того, что они окажутся не совсем такими, как ткани пациента. Иммунная система больного идентифицирует их как чужеродные и попытается отторгнуть. В этом случае пациент, возможно, и избавится от необходимости делать себе инсулиновые инъекции, но будет вынужден всю свою жизнь принимать иммуно-подавляющие лекарственные препараты. Такое решение проблемы никак нельзя назвать приемлемым, поскольку эти препараты обладают целым рядом чрезвычайно тяжелых побочных эффектов.

Принципиально новый выход из этой запутанной ситуации предлагают iPS клетки. Возьмем крошечный соскоб клеток кожи у нашего пациента, которого условно назовем Фредди. Будем выращивать эти клетки в культуре, пока не получим достаточного количества, с которым можно было бы работать (это очень просто). Воспользуемся четырьмя факторами Яманаки для создания большого количества iPS клеток, обработаем их в лаборатории, превращая в бета-клетки, а после этого вернем пациенту. Иммунного отторжения не произойдет, поскольку Фредди получит обратно свои собственные клетки. Недавно ученые продемонстрировали, что на практике это вполне осуществимо, когда они проделали эту процедуру на больных диабетом мышах[12].

Все это, конечно, не так просто. Еще предстоит преодолеть целый сонм технологических барьеров, не говоря уже о том, что один из четырех факторов Яманаки, с-Мус, провоцирует развитие рака. Но за несколько лет, прошедших после той знаменитой публикации в журнале Cell, ученым удалось достичь заметного прогресса в совершенствовании технологий, благодаря чему мы теперь находимся едва ли не на самом пороге клинических испытаний. Мы научились создавать человеческие iPS клетки так же легко и уверенно, как мышиные, причем для этого теперь далеко не всегда используется с-Мус[13]. Разработаны новые способы создания клеток, устраняющие и некоторые другие тревожившие нас раньше проблемы безопасности. Например, при ранних методиках создания iPS клеток на стадии клеточной культуры использовались животные продукты. Это было небезопасно, поскольку всегда имел место риск заражения человека специфическими болезнями животных. Однако теперь исследователи обнаружили синтетические заменители этих животных продуктов[14]. Весь процесс воспроизводства iPS клеток постоянно и неуклонно совершенствуется. Но финишную черту мы пока не пересекли.

Одна из проблем, связанных с воспроизводством iPS клеток в промышленных масштабах, состоит в том, что мы пока не знаем, каковы будет требования регулирующих органов к вопросам безопасности, прежде чем они разрешат использовать iPS клетки для лечения людей. В настоящее время предоставление прав на терапевтическое использование iPS клеток регламентируется двумя совершенно разными инструкциями. Происходит это по той причине, что мы будем вводить пациенту клетки (клеточная терапия), которые были предварительно генетически модифицированы (генная терапия). Регламентирующие органы чрезвычайно осторожны по той причине, что очень многие испытания в области генной терапии, с завидным энтузиазмом проводившиеся в 1980-х и 1990-х годах, в лучшем случае не приносили больным никакой практической пользы, а иногда приводили к непредвиденным и ужасающим последствиям, в том числе к развитию смертельных форм рака[15]. Количество потенциальных регулятивных барьеров, которые предстоит преодолеть iPS клеткам, прежде чем они получат право применяться в терапевтических целях, поистине неисчислимо. Можно было бы подумать, что ни один инвестор не станет вкладывать собственные деньги в такие рискованные проекты. Однако вкладывают, и делают они это по той причине, что если исследователи смогут разработать непогрешимую технологию, то рентабельность инвестиций будет колоссальной.

Вот всего лишь один расчет. По самым скромным оценкам, на обеспечение инсулином и оборудованием для измерения уровня сахара в крови каждого диабетика в Соединенных Штатах затрачивается ежемесячно около 500 долларов. За год эта цифра вырастает до 6000 долларов, следовательно, если человек болеет диабетом в течение сорока лет, то на него будет израсходовано 240 тысяч долларов. Прибавим сюда затраты на все виды лечения, которые потребуется пройти даже тем диабетикам, которые скрупулезно следят за своим здоровьем, поскольку никто из них не застрахован от осложнений, провоцируемых их болезнью. Нетрудно будет подсчитать, что затраты на поддержание здоровья каждого человека, болеющего диабетом, в течение его жизни составят не менее миллиона долларов. А только в Соединенных Штатах насчитывается как минимум миллион человек, страдающих диабетом 1 типа. Это означает, что в самом лучшем случае экономика США расходует свыше миллиарда долларов каждые четыре года только на борьбу с диабетом 1 типа. Так что, какой бы затратной ни оказалась дорога iPS клеток в клиники, они потенциально способны принести инвесторам громадные прибыли, если использование их окажется дешевле, чем расходы на нынешнее лечение диабетиков на протяжении всей их жизни.

И это мы коснулись только диабета. А сколько еще, кроме него, болезней, панацеей от которых могли бы стать iPS клетки! В первую очередь, они смогли бы помочь больным, страдающим нарушениями свертываемости крови, такими как гемофилия, болезнью Паркинсона, остеоартритом и слепотой, вызванной дегенерацией желтого пятна. По мере того как ученые будут разрабатывать все новые технологии производства искусственных структур, которые могут быть имплантированы в наши организмы, мы научимся использовать iPS клетки для замены поврежденных кровеносных сосудов при заболеваниях сердца, для регенерации тканей, пораженных раком, и его лечения.

Исследования в области iPS клеток финансирует и Министерство обороны США. Военные всегда нуждаются в больших запасах крови, чтобы в любой боевой ситуации иметь возможность лечить раненный личный состав. Красные кровяные тельца не похожи на большинство клеток нашего организма. В них нет ядер, а это значит, что они не могут делиться и тем самым образовывать новые клетки. Благодаря этой особенности красные кровяные тельца представляют собой наиболее подходящий с точки зрения безопасности материал, с которого можно было бы начать клинические испытания iPS клеток, так как они остаются в организме лишь несколько недель. Кроме того, мы не отторгаем эти клетки так же, как могли бы поступить, например, с донорской почкой, по той причине, что наша иммунная система распознает эти клетки несколько иначе. Разные люди могут иметь совместимые красные кровяные тельца — это знаменитая система групп крови АВО плюс некоторые дополнительные факторы. Было подсчитано, что с помощью всего лишь сорока доноров с каждой группой крови можно было бы создать банк клеток iPS, который бы полностью удовлетворил все наши потребности[16]. Поскольку iPS клетки способны продолжать делиться, производя все больше и больше iPS клеток, если выращивать их в правильных условиях, мы могли бы стать обладателями поистине неисчерпаемого банка клеток. Существуют проверенные и надежные способы извлечения незрелых стволовых клеток крови и методик их выращивания, воздействуя на клетки различными стимуляторами таким образом, чтобы они дифференцировались и превращались (в конечном итоге) в красные кровяные тельца. В результате, стало бы возможным создать огромный банк красных кровяных телец различных групп, чтобы всегда располагать достаточными запасами крови соответствующей группы, необходимой для переливания пациентам, поступившим с поля боя или выжившим в автомобильной аварии.

Получение iPS клеток стало одним из тех редких событий в биологии, которые не просто расширяют границы известного, но и открывают совершенно новые, немыслимые прежде возможности. По мнению многих, Шинья Яманака является главным претендентом на то, чтобы в самом ближайшем будущем разделить Нобелевскую премию с Джоном Гердоном, поскольку трудно переоценить практическую ценность проделанной ими работы. Но хотя их достижения по праву считаются исключительными, сама природа делает то же самое намного эффективнее и быстрее.

Когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, два ядра перепрограммируются цитоплазмой яйцеклетки. Ядро сперматозоида, в частности, очень быстро утрачивает большую часть своей молекулярной памяти о том, чем оно было прежде, и становится едва ли не чистым холстом. Именно этот феномен перепрограммирования использовали и Джон Гердон, и Иэн Вилмут с Китом Кэмпбеллом, когда помещали взрослые ядра в цитоплазму яйцеклеток и создавали новые клоны.

При слиянии яйцеклетки и сперматозоида начинается стремительный процесс перепрограммирования, на который затрачивается всего лишь 36 часов. Когда Шинья Яманака впервые получил iPS клетки в ничтожных количествах, то — в самых удачных его экспериментах — лишь крохотная доля созданных клеток, значительно менее одного процента, оказалась перепрограммирована. Для того чтобы вырастить первые перепрограммированные iPS клетки, потребовалось несколько недель. С тех пор удалось достичь существенного прогресса в повышении количества создаваемых клеток и скорости перепрограммирования взрослых клеток в iPS клетки, но при этом мы ни на шаг не приблизились к показателям, демонстрируемым при естественном оплодотворении. Почему?

Ответом на этот вопрос является эпигенетика. Дифференцированные клетки особым образом эпигенетически модифицируются, и происходит это на молекулярном уровне. Вот почему фибробласты кожи в обычных условиях всегда останутся кожными фибробластами и никогда не превратятся, например, в кардиомиоциты. Когда дифференцированные клетки перепрограммируются, чтобы стать плюрипотентными клетками — с помощью переноса ядра соматической клетки или четырех факторов Яманаки,—то специфическая для данной дифференциации эпигенетическая отличительная черта должна быть удалена, чтобы ядро стало более похожим на ядро только что оплодотворенной зиготы.

Цитоплазма яйцеклетки невероятно эффективна в обращении вспять эпигенетической памяти наших генов, действуя как гигантский молекулярный ластик. Именно это и делает она с огромной скоростью, когда ядра яйцеклетки и сперматозоида, слившись, образуют зиготу. Искусственное перепрограммирование для создания iPS клеток больше похоже на действия первоклассника, выполняющего домашнюю работу — он то и дело стирает неловко написанную букву в одном и том же слове и, в конце концов, протирает в странице дырку, так как работает ластиком слишком усердно. Хотя мы постепенно и начинаем все больше разбираться в участвующих в этом процессах, нам по-прежнему еще очень и очень далеко до воссоздания в лабораторных условиях того, что происходит в природе естественным путем.

До сих пор мы рассуждали только о феномене эпигенетики. Теперь настало время поговорить о молекулах, лежащих в основе всех удивительных явлений, которые мы уже успели рассмотреть, и многих других, с которыми нам еще предстоит познакомиться.

Глава 3. Жизнь, какой мы знали ее раньше

Поэт может пережить все, кроме опечатки.

Оскар Уайльд в «Детях поэтов»

Если мы хотим понять, что такое эпигенетика, то сначала нам придется получить некоторое представление о генетике и генах. Главным кодом подавляющего большинства жизненных форм на земле, от бактерий и до слонов, от травы японского гореца и до человека, является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Буквосочетание ДНК, давно уже успевшее выйти за рамки биологии, постепенно приобретает все новые и более широкие значения. Социологи пользуются термином ДНК применительно к общественным группам или корпорациям, подразумевая под ним некий единый стержень ценностей, вокруг которого складывается общность. Были даже выпущены духи, названные этой аббревиатурой. Образным символом науки в середине XX столетия служило изображение гриба атомного взрыва. Во второй половине того же века на смену ему пришла двойная спираль ДНК.

Ученые не менее склонны к внезапным сменам настроений и следованиям велений моды, чем представители любых других видов деятельности. В науке был такой период, когда в ней безраздельно господствовало ортодоксальное мнение, что единственное, что заслуживает внимания и имеет значение, это сценарий ДНК, наша генетическая наследственность. В главах 1 и 2 мы показали, что это убеждение ошибочно, поскольку один и тот же сценарий может иметь разные прочтения, которые зависят от его клеточного контекста. Однако теперь мы оказываемся под угрозой возможной опасности качнуть маятник своего понимания ситуации слишком далеко в противоположном направлении, если бескомпромиссная эпигенетика сведет к минимуму значение кода ДНК. Истина, разумеется, лежит где-то посередине.

В введении мы характеризовали ДНК как сценарий. В театре, если пьеса откровенно плоха, даже великий режиссер и потрясающая труппа едва ли смогут сделать из нее достойный спектакль. С другой стороны, каждому из нас не раз приходилось видеть ужасающие постановки любимых драматургических произведений. Даже если сценарий идеален, конечный результат может оказаться катастрофическим, если за создание спектакля возьмется слабый постановщик. Подобным же образом генетика и эпигенетика чутко взаимодействуют между собой, работая слаженно и четко для сотворения чудес, к числу которых принадлежим и мы, и весь окружающий нас органический мир.

ДНК является фундаментальным источником информации в наших клетках, их базовой схемой. Сама ДНК пассивна в том смысле, что она не выполняет многие тысячи действий, необходимых для поддержания нашей жизни. Эти функции, главным образом, возложены на белки. Именно белки переносят по нашей кровеносной системе кислород, превращающий чипсы и гамбургеры в сахара и другие питательные вещества, которые всасываются в пищеварительном тракте и используются для питания мозга или для сокращения мышц, что позволяет нам и далее переворачивать страницы этой книги. Но коды всех этих белков находятся как раз в ДНК.

Но если ДНК — код, то значит, он должен состоять из символов, которые можно прочесть. Он должен работать подобно некоему языку. Именно так и действует код ДНК. Если учесть, насколько сложными созданиями являются люди, то очень странным и удивительным нам может показаться то, что наша ДНК представляет собой особый «язык», состоящий всего лишь из четырех букв. Эти буквы называются основаниями, а полные их наименования звучат так: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Обычно их принято обозначать как А, Ц, Г и Т. В первую очередь следует запомнить Ц, цитозин, поскольку в эпигенетике это самое важное из всех оснований.

Чтобы представить себе, как выглядит ДНК, вспомним застежку-молнию. Это не идеальная аналогия, но для начала вполне сойдет. Разумеется, первое, что нам совершенно точно известно о молнии, это то, что она состоит из двух полосок, обращенных рабочей частью друг к другу. То же самое мы можем сказать и о ДНК. Четыре основания ДНК являются зубчиками молнии. Основания на каждой стороне молнии могут соединяться друг с другом химически и удерживать обе полоски вместе. Два основания, обращенные друг к другу и соединенные между собой подобно зубчикам молнии, называются парой оснований. Матерчатые полоски, к которым пришиты зубчики на молнии, это основные цепочки ДНК. В ДНК всегда две основные цепочки, повернутые друг к другу, как две полоски ткани с зубчиками на молнии, и по этой причине ДНК принято называть двухцепочечной. Две полоски молнии слегка закручены вокруг своей оси, образуя спиралевидную фигуру — знаменитую двойную спираль. На рисунке 3.1 представлено стилизованное изображение того, как выглядит двойная спираль ДНК.

Рис. 3.1. Схематическое изображение ДНК. Две основные цепочки закручены относительно друг друга, образуя двойную спираль.Спираль удерживается вместе химическими связями между основаниями в центре молекулы

Однако предложенной аналогией мы можем пользоваться только до этого момента, потому что зубчики на молнии ДНК вовсе не одинаковы. Если одним из зубчиков является основание А, то на противоположной цепочке оно может соединиться только с основанием Т. Аналогично, основание Г на одной цепочке может соединиться исключительно с основанием Ц на другой цепочке.

Это называется принципом спаривания оснований. Если А одной цепочки попытается соединиться с Ц противоположной цепочки, то тем самым оно нарушит всю целостность ДНК, поведя себя как сломавшийся зубчик в молнии.

Сохранение чистоты

Принцип спаривания оснований чрезвычайно важен для функционирования ДНК. Во время развития и даже на протяжении большей части нашей взрослой жизни клетки наших организмов продолжают делиться. Делается это, например, для того, чтобы органы увеличивались в размерах в процессе взросления ребенка. Клетки делятся и для того, чтобы заменить те, которые отмирают естественным путем. Примером этого может служить производство костным мозгом белых кровяных телец, вырабатываемых для замены тех, которые постоянно утрачиваются в ходе непрекращающейся борьбы с инфекционными микроорганизмами. Большинство типов клеток воспроизводятся, сначала полностью копируя свою ДНК, а затем разделяя ее поровну между двумя дочерними клетками. Такая возможность копирования ДНК чрезвычайно важна. Без нее дочерние клетки могли бы остаться вообще без ДНК, что в большинстве случаев делало бы их совершенно бесполезными; они были бы подобны компьютеру без программного обеспечения.

Копирование ДНК перед каждым делением клетки наглядно показывает, почему принцип спаривания оснований настолько важен. Сотни ученых целиком посвятили свои жизни исследованию того, каким образом ДНК удается копироваться настолько точно. И вот в чем суть этого процесса. Две цепочки ДНК распадаются, после чего огромное количество белков, участвующих в копировании (так называемый комплекс репликации), принимается за дело.

На рисунке 3.2 в общих чертах показано, что при этом происходит. Комплекс репликации движется вдоль каждой одиночной основной цепочки ДНК и выстраивает обращенную к ней новую цепочку. Комплекс распознает определенное основание — скажем, основание Ц — и на цепочке, которую строит, всегда располагает напротив него основание Г. Вот почему такое огромное значение имеет принцип спаривания оснований. Так как Ц обязано составить пару с Г, а А обязательно должно спариться с Т, клетки могут воспользоваться существующей ДНК как шаблоном для создания новых цепочек. В итоге каждая дочерняя клетка приобретает новую идеальную копию ДНК, в которой одна из цепочек получена из исходной молекулы ДНК, а другая только что синтезирована.

Рис. 3.2. На первой стадии репликации ДНК происходит разделение двойной спирали на две цепочки. Основания каждой отделенной основной цепочки служат шаблоном для создания новой цепочки. Это гарантирует, что две новые двухцепочечные молекулы ДНК будут иметь абсолютно ту же последовательность оснований, что и родительская молекула. Каждая новая двойная спираль ДНК обладает одной основной цепочкой, которая прежде принадлежала родительской молекуле (черная), и одной только что синтезированной основной цепочкой (белая)

Даже в природе, в системе, эволюционировавшей миллиарды лет, нет совершенства, и временами механизм репликации дает сбои. Он может попытаться вставить основание Т туда, где полагается быть основанию Ц. Когда такое случается, ошибка почти всегда мгновенно исправляется другим набором белков, которые могут распознать, что произошло, извлечь неверное основание и заменить его правильным. Это называется механизмом репарации ДНК, и одна из причин, по которым он работает, заключается в том, что, когда пару составляют неподходящие для этого основания, он определяет, что «молния» ДНК не «застегивается» должным образом.

Клетка изо всех сил старается сделать так, чтобы копии ДНК получались абсолютно идентичными своему оригинальному шаблону. Важность этого станет еще более понятной, если мы снова, как уже делали это выше, сравним ДНК со сценарием. Вспомним одну из самых знаменитых строк во всей английской литературе: Ромео, о зачем же ты Ромео?

Если мы изменим всего лишь одну букву, то как бы эмоционально ни была произнесена эта фраза со сцены, смысл ее вряд ли останется тем, который вкладывал в него великий Шекспир: Ромео, о затем же ты Ромео?

Этот не совсем серьезный пример достаточно убедительно иллюстрирует, почему сценарий должен воспроизводиться совершенно точно. То же самое может происходить и с нашими ДНК — одно неуместное изменение (мутация) может привести к катастрофическим результатам. Особенно актуально это в том случае, если мутация присутствует в яйцеклетке или сперматозоиде, поскольку в конечном итоге это может привести к рождению индивидуума, все клетки которого будут поражены мутацией. Некоторые мутации могут вызывать крайне тяжелые клинические последствия. Примерами этого могут быть, например, дети, стареющие настолько стремительно, что в десятилетнем возрасте они практически не отличаются от семидесятилетних мужчин и женщин, или девушки с предрасположенностью к развитию злокачественной опухоли груди, которую сложно диагностировать до достижения ими возраста сорока лет. К счастью, такие виды генетических мутаций относительно редки по сравнению с заболеваниями, которым подвержено большинство людей.

Все 50 000 000 000 000 или около того клеток человеческого организма являются результатом безупречной репликации ДНК, происходящей раз за разом и каждый раз при делении клеток после образования той одноклеточной зиготы, о которой мы узнали в главе 1. Вы будете еще более впечатлены, узнав, в каких объемах ДНК приходится воспроизводиться всякий раз, когда одна клетка образует при делении две дочерние клетки. В каждой нашей клетке содержится шесть миллиардов пар оснований ДНК (половина в свое время была получена нами от отцов и половина — от матерей). Эту последовательность шести миллиардов пар оснований мы называем геномом. Следовательно, деление каждой самостоятельной клетки нашего организма является результатом копирования 6000000000 оснований ДНК. Если мы воспользуемся тем же способом вычислений, к которому прибегали в Главе 1, то есть будем считать по одной паре оснований в секунду, не устраивая перерывов, то нам потребуется каких-то 190 лет, чтобы пересчитать все основания в геноме одной клетки. Учитывая, что ребенок рождается всего лишь через девять месяцев после образования одноклеточной зиготы, мы вынуждены будем согласиться с тем, что наши клетки способны реплицировать ДНК довольно быстро.

Три миллиарда пар оснований, наследуемых нами у каждого из родителей, не вытянуты в одну длинную цепочку ДНК. Они собраны в маленькие узелки, называемые хромосомами. Подробнее мы поговорим о них в главе 9.

Чтение сценария

А пока давайте вернемся к более фундаментальному вопросу о том, что именно делают эти шесть миллиардов пар оснований ДНК и как работает сам сценарий. Или, говоря конкретнее, как может код, состоящий всего из четырех букв (А, Ц, Г и Т), создавать тысячи и тысячи разнообразных белков, находящихся в наших клетках? Ответ на этот вопрос до удивления элегантен. Он может быть описан в терминах модульной парадигмы молекулярной биологии, но, пожалуй, нам будет значительно удобнее рассматривать его на примере конструктора «Лего».

В свое время у «Лего» был мощный рекламный слоган «Каждый день — новая игрушка», и это не было преувеличением. В большой коробке «Лего» помещается ограниченное количество фигурок, преимущественно не слишком различающихся между собой кирпичиков определенных форм, размеров и цветов. Тем не менее, из этих кирпичиков можно сложить самые разнообразные макеты чего угодно, от уточек до домиков и от самолетиков до бегемотиков. Практически то же происходит и с белками. «Кирпичиками» в белках являются довольно маленькие молекулы, которые называются аминокислотами, и в наших клетках содержатся двадцать стандартных аминокислот (различных кирпичиков «Лего»). Но эти двадцать аминокислот могут соединяться между собой в невообразимо огромном разнообразии сочетаний, создавая столь же колоссальное число белков.

Однако мы пока не выяснили, каким образом пусть даже двадцать аминокислот могут быть закодированы всего лишь четырьмя основаниями ДНК. Дело в том, что механизм клетки «считывает» ДНК блоками по три пары оснований за раз. Каждый блок, состоящий из трех пар оснований, называется кодон и может выглядеть как А А А, ГЦГ или любая другая комбинация А, Ц, Г и Т. Из всего лишь четырех оснований можно создать шестьдесят четыре различных кодона, и этого количества будет более чем достаточно для двадцати аминокислот. Некоторые аминокислоты закодированы более чем одним кодоном. Например, аминокислота под названием лизин закодирована кодонами ААА и ААГ. Некоторые кодоны вообще не занимаются кодированием аминокислот. Они служат сигналами, сообщающими механизму клетки о завершении кодирования последовательности белков. Такие кодоны называются терминирующими кодонами или терминаторами.

Как именно ДНК в наших хромосомах выполняет функции сценария для производства белков? Делает она это при помощи белка-посредника, молекулы, которая называется матричной РНК (мРНК). мРНК очень похожа на ДНК, хотя и отличается от нее в некоторых существенных деталях. Ее основная цепочка слегка отлична от ДНК (поэтому она и называется РНК, что означает рибонуклеиновая, а не дезоксирибонуклеиновая, кислота); она является одноцепочечной (так как состоит лишь из одной цепочки); вместо основания Т в ней находится очень похожее, но все же отличающееся от него основание У (сейчас нам нет необходимости вдаваться в подробности, почему это происходит и к чему приводит). Когда «прочитывается» определенный участок ДНК, чтобы на основании этого сценария был произведен некий белок, громадный комплекс белков «отстегивает» нужную часть ДНК и делает копии мРНК. При этом комплекс пользуется принципом спаривания оснований, поэтому сделанные им копии мРНК идеальны. После этого молекулы мРНК используются в качестве временных шаблонов в специализированных структурах клетки, ответственных за производство белков. Они прочитывают трехбуквенный код кодона и связывают вместе требуемые аминокислоты для образования более длинных белковых цепочек. Весь этот процесс, конечно, намного сложнее, но принцип его именно такой.

Возможно, эта механика станет более понятной, если мы в очередной раз воспользуемся аналогиями из нашей повседневной жизни. Процесс поступательного движения от ДНК к мРНК и к белку можно сравнить с обработкой изображения, полученного с помощью цифрового фотоаппарата. Допустим, своей цифровой камерой мы сделали снимок просто невероятно прекрасного пейзажа. Мы хотим, чтобы другие люди имели к нему доступ, но при этом ни в коем случае не могли бы вносить в него какие-либо изменения. Исходный файл на нашей камере — это чертеж ДНК. Мы копируем его в другой формат, который нельзя подвергнуть обработке — пусть это будет, скажем, PDF, — а потом по электронной почте рассылаем тысячи копий этого файла в формате PDF всем, кто только проявит интерес к нашей работе. Файл PDF — это матричная РНК. Любой желающий, будь на то его воля, сможет распечатывать бумажные копии этого файла PDF в каких угодно количествах, и эти бумажные копии являются белками. Так что каждый человек в мире сможет распечатать наш снимок, но файл с его оригиналом — только один.

Но зачем столько сложностей, почему бы ни передавать информацию напрямую? Существуют несколько веских причин, по которым эволюция отдает предпочтение именно такому витиеватому методу. Одна из них заключается в том, чтобы предотвратить порчу сценария, файла с оригинальным изображением. Когда ДНК «расстегивается», она становится относительно уязвимой для изменений, и в процессе эволюции клетки научились защищать ее от этой опасности. Непрямой способ передачи информации, при котором ДНК кодирует белки, минимизирует отрезок времени, когда определенный участок ДНК остается открытым и уязвимым. Другая причина, по которой именно такой способ передачи информации выбран эволюцией, состоит в том, что он позволяет определять необходимые количества конкретных белков, вырабатываемых в ходе этого процесса, что называется пластичностью.

Рассмотрим в качестве примера белок, который называется алкоголь дегидрогеназа (АДГ). Он вырабатывается в печени и расщепляет алкоголь. Если мы принимаем алкоголь в больших количествах, клетки нашей печени увеличивают объемы производимой ею АДГ. Когда же мы перестаем пить спиртное, печень вырабатывает меньшие количества этого белка. В этом и заключается одна из причин, по которой пьющие часто люди реагируют на воздействие алкоголя значительно медленнее пьющих изредка, которые начинают клевать носом уже после пары бокалов легкого вина. Чем чаще мы пьем спиртное, тем больше белка АДГ вырабатывает наша печень (до определенной границы). Но делают это клетки печени, не увеличивая количество копий гена АДГ. Вместо этого они прочитывают ген АДГ более эффективно, то есть производят больше копий мРНК и/или используют эти копии мРНК более эффективно в качестве белковых шаблонов.

Как мы вскоре убедимся, эпигенетика объясняет один из механизмов, с помощью которого клетка способна контролировать синтез производимого ею определенного белка, определяя в первую очередь, сколько копий мРНК должно быть получено с оригинального шаблона.

В нескольких последних абзацах говорилось о том, как гены кодируют белки. А сколько генов у нас в клетках? Вопрос на первый взгляд кажется совсем несложным, но, как это ни странно, в ответах на него нет единства мнений. Это объясняется тем, что ученые до сих пор не могут договориться о том, что считать геном. Раньше все было просто и понятно — геном назывался участок ДНК, кодирующий белок. Теперь мы понимаем, что это был слишком упрощенный подход. Однако абсолютно справедливо говорить, что все белки кодируются генами, даже если не все гены кодируют белки. В нашей ДНК насчитывается от 20 000 до 24 000 кодирующих белки генов, а это значительно меньше, чем цифра в 100 000, которую ученые считали наиболее вероятной всего лишь десять лет назад[17].

Большинство генов в клетках человека имеют весьма схожее строение. Начинаются они с области, называемой промотор, которая связывает белковые комплексы, копирующие ДНК для формирования мРНК. Затем белковые комплексы движутся вдоль образования, известного как тело гена, создавая в процессе этого длинную цепочку мРНК, чтобы в итоге отделится на конце гена.

Редактирование сценария

Представьте себе тело гена длиной в 3000 пар оснований, что является для него вполне приемлемым размером. Длина мРНК тогда тоже составит 3000 пар оснований. Каждая аминокислота кодируется кодоном, состоящим из трех оснований, следовательно, мы можем предположить, что эта мРНК закодирует белок длиной в 1000 аминокислот. Но — и это довольно неожиданно — в действительности обнаруживается, что белок обычно существенно короче.

Если бы мы напечатали последовательность гена, она бы выглядела как длинная строчка, состоящая из разнообразных сочетаний букв А, Ц, Г и Т. Но если мы проанализируем ее подходящей для этой цели компьютерной программой, окажется, что мы можем разделить эту длинную строку на два типа последовательностей. Первый тип называется экзон (экспрессированная, то есть выраженная, последовательность), и именно экзон способен кодировать аминокислоты. Второй тип называется интрон (инэкспрессированная, то есть невыраженная, последовательность). Эта последовательность не кодирует аминокислоты. Она содержит в себе множество терминирующих кодонов, которые сигнализируют, что синтез данного белка пора завершать.

Первая копия мРНК, полученная с ДНК, содержит в себе весь набор экзонов и интронов. Как только эта длинная молекула РНК будет создана, в дело вступает другое специализированное подразделение белкового комплекса. Оно удаляет все последовательности интронов и соединяет друг с другом экзоны, создавая тем самым мРНК, которая кодирует непрерывный поток аминокислот. Этот процесс редактирования называется сплайсингом.

И эта процедура также выглядит излишне усложненной, но и в данном случае эволюция руководствовалась весьма вескими причинами для выбора такого непростого механизма. Объясняется это тем, что клетка использует относительно небольшое количество генов для создания гораздо большего числа белков. Как действует этот механизм, показано на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. В верхней части этой диаграммы показана молекула ДНК. Экзоны, кодирующие участки аминокислот, размещены в темных ячейках. Интроны, не участвующие в кодировании последовательностей аминокислот, представлены светлыми ячейками. Когда ДНК впервые копируется в РНК, что обозначено первой стрелкой, в РНК содержатся как экзоны, так и интроны. После этого клеточный механизм удаляет интроны полностью или частично (этот процесс называется сплайсинг). Получившиеся в результате этого молекулы матричной РНК могут передавать информацию самым разным белкам от одного и того же гена, что отражено на диаграмме различными словами. Для простоты восприятия, все экзоны и интроны имеют на диаграмме одинаковые размеры, однако в действительности они могут различаться в очень широких пределах

Начальная мРНК содержит в себе все экзоны и все интроны. Затем в процессе сплайсинга из нее удаляются интроны. Но во время сплайсинга некоторые экзоны также могут быть удалены. Одни экзоны будут сохранены в окончательной мРНК, тогда как другие будут потеряны. Различные белки, создаваемые в результате этого, могут обладать довольно схожими функциями или радикально отличаться друг от друга. Клетка может экспрессировать разные белки, руководствуясь тем, какие из них ей необходимы в данный момент, или реагируя на получаемые ею различные сигналы. Если мы определяем ген как нечто, кодирующее белок, то этот механизм означает, что всего 20000 или около того генов способны кодировать гораздо большее количество белков, чем 20000. Когда мы рассуждаем о геноме, то обычно используем какую-то уж слишком двухмерную терминологию, как будто речь идет о железнодорожных путях. Лаборатория Питера Фрейзера из Бабрахамского института в Кембридже опубликовала потрясающую работу, в которой утверждается, что истина не имеет ничего общего с этим заблуждением. Питер Фрейзер работает с генами, которые кодируют белки, требующиеся для вырабатывания гемоглобина, пигмента в красных кровяных тельцах, переносящего кислород по всему нашему организму. Для создания конечного пигмента необходимо определенное количество различных белков, а находятся они в разных хромосомах. Доктор Фрейзер обнаружил, что в клетках, производящих гемоглобин в больших количествах, эти хромосомные зоны размягчаются и вытягивают из себя крошечные отростки, от чего становятся похожими на растопыривших щупальца осьминогов. Эти мягкие зоны, собираясь на каком-нибудь маленьком участке клеточного ядра, начинают колебаться из стороны в сторону, пока не найдут себе подобных, после чего смешиваются друг с другом. Тем самым они существенно повышают шансы того, что все белки, требующиеся для создания функционального пигмента гемоглобина, будут экспрессированы одновременно[18].

В каждой клетке нашего организма содержится 6 000 000 000 пар оснований. Почти 120 000 000 из них кодируют белки. Сто двадцать миллионов — звучит внушительно, но на самом деле это всего лишь около 2 процентов их общего количества. Так что, хотя мы считаем белки самым важным продуктом, который синтезируют клетки, но примерно 98 процентов нашего генома не участвуют в кодировании белков.

До недавнего времени причина, по которой мы обладаем такой огромной ДНК, и при этом настолько ничтожная ее часть отвечает за вырабатывание белков, оставалась тайной за семью печатями.

В последние десять лет мы наконец начали потихоньку разбираться, в чем тут дело, и в очередной раз это явление оказалось связано с регулированием экспрессии генов эпигенетическими механизмами. Настало время перейти к рассмотрению молекулярной биологии эпигенетики.

Глава 4. Жизнь, какой мы знаем ее теперь

Занимаясь наукой, важно уметь не столько добывать новые факты, сколько изобретать новые способы осмысления их.

Сэр Уильям Брэгг

До сих пор наше повествование было сосредоточено, главным образом, на результатах, на явлениях, которые мы можем наблюдать и на основании этого делать выводы, что они происходят по эпигенетическим причинам. Но любой биологический феномен имеет под собой физическую базу, и именно ее мы обсудим в этой главе. Все эпигенетические явления, о которых мы говорили выше, являются результатами вариативности в экспрессии генов. Клетки сетчатки, например, экспрессируют совсем иной набор генов, чем, скажем, клетки мочевого пузыря. Но каким же образом различные типы клеток активируют или репрессируют разные группы генов?

Специализированные типы клеток в сетчатке и мочевом пузыре располагаются на самом дне двух разных впадин на эпигенетическом ландшафте Уоддингтона. Работы Джона Гердона и Шиньи Яманаки убедительно показали нам, что, какие бы механизмы ни использовали клетки для того, чтобы всегда оставаться в этих ложбинах, они не имеют никакого отношения к изменению исходного чертежа ДНК клетки. Он всегда остается постоянным и не подвергается корректировкам. Следовательно, активация и репрессия определенных наборов генов должно осуществляться с помощью какого-то другого механизма, причем такого, который мог бы оставаться в рабочем состоянии очень долгое время. Этот тезис не подвергается сомнению, поскольку нам известно, что некоторые клетки, такие, например, как нейроны головного мозга, относятся к настоящим долгожителям. Возраст нейронов мозга 85-летнего человека, к примеру, составляет около 85 лет. Они формируются в самом раннем детстве и остаются неизменными на протяжении всей жизни человека.

Но другие клетки ведут себя совсем иначе. Клетки верхнего слоя кожи, эпидермы, полностью заменяются приблизительно каждые пять недель в результате постоянного деления стволовых клеток в более глубоких слоях этой ткани. Из этих стволовых клеток всегда получаются только новые клетки кожи, а не, например, клетки мышц. Таким образом, система, поддерживающая определенные наборы генов в активированном или репрессированном состоянии, должна, кроме того, обладать механизмом, который может передаваться от родительской к дочерней клетке при каждом делении.

Возникает парадокс. С момента опубликования в середине 1940-х годов работы Освальда Эйвери и его коллег исследователям известно, что ДНК является клеточным веществом, переносящим нашу генетическую информацию. Если ДНК всегда одинакова в разных типах клеток человека, то, как могут невероятно точные комбинации экспрессии генов передаваться друг другу многими поколениями клеток при их делении?

И снова на помощь нам приходит уже ставшая привычной аналогия с актерами, читающими сценарий. Баз Дурман вручает Леонардо Ди Каприо шекспировский текст «Ромео и Джульетты», на котором режиссер написал от руки или напечатал собственные примечания — как расположить актеров, куда поставить камеру и много другой дополнительной рабочей информации. Лео делает себе фотокопию сценария, и все добавленные Базом Лурманом пометки копируются вместе с ним. Клэр Дейнз также получает свой экземпляр сценария «Ромео и Джульетты». Комментарии режиссера на нем иные, чем на сценарии ее партнера, и этот вариант текста пьесы также копируется. Вот таким образом и осуществляется эпигенетическая регуляция экспрессии генов — разные клетки имеют одинаковый чертеж ДНК (оригинальную авторскую пьесу), но несут в себе различные молекулярные модификации (режиссерский сценарий), которые при каждом делении клетки могут передаваться от материнской клетки к дочерней.

Эти модификации ДНК ничуть не меняют изначальную природу А, Ц, Г и Т в нашем генетическом сценарии, в нашем чертеже. Когда какой-либо ген активируется и копируется для образования мРНК, эта мРНК обладает точно такой же последовательностью, контролируемой правилами спаривания оснований, независимо от того, несет или нет этот ген в себе некие эпигенетические дополнения, Точно так же, когда ДНК копируется, чтобы образовать новые хромосомы для деления клетки, именно те же последовательности А, Ц, Г и Т копируются вместе с ней.

Но если эпигенетические модификации не меняют информацию, которую несут в себе гены, то для чего же они служат? Главным образом, они способны очень резко повлиять на то, насколько ярко будет экспрессироваться ген, и будет ли он экспрессироваться вообще. Эпигенетические модификации также могут передаваться следующим поколениям клеток при их делении, и благодаря этому механизм регуляции экспрессии генов в дочерней клетке остается тем же, каким он был в материнской клетке. Именно по этой причине стволовые клетки кожи могут развиться только в новые клетки кожи, но не в клетки какого-либо другого типа.

Приклеить виноградинку к ДНК

Первой обнаруженной эпигенетической модификацией было метилирование ДНК. Метилирование означает добавление метиловой группы к какому-либо другому химическому соединению, в данном случае к ДНК. Метиловая группа чрезвычайно крошечная. Она состоит всего лишь из одного атома углерода, присоединенного к трем атомам водорода. Ученые — химики описывают атомы и молекулы исходя из их молекулярной массы, причем атом каждого элемента имеет собственную, отличную от других атомов массу. В среднем, молекулярная масса пары оснований составляет около 600 Да (Да — это сокращение от «Дальтон», единицы измерения молекулярной массы). Метиловая группа имеет молекулярную массу всего лишь 15 Да. При присоединении метиловой группы масса пары оснований увеличивается на 2,5 процента. Это можно сравнить с приклеиванием виноградинки к теннисному мячу.

На рисунке 4.1 можно увидеть, как выглядит метилирование ДНК с точки зрения химии.

Рис. 4.1. Химическая структура одного из оснований ДНК, цитозина, и его эпигенетически модифицированной разновидности, 5-метилцитозина. С — углерод; Н — водород; О — кислород. Для упрощения схемы на ней намеренно не показаны некоторые атомы углерода, но они присутствуют там, где изображены две соединительные линии DNMT — это сокращенное обозначение ДНК-метилтрансферазы (от английского DNA (ДНК) methyltransferase). Различные DNMT представляют собой примеры эпигенетических «шифровальщиков», ферментов, создающих эпигенетический код. В большинстве случаев эти ферменты добавляют метиловую группу только к основанию Ц, за которым следует Г. Последовательность Ц и Г принято записывать как CpG.

Здесь показано основание Ц, цитозин. Это единственное из четырех оснований ДНК, подвергаемое метилированию для получения 5-метилцитозина. «5» указывает место на кольце, к которому присоединяется метил, а не количество метиловых групп — она всегда одна. Такая реакция метилирования осуществляется в наших клетках, как и в клетках большинства других организмов, с помощью одного из трех ферментов — DNMT1, DNMT3A или DNMT3B.

Такое CpG-метилирование является эпигенетической модификацией, которая также может называться эпигенетической меткой. Химическая группа «наклеивается» на ДНК, но при этом не меняет присущую ей генетическую последовательность. Основание Ц подвергается скорее декоративной отделке, нежели капитальному ремонту. Учитывая, что модификация настолько мала, нам, пожалуй, следовало бы удивляться тому, что мы будем вновь и вновь встречаться с упоминанием этого явления на протяжении всей книги, равно как и тому, что без него не обходится ни одна дискуссия на темы эпигенетики. Объясняется это тем, что метилирование ДНК оказывает поистине огромное влияние на экспрессию генов и, в конечном итоге, на функции клеток, тканей и организмов в целом.

В начале 1980-х годов было доказано, что если вы ввели ДНК в клетки млекопитающего, то именно от уровня метилирования этой введенной ДНК будет зависеть, насколько активно она будет транскрибирована в РНК. Чем более метилированной оказывалась введенная ДНК, тем менее продуктивной была ее транскрипция[19]. Иными словами, была установлена прямая взаимосвязь между высокими уровнями метилирования ДНК и количеством репрессированных генов. Однако оставалось неясным, насколько это явление будет влиять собственные гены ядер клеток, а не на те, которые были введены в них.

Фундаментальная работа по определению роли метилирования в клетках млекопитающих была выполнена в лаборатории Эдриана Бёрда, который большую часть своей научной карьеры провел в Эдинбурге, любимом городе Конрада Уоддингтона. Профессор Бёрд является членом Королевского научного общества и научным сопредседателем фонда Wellcome Trust, чрезвычайно влиятельной благотворительной организации, финансирующей научные исследования в Великобритании. Он являет собой истинный образец классического британского ученого — удивительно скромного, даже незаметного обладателя изысканных манер, тихого голоса и тонкого чувства юмора. Совершенно не свойственное ему стремление к известности резко контрастирует с его ошеломительной международной репутацией, ведь во всем мире он признан крестным отцом механизма метилирования ДНК и его роли в регуляции экспрессии генов.

В 1985 году Эдриан Бёрд опубликовал в журнале Cell основополагающую статью, в которой показал, что большинство мотивов CpG не распределяются по всей ДНК случайным образом. Вместо этого, подавляющая часть пар CpG концентрируется непосредственно против хода транскрипции определенных генов, в области промотора[20]. Промоторами называются участки генома, в которых связываются транскрипционные комплексы ДНК и начинается копирование ДНК для образования РНК. Области с высокой концентрацией мотивов CpG называются островками CpG.

У приблизительно 60 процентов генов, кодирующих белки, промоторы располагаются внутри островков CpG. Когда эти гены активны, уровни метилирования в островках CpG низкие. Островки CpG оказываются высокометилированными только в тех случаях, когда эти гены репрессированы. Разные типы клеток экспрессируют различные гены, поэтому нет ничего удивительного в том, что модели метилирования островков CpG также различаются в клетках разных типов.

В течение некоторого времени не стихали оживленные дискуссии о том, что же должна означать такая взаимозависимость. Это были старые добрые споры о том, что является причиной, а что — следствием. По одной из версий, метилирование ДНК представляет собой, по сути, историческую модификацию — сначала гены были подавлены неким неизвестным механизмом, а затем ДНК стала метилированной. Согласно этой модели, метилирование ДНК было следствием репрессии генов. Представители другой точки зрения доказывали гипотезу о том, что сначала островок CpG стал метилированным, а уже потом это метилирование вызвало репрессию гена. В таком случае именно эпигенетическая модификация является причиной изменений в экспрессии генов. Хотя и сегодня время от времени вспыхивают яростные споры по этому вопросу между конкурирующими лабораториями, подавляющее большинство занимающихся этой темой ученых сходятся во мнении, что данные, накопленные за четверть столетия, прошедшую после опубликования статьи Эдриана Бёрда, свидетельствуют в пользу второй, каузальной версии. В большинстве случаев метилирование островка CpG в начале гена подавляет его.

Эдриан Бёрд продолжил исследования этого процесса. Он показал, что когда происходит метилирование ДНК, она связывает белок, называемый МеСР2 (от английского Methyl CpG binding protein 2 — метил CpG связывающий белок 2)[21]. Однако этот белок не связывает неметилированные мотивы CpG, что должно показаться нам довольно удивительным, если мы вернемся к рисунку 4.1 и задумаемся, насколько похожи метилированные и неметилированные формы цитозина. Ферменты, добавляющие метиловую группу к ДНК, выше уже были названы «шифровальщиками», составителями эпигенетического кода. МеСР2 не привносит какие-либо модификации в ДНК. Роль его состоит в том, чтобы позволить клетке интерпретировать имеющиеся модификации на каком-либо участке ДНК. МеСР2 являет собой пример «дешифровщика», читателя эпигенетического кода.

Когда МеСР2 связывается с 5-метилцитозином в промоторе гена, он одновременно выполняет и другие функции. Он притягивает к себе другие белки, также способствующие подавлению определенного гена[22]. Кроме того, он может остановить связывание транскрипционного механизма ДНК с промотором гена, а это, в свою очередь, останавливает продукцию информационной молекулы мРНК[23]. На участках, где гены и их промоторы очень сильно метилированы, связывание МеСР2 выглядит как часть процесса, при котором этот участок хромосомы почти навсегда перестает функционировать.

ДНК становится невероятно туго закрученной, и механизм транскрипции генов не может получить доступа к парам оснований для создания копий мРНК.

Это одна из причин, по которой метилирование ДНК настолько важно. Помните, мы говорили о том, что возраст нейронов головного мозга 85-летнего человека практически равен возрасту их хозяина? На протяжении восьми с лишним десятилетий благодаря метилированию ДНК некоторые участки генома остаются в чрезвычайно туго сжатом состоянии, что позволяет нейронам полностью подавлять определенные гены. Именно поэтому клетки нашего головного мозга никогда не продуцируют, например, гемоглобин или пищеварительные ферменты.

А как насчет другой ситуации—тех же самых стволовых клеток кожи, которые делятся чрезвычайно часто, но производят при этом всегда только новые клетки кожи, а не клетки каких-либо других типов, например костные? В данном случае, схема метилирования ДНК передается от материнской клетки дочерним клеткам. Когда половинки двойной спирали ДНК разделяются, каждая из них копируется по принципу спаривания оснований, в чем мы убедились в главе 3. На рисунке 4.2 показано,-что происходит, когда такая репликация выполняется на участке, где метилированию подвергается основание Ц в паре CpG.

Рис. 4.2. На этой схеме показано, каким образом может быть сохранена модель метилирования ДНК при ее репликации. Метиловая группа представлена черным кружком. После разделения двойной спирали родительской ДНК на этапе 1 и репликации обеих цепочек ДНК на этапе 2 новые цепочки «проверяются» ферментом ДНК-метилтрансфераза 1 (DNMT1). DNMT1 может определить, что метиловая группа на каком-либо цитозиновом мотиве одной цепочки молекулы ДНК не соответствует только что синтезированной цепочке. Тогда DNMT1 переносит метиловую группу на новую цепочку (этап 3). Это происходит только в тех случаях, когда основания Ц и Г стоят друг за другом в мотиве CpG. Благодаря этому процессу обеспечивается сохранение модели метилирования ДНК при ее репликации и делении клетки.

DNMT1 способен определить, метилирован ли мотив CpG только на одной цепочке. Когда DNMT1 обнаруживает этот дисбаланс, он восстанавливает «пропущенное» метилирование на только что скопированной цепочке. Таким образом, дочерние клетки в итоге получат те же модели метилирования ДНК, какие были у родительской клетки. Как следствие, они будут подавлять те же гены, что и родительская клетка, и клетки кожи всегда будут оставаться клетками кожи.

Чудесные мыши на Ю-Тьюбе

Эпигенетика имеет обыкновение проявлять свое влияние там, где ученые никогда и не ожидали. Один из наиболее интересных примеров этого за последние годы непосредственно связан с МеСР2, белком, считывающим метки метилирования ДНК. Несколько лет назад широкой популярностью пользовалась ныне дискредитировавшая себя теория о том, что вакцина против кори вызывает аутизм, и самые разные СМИ уделяли ей просто невиданное внимание. Одна весьма уважаемая британская газета в мельчайших подробностях описывала на своих страницах вызывающую дрожь историю некой маленькой девочки. В младенческом возрасте ей были сделаны все обычные в таких случаях прививки. Вскоре после прививки от кори, которую она получила незадолго до своего первого дня рождения, она начала быстро деградировать, утрачивая большую часть навыков, которые успела приобрести к тому времени. На момент написания статьи девочка приближалась уже к четырехлетнему возрасту, и автор газетной публикации уверял, что ей присущи такие тяжелые симптомы аутизма, которых ему прежде не доводилось и видеть. У нее не развивалась речь, обнаруживалась устойчивая неспособность к обучению, а те немногие действия, которые ей давались, отличались итеративностью (например, она уже не тянула ручку за едой). Прогрессирование этого невероятно тяжелого заболевания, несомненно, было настоящей трагедией и для нее, и для ее семьи.

Но читатель, хоть сколько-нибудь сведущий в нейрогенетике, при изучении этой статьи непременно обратил бы внимание на два момента. Первая странность заключалась в том, что для девочек очень нехарактерно — не то что бы невозможно, но крайне маловероятно — демонстрировать такую тяжелую форму аутизма. В значительно большей степени это свойственно мальчикам. Второй факт, который должен был озадачить их, состоял в том, что описанные симптомы в мельчайших деталях соответствовали признакам редкого генетического заболевания, именуемого синдромом Ретта, вплоть до нормального развития в первые месяцы жизни и временем проявления характерных для этого недуга явлений. Лишь случайным совпадением является то, что симптомы синдрома Ретта, как, впрочем, и большинства типов аутизма, впервые обнаруживаются примерно в том самом возрасте, когда младенцам обычно делают прививку против кори.

Но какое отношение эта история имеет к эпигенетике? В 1999 году группа ученых, возглавляемая выдающимся нейрогенетиком Худой Зогби, из Медицинского института Говарда Хьюза в Мэриленде убедительно продемонстрировала, что большинство случаев синдром Ретта вызываются мутациями в МеСР2, гене, кодирующем «дешифровщика» метилированной ДНК. У детей, страдающих этим нарушением, присутствует некая мутация в гене МеСР2, а это значит, что у них не вырабатывается функциональный белок МеСР2. Несмотря на то, что их клетки сохраняют полную способность к нормальному метилированию ДНК, они не в состоянии правильно расшифровать эту часть эпигенетического кода.

Тяжелые клинические симптомы детей с мутацией МеСР2 являются более чем веским доказательством важности правильного прочтения эпигенетического кода. Сообщают они нам также и о другом. Не все ткани девочек с синдромом Ретта поражены в равной степени, так что, возможно, именно этот эпигенетический путь играет важную роль только в одних, а не во всех тканях. На том основании, что у больных девочек развивается тяжелая умственная отсталость, мы можем предположить, что для головного мозга очень важно иметь определенные количества нормального белка МеСР2. Учитывая, что другие органы этих детей, такие как печень или почки, оказались совершенно не затронуты, мы можем сделать вывод, что для них активность МеСР2 не играет, по-видимому, важной роли. Возможно, что и само метилирование ДНК не столь принципиально для этих органов, или может быть их ткани содержат другие белки, кроме МеСР2, способные читать эту часть генетического кода.

Пройдет некоторое время, и ученые, медики, родные и близкие детей, страдающих синдромом Ретта, с благодарностью воспользуются этими открытиями, позволяющими понять природу этого заболевания и найти эффективные способы его лечения. Для нас это более чем серьезный вызов, поскольку нам предстоит иметь дело с факторами, воздействующими на головной мозг в результате генетических мутаций, происходящих в процессе развития ребенка.

Одним из наиболее угнетающих аспектов синдрома Ретта является прогрессирующее слабоумие, присутствующее практически у всех больных. Никто не мог сказать наверняка, возможно ли решить такую связанную с неврологическим развитием проблему как слабоумие, если установлены причины ее возникновения, однако общее мнение не отличалось оптимизмом. И опять в нашей истории на первый план выходит Эдриан Бёрд. В 2007 году в журнале Science он в соавторстве с коллегами опубликовал выдающуюся статью, в которой показал, что синдром Ретта может быть обращен вспять, и доказательства этого уже получены в ходе экспериментов с мышами.

Эдриан Бёрд и исследователи его лаборатории создали клонированную линию мышей с инактивированным геном Меср2. Для этого они воспользовались методикой, первопроходцем в которой был Рудольф Джениш. У мышей развились тяжелые неврологические симптомы, а их активность в зрелом возрасте далеко не соответствовала норме. Если вы посадите здоровую мышь в центр большой белой коробки, она практически мгновенно начнет исследовать свой новый ареал обитания. Она станет много двигаться, бегать вдоль стенок коробки, совсем как обычная домашняя мышь, которая мчится вдоль плинтуса, спасаясь от преследующей ее кошки, и часто вставать на задние лапки, стараясь расширить поле зрения. Мышь с мутацией Меср2 не демонстрирует почти ничего из этих действий — посадите ее в середину большой белой коробки, и она там и останется.

Когда Эдриан Бёрд создавал свою линию мышей с мутацией Меср2, он одновременно с этим позаботился и о том, чтобы у мышей сохранилась и нормальная копия Меср2. Однако эта копия оставалась «спящей» — она не была активирована в мышиных клетках. Настоящая изюминка этого эксперимента заключалась в том, что если мыши получали определенный безвредный химический препарат, у них активировался нормальный ген Меср2. Таким образом, экспериментаторы могли дать мышам развиться и вырасти без Меср2 в клетках, а затем, когда ученые решат, что подходящий момент наступил, они могли активировать ген Меср2.

Результаты такой активации гена Меср2 оказались просто невероятными. Мыши, пассивно сидевшие в середине белой коробки, мгновенно превращались в любопытных исследователей, каковыми им и надлежит быть[24]. Ход этого эксперимента запечатлен на видео, и вы сами можете найти его на Ю-Тьюбе вместе с интервью Эдриана Бёрда, в которых он скромно признается, что и сам не ожидал увидеть настолько разительные перемены в поведении мышей[25].

Результаты этих экспериментов настолько важны по той причине, что они дают нам обоснованную надежду на то, что мы сможем найти новые способы лечения больных, страдающих тяжелыми формами неврологических недугов. До появления этой статьи в журнале Science в научных кругах господствовало мнение, что если уж серьезное неврологическое состояние имеет место, то с этим ничего не поделать, поскольку его невозможно обратить вспять. Особенно распространенной эта точка зрения была применительно к состояниям, возникающим в период развития, то есть в утробе матери или в раннем младенчестве. Это крайне важный период, когда головной мозг создает огромное количество связей и структур, которыми будет пользоваться на протяжении всей жизни. Результаты экспериментов с мышами с мутированным Меср2, позволяют предположить, что, возможно, и при синдроме Ретта все компоненты аппарата клеток, необходимые для нормального неврологического функционирования, уже присутствуют в головном мозге — и их нужно лишь должным образом активировать. Если это окажется справедливым и в отношении человека (а на уровне головного мозга мы не так уж сильно отличаемся от мышей), то мы получим реальную надежду на то, что сможем начать разрабатывать такие способы лечения, которым по силам будет обратить вспять даже столь тяжелые заболевания как врожденное слабоумие. Нам не удастся проделать это таким же образом, как с мышами, поскольку такая генетическая методика может быть использована только на подопытных животных, но не на людях, однако не приходится сомневаться в том, что имеет смысл заниматься разработкой лекарственных препаратов, способных привести к аналогичным результатам.

Совершенно ясно, почему такое огромное значение имеет метилирование ДНК. Ошибки в прочтении метилирования ДНК могут привести к тяжелым и разрушительным неврологическим расстройствам, делающим детей, пораженных симптомом Ретта, инвалидами на всю жизнь. Метилирование ДНК также чрезвычайно важно для сохранения правильной модели экспрессии генов в клетках различных типов — ив существующих на протяжении нескольких десятилетий долгожителях-нейронах, и во всем потомстве стволовых клеток таких постоянно меняющихся тканей как, например, кожа.

Но мы пока так и не решили концептуальную проблему Нейроны кардинально отличаются от клеток кожи. Если оба типа клеток прибегают к метилированию ДНК для подавления определенных генов и для сохранения их в таком состоянии, значит, этому процессу подвергаются разные наборы генов. В противном случае, экспрессировались бы всегда одни и те же гены в одинаковой степени, и тогда они неизбежно порождали бы одни и те же типы клеток, а не нейроны и клетки кожи.

Ключ к ответу на вопрос, как два типа клеток могут использовать один и тот же механизм для получения настолько разных результатов, лежит в понимании того, каким образом метилирование ДНК затрагивает различные области генома в клетках разных типов. А это отсылает нас ко второй глобальной области молекулярной эпигенетики. К белкам.

у ДНК есть друг

ДНК часто описывается как некая обособленная молекула, то есть это ДНК и ничего больше. Если мы попытаемся представить ее себе, то двойная спираль ДНК в нашем воображении, скорее всего, будет выглядеть как очень длинное и закрученное вокруг своей оси железнодорожное полотно. Собственно, так мы ее и описывали в предыдущей главе. Однако действительность разительно отличается от таких представлений, и многие гениальные прорывы в эпигенетике случались именно тогда, когда ученые начинали в полной мере осознавать эти различия.

ДНК тесно связана с белками, особенно с теми из них, которые называются гистонами. Сегодня главное внимание в эпигенетике и регуляции генов сосредоточено на четырех конкретных гистоновых белках, а именно Н2А, Н2В, H3 и Н4. Эти гистоны имеют так называемую глобулярную структуру, поскольку они упаковываются в компактную шарообразную форму. Но у каждого такого шарика есть также подвижная свободная цепочка аминокислот, которая называется гистоновым отростком. Два экземпляра каждого из этих четырех гистоновых белков группируются вместе и образуют плотную структуру, называемую гистоновым октамером (этим наименованием он обязан именно тому, что состоит из восьми отдельных гистонов).

Пожалуй, проще будет представить себе этот октамер как восемь шариков для настольного тенниса, расположенных двумя слоями по четыре шарика один на другом. ДНК туго обвивает это белковое образование, подобно длинному побегу лакричника, заключившему в свои объятия алтей{1}, и образует структуру, которая называется нуклеосомой. Вокруг каждой нуклеосомы обернуты 147 пар оснований ДНК. На рисунке 4.3 показана очень упрощенная схема строения нуклеосомы, на которой белая лента изображает ДНК, а серые завитки представляют гистоновые отростки.

Рис. 4.3. Гистоновый октамер (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В,H3 и Н4), туго упакованный и обернутый ДНК, образует основную единицу хроматина под названием нуклеосома.

Если бы мы попытались найти какую-нибудь информацию о гистонах всего лишь лет пятнадцать назад, то узнали бы, что это некие «упаковывающие белки» и не более того. Нет сомнений в том, что ДНК должна каким-то образом упаковываться. Диаметр ядра клетки составляет обычно около 10 микронов (это 1/100 миллиметра), а если бы ДНК в клетке оставалась в свободном состоянии, она могла бы вытянуться в длину до 2 метров. ДНК туго обернута вокруг нуклеосом, а те плотными слоями уложены друг на друга.

Определенные участки наших хромосом почти постоянно имеют ярко выраженные формы подобных структур. Преимущественно, это те участки, которые не несут в себе информацию о генах. В большинстве случаев, они представляют собой структурные участки, расположенные, например, на самых кончиках хромосом, или области, важные для разделения хромосом после копирования ДНК при делении клеток.

Участки ДНК, подвергаемые действительно активному метилированию, также имеют такие сверхплотные структуры, и метилирование играет очень важную роль в формировании этих образований. Это один из тех механизмов, которые обусловливают репрессию определенных генов на протяжении десятилетий в таких долго живущих типах клеток как нейроны.

А как насчет тех участков, которые не скручены туго, в которых находятся активированные гены или же способные к последующей активации? Здесь-то на первые роли и выдвигаются гистоны. Функции их неизмеримо расширяются, теперь они не являются только лишь молекулярными катушками, на которые могла бы наматываться ДНК. Если метилирование ДНК представить как достаточно долговечные дополнительные пометки на нашем сценарии «Ромео и Джульетты», то модификации гистонов будут служить в этой аналогии примечаниями, обреченными на скорое исчезновение. Их можно сравнить со сделанными карандашом записями, которые отобразятся при последовательном копировании несколько раз, а потом станут невидимыми. А может быть, судьба их окажется еще более мимолетной, как у самоклеющихся листочков бумаги для записей, годных лишь на один раз.

Впечатляющее число научных прорывов в этой области было сделано в лаборатории профессора Дэвида Эллиса из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке. Ее руководитель, всегда с иголочки одетый, аккуратный, чисто выбритый американец, выглядящий значительно моложе своих 60 лет, пользуется чрезвычайной популярностью среди коллег. Как и многие эпигенетики, он начинал карьеру в области биологии развития. Подобно Эдриану Бёрду и, еще раньше, Джону Гердону, Дэвид Эллис едва ли не равнодушно относится к своей репутации мирового светила в эпигенетике. В целом цикле выдающихся статей, опубликованных в 1996 году, он вместе с коллегами показал, что гистоновые белки претерпевают в клетках химическую модификацию, и эта модификация повышает экспрессию генов, если они находятся возле специфически измененных нуклеосом[26].

Гистоновая модификация, обнаруженная Дэвидом Эллисом, была названа ацетилированием. Ацетилирование представляет собой присоединение химической ацетил-группы, в данном случае, специфической аминокислоте, которая называется лизин, на свободном отростке одного из гистонов. На рисунке 4.4 показано строение лизина и ацетил-лизина, и мы опять видим, что изменения относительно незначительны. Как и метилирование ДНК, ацетилирование лизина представляет собой эпигенетический механизм для изменения экспрессии генов, не влияющий на исходную последовательность генов.

Рис. 4.4. Химическое строение аминокислоты лизин и ее эпигенетически модифицированной формы ацетил-лизин. С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения некоторые атомы углерода намеренно не отмечены, однако они присутствуют там, где изображены две соединительные линии

Тогда, в 1996 году, все казалось ясным и понятным. Метилирование ДНК репрессирует гены, а ацетилирование гистонов активирует их. Но экспрессия генов — это куда более тонкий процесс, не ограничивающийся лишь их включением или выключением. Экспрессию генов нельзя сравнивать с неким рубильником, имеющим два положения, «вкл» и «выкл»; она скорее подобна круглой рукоятке настройки громкости радиоприемника. Поэтому никто особенно не удивился, когда выяснилось, что в этом процессе задействована не только гистоновая модификация. Нужно сказать, что более 50 различных эпигенетических модификаций гистоновых белков были обнаружены с момента опубликования тех самых статей Дэвида Эллиса; и открытия эти были сделаны как самим Эллисом, так и многими другими лабораториями[27]. Все эти модификации меняют экспрессию генов, но не всегда одинаково. Одни модификации гистонов усиливают этот процесс, тогда как другие ослабляют его. Шаблон, по которому происходят модификации, стали называть гистоновым кодом[28]. Но проблема, с которой столкнулись эпигенетики, оказалась в том, что прочесть этот код невероятно сложно.

Представьте себе хромосому в виде ствола огромной новогодней елки. Ее ветви, раскинувшиеся во все стороны по всей высоте дерева, это гистоновые отростки, которые могут быть украшены эпигенетическими модификациями. Мы берем фиолетовые шары и вешаем один, два или три фиолетовых шара на некоторые ветви. У нас также есть зеленые сосульки, и мы можем повесить одну или две из них на разные ветви, на некоторых из которых уже висят фиолетовые шары. Затем мы берем красные звезды, но знающие люди сказали нам, что ими нельзя украшать ветви, по соседству с которыми висит хоть один фиолетовый шар. Золотые снежинки и зеленые сосульки запрещается вешать на одни и те же ветви. И чем дальше, тем сложнее и запутаннее становятся правила, которым мы должны следовать, наряжая нашу елку. В конце концов, мы развесили все наши украшения и обернули елку электрической гирляндой. Лампочки на ней — это отдельные гены. Эта гирлянда оснащена удивительным программным обеспечением, меняющим яркость свечения каждой лампочки в строгой зависимости от того, какие елочные игрушки находятся рядом. И мы будем практически не в состоянии предугадать, с какой яркостью станут гореть все лампочки на нашей гирлянде, потому что схема расположения украшений на елке чрезвычайно сложна.

Именно в таком положении и находятся на настоящий момент ученые, пытающиеся предсказать, как все разнообразные комбинации гистоновых модификаций влияют в своей совокупности на экспрессию генов. Во многих случаях бывает вполне понятно, чего ожидать от какой-либо одной модификации, но делать сколько-нибудь точные предположения об их комбинированном влиянии не представляется возможным.

Огромные усилия прикладываются учеными для того, чтобы научиться понимать этот код; многочисленные лаборатории по всему миру и сотрудничают, и соперничают друг с другом в попытках привлечь самые быстрые и сложные технологии к решению этой проблемы. Причина этого в том, что, пусть мы и не можем пока прочесть этот код правильно, но мы знаем о нем достаточно, чтобы понимать, насколько он важен.

Построить усовершенствованную мышеловку

Много очень важной информации мы получаем из области биологии развития — науки, из которой пришли в эпигенетику многие выдающиеся исследователи. Как мы уже говорили выше, после деления одноклеточной зиготы ее дочерние клетки очень быстро начинают приобретать индивидуальные функции. Первое примечательное событие, происходящее при делении клеток, заключается в том, что клетки эмбриона на самых ранних стадиях своего развития начинают разделяться на внутриклеточную массу (ВКМ) и трофоэктодерму. Клетки ВКМ, в частности, начинают дифференцироваться и образовывать постоянно увеличивающееся количество клеток разнообразных типов. Этот спуск клеток по склонам эпигенетического ландшафта к его ложбинам является в большой степени процессом постоянным и самовозобновляющимся.

Главная идея, которую нам нужно уловить на этом этапе, состоит в представлении о том, каким образом волны экспрессии генов и эпигенетических модификаций следуют друг за другом и вытекают друг из друга. Подходящей аналогией для проникновения в суть этого процесса для нас может стать игра «Мышеловка», впервые появившаяся в начале 1960-х годов, но продолжающая пользоваться популярностью и в наши дни. В ходе игры ее участники должны построить безумно сложную мышеловку. Чтобы активировать мышеловку, в нее нужно запустить шарик. Этот шарик прокатывается через самые разнообразные и хитроумные приспособления, которыми могут быть и горка, и катапульта, и ряд ступенек, и человечек, прыгающий в воду с трамплина. Если все до единой детали головоломки размещены относительно друг друга правильно, то эта головокружительная конструкция работает как часы, и игрушечная мышка оказывается захваченной в сети. Но если лишь один ее элемент стоит чуть-чуть не на своем месте, то он выбивается из общего ряда, вся последовательность нарушается, и ловушка не срабатывает.

Развитие эмбриона во многом похоже на эту игру. Зигота заранее загружена определенными белками, полученными главным образом из цитоплазмы яйцеклетки. Эти приобретенные из яйцеклетки белки проникают в ядро, в котором прикрепляются к своим целевым генам (которые мы в честь «Мышеловки» будем называть «катапультами») и регулируют их экспрессию. Кроме этого, они притягивают к генам «катапульт» некоторые выбранные ими эпигенетические ферменты, Эти эпигенетические ферменты также могут быть позаимствованы в цитоплазме яйцеклетки, и они вызывают более продолжительные модификации ДНК и гистоновых белков хроматина, одновременно влияя и на то, как активируются или подавляются эти «катапультные» гены. Белки «катапульт» прикрепляются к генам «ныряльщиков» и активируют их. Некоторые гены «ныряльщиков» сами могут кодировать эпигенетические ферменты, что оказывает уже свое влияние на членов семейства генов «горок» и так далее. Генетические и эпигенетические белки работают в безупречно упорядоченном режиме, аналогично тому, как это происходит в «Мышеловке» после того, как в нее запускается шарик.

Иногда фактор, экспрессия которого «балансирует на грани тонко настроенного равновесия, экспрессируется клеткой с небольшим отклонением в одну или другую сторону. В этом случае возникает вероятность изменения пути развития, по которому движется клетка, как могло бы быть, если двадцать «Мышеловок» соединить друг с другом. Едва уловимые отклонения в том, как элементы головоломки соотносятся друг с другом или, как катится шарик в критические моменты, способны активировать одну ловушку и отключить другую.

Примеры в предложенной аналогии придуманы нами, но мы можем рассматривать их как реально существующие. Одним из ключевых белков на самых ранних стадиях эмбрионального развития является Oct4. Белок Oct4 присоединяется к определенным ключевым генам и одновременно притягивает конкретный эпигенетический фермент. Этот фермент модифицирует хроматин и меняет регуляцию гена. И Oct4, и эпигенетический фермент, с которым тот взаимодействует, жизненно важны для эмбриона на ранних стадиях его развития. Если один из них отсутствует, зигота не сможет развиться даже до того, чтобы сформировать ВКМ.

Схемы экспрессии генов на ранних этапах развития эмбриона, в конечном счете, регулируются автоматически. Когда экспрессируются определенные белки, они могут связаться с промотором Oct4 и подавить экспрессию этого гена. В обычных условиях соматические клетки не экспрессируют Oct4. Это было бы для них слишком опасно, поскольку Oct4 мог бы нарушить нормальную схему экспрессии генов в дифференцированных клетках и превратить их в некое подобие стволовых клеток.

Именно это и проделал Шинья Яманака, когда использовал Oct4 в качестве перепрограммирующего фактора. Искусственно создав очень высокие уровни содержания Oct4 в дифференцированных клетках, он сумел «обмануть» клетки и вынудить их вести себя так, как будто они находились на ранних стадиях развития. Даже эпигенетические модификации были аннулированы — вот насколько велика сила этого гена.

Нормальное развитие предоставляет нам важные доказательства необходимости эпигенетических модификаций для контроля участи клетки. Не менее наглядно демонстрируют нам значение эпигенетики и те случаи, когда развитие идет по неверному пути.

Так, в одной из публикаций журнала Nature Genetics в 2010 году были приведены примеры мутации, вызывающей редкое заболевание, которое называется синдромом Кабуки. Синдром Кабуки представляет собой комплексное нарушение развития, характеризуемое целым рядом симптомов, в том числе, таких как врожденное слабоумие, низкий рост, патологии лица и расщелина неба. В статье отмечалось, что синдром Кабуки провоцируется мутациями в гене под названием MLL2[29]. Белок MML2 является эпигенетическим шифровальщиком, добавляющим метиловые группы к определенной лизиновой аминокислоте в позиции 4 на гистоне H3. Белки с такой мутацией не способны прочесть эпигенетический код правильно, вследствие чего и возникают такие симптомы.

Заболевания людей также могут быть вызваны мутациями ферментов, удаляющих эпигенетические модификации, то есть «ластиков» эпигенетического кода. Мутации в гене под названием PHF8, который удаляет метиловые группы из лизина в позиции 20 на гистоне H3, вызывают синдром врожденного слабоумия и расщелины неба[30]. В этих случаях клетки больных приобретают эпигенетические модификации без проблем, но не могут правильным образом удалить их.

Интересно отметить, что хотя белки MML2 и PHF8 играют разные роли, но клинические симптомы, вызываемые мутациями в этих генах, проявляют себя в одинаковой степени. И в первом, и во втором случае они приводят в расщелине неба и врожденном слабоумии. Оба эти симптома принято считать признаком нарушения хода развития. Эпигенетические пути важны на протяжении всей жизни человека, но, как оказывается, особенное значение они приобретают в период развития.

Кроме этих гистоновых шифровальщиков и ластиков, существует свыше 100 белков, которые выступают в роли «дешифровщиков» этого гистонового кода, связываясь с эпигенетическими метками. Эти дешифровщики притягивают другие белки и выстраивают комплексы, активирующие или репрессирующие экспрессию генов. Происходит это подобно тому, как МеСР2 помогает подавить экспрессию генов при метилировании ДНК.

Гистоновые модификации принципиально отличаются от метилирования ДНК. Метилирование ДНК представляет собой очень стабильное эпигенетическое изменение. Если какой-либо участок ДНК стал метилированным, то он и останется метилированным в подавляющем большинстве случаев. Вот почему эта эпигенетическая модификация настолько важна для того, чтобы нейроны всегда оставались нейронами, и именно по этой причине зубы не вырастают у нас на глазных яблоках. Хотя метилирование ДНК и может быть удалено из клетки, это явление весьма маловероятно и возможно лишь в крайне чрезвычайных обстоятельствах.

Большинство гистоновых модификаций значительно более вариативно. Некая модификация может быть произведена на каком-либо гистоне определенного гена, затем удалена, а позже возвращена обратно. Это происходит в результате реакции на самые разнообразные стимулирующие сигналы, поступающие в ядро клетки извне. Природа этих стимуляторов может варьироваться до безграничных пределов. В некоторых типах клеток гистоновый код может меняться, реагируя на гормоны. Ими могут быть и инсулин, проникающий в клетки мышц, и эстроген, воздействующий на клетки груди во время менструального цикла. В головном мозге гистоновый код может меняться в ответ на прием таких наркотических препаратов как кокаин, тогда как в клетках, выстилающих пищеварительный канал, схема эпигенетических модификаций будет меняться в зависимости от количества жирных кислот, вырабатываемых бактериями кишечника. Такие изменения гистонового кода являются одним из ключевых способов взаимодействия внешних факторов (окружающей среды) и внутренних (наших генов) при создании любого высшего организма на земле во всей его сложности.

Гистоновые модификации также позволяют клеткам «испытывать» определенные модели экспрессии генов, особенно в процессе развития. Гены временно подавляются, когда репрессивные гистоновые модификации (которые снижают уровень экспрессии генов) затрагивают гистоны, соседние с этими генами. Если репрессия генов идет на пользу клетке, то гистоновые модификации могут продолжаться достаточно долго, чтобы вызвать метилирование ДНК. Гистоновые модификации притягивают белки-дешифраторы, которые выстраивают комплексы из других белков на нуклеосоме. В некоторых случаях эти комплексы могут включать в себя DNMT3 А или DNMT3B —два фермента, доставляющие метиловые группы на мотивы CpG в ДНК. В таких ситуациях ОЫМТЗАили ЗВ могут «вытягиваться» из комплекса на гистоне и метилировать соседнюю ДНК. Если метилирование ДНК оказывается достаточным, экспрессия гена будет подавлена. В чрезвычайных обстоятельствах вся область хромосомы может стать сверхплотной и оставаться подавленной на протяжении многочисленных делений клетки или даже сохраняться таким десятилетиями в таких неделящихся клетках как нейроны.

Почему организм для регулирования экспрессии генов создал в процессе эволюции такие сложные схемы гистоновых модификаций? Эта система представляется особенно запутанной, если сравнивать ее с довольно бескомпромиссной механикой метилирования ДНК. Одна из причин этого, вероятно, состоит в том, что благодаря ее сложности появляется возможность производить предельно выверенную, точную настройку экспрессии генов. Благодаря этому процессу клетки и организмы могут соответствующим образом корректировать экспрессию генов для адекватного реагирования на изменения окружающей среды, такие как недостаток питательных веществ или воздействие вирусов. Однако, в чем мы убедимся из содержания следующей главы, такая точная настройка может привести и к некоторым очень неожиданным последствиям.

Глава 5. Почему однояйцевые близнецы не совсем одинаковы?

В жизни есть две вещи, к которым мы никогда не можем быть готовы: это близнецы.

Джош Биллингс

На протяжении многих десятилетий во всех человеческих культурах много внимания и интереса вызывала тема однояйцевых близнецов, не утратившая своей актуальности и в наши дни. Если мы обратимся за примерами лишь к западноевропейской литературе, то тут же найдем упоминание об однояйцевых близнецах Менехме и Социкле в одном из произведений Тита Макция Плавта, написанном приблизительно в 200 году до н. э., и интерпретацию этого же сюжета в «Комедии ошибок» Шекспира, датируемой 1590 годом; познакомимся с близнецами Труляля и Траляля из сказки «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, появившейся в 1871 году. Близнецы Уизли также присутствуют в современном цикле романов о Гарри Поттере писательницы Дж. К. Роулинг. Есть что-то интригующее в двух людях, выглядящих абсолютно одинаково.

Но есть и нечто такое, что вызывает у нас еще более острый интерес, нежели невероятная похожесть однояйцевых близнецов — это происходит тогда, когда мы замечаем различия между ними. Эта особенность постоянно находит свое отражение и нещадно эксплуатируется в кинематографе, начиная с Фредерика и Хуго в «Кольце вокруг Луны» Жана Ангуила и заканчивая Беверли и Эллиоттом Мэнтлами в «Связанных смертью» Дэвида Кроненберга. Мысленно доведя эти различия до максимума, вы даже сможете привести в пример доктора Джекилла и его вторую ипостась, мистера Хайда, являющего отражением абсолютного зла. Нет нужды продолжать искать подтверждения тому, что различия между однояйцевыми близнецами всегда захватывали воображение творческих людей из всех сфер искусства; в равной степени не оставляют они равнодушными и научный мир.

Однояйцевых близнецов в научной среде принято называть монозиготными (М3) близнецами. Оба они развиваются из одной и той же одноклеточной зиготы, образующейся при слиянии одной яйцеклетки и одного сперматозоида. В случае с М3 близнецами внутриклеточная масса бластоцисты разделяется надвое при первых делениях клетки, как разрезаемый пополам пирожок, и дает начало двум эмбрионам. И оба эти эмбриона генетически идентичны.

Такое разделение внутриклеточной массы для образования двух самостоятельных эмбрионов обычно считается случайным событием. Это мнение согласуется с периодичностью рождения М3 близнецов, которая, по большому счету, равномерно распределена по всему населению земли, как и с тем фактом, что эта особенность не передается по наследству. Мы привыкли думать, что однояйцевые близнецы рождаются очень редко, однако это не совсем так. Приблизительно одна из каждых 250 доношенных беременностей заканчивается рождением пары М3 близнецов, а это значит, что на сегодняшний день в мире насчитывается около 10 миллионов пар однояйцевых близнецов.

Для ученых М3 близнецы представляют особенный интерес по той причине, что помогают определить, до какой степени генетика является движущей силой таких важных жизненных событий, как определенные заболевания. Они дают нам возможность математически исследовать связи между последовательностями наших генов (генотипом) и нашей внешностью (фенотипом), будь то рост, состояние здоровья, наличие или отсутствие веснушек и все прочее, что мы хотели бы измерить. Для этого нужно подсчитать, насколько часто оба близнеца в паре бывают подвержены одному и тому же заболеванию. В науке этот показатель называется коэффициентом совпадения.

Ахондроплазия, довольно распространенная форма синдрома «карлика-коротконожки», является одним из примеров заболеваний, которые практически неизбежно поражают М3 близнецов в одинаковой степени. Если один из близнецов страдает ахондроплазией, значит, она обнаруживается и у второго. Коэффициент совпадения в данном случае составляет 100 процентов. И это не удивительно, если учесть, что ахондроплазия вызывается определенной генетической мутацией. Если эта мутация присутствовала в яйцеклетке или в сперматозоиде, которые, соединившись, сформировали зиготу, то все дочерние клетки, образующие внутриклеточную массу и, впоследствии, два эмбриона, также будут нести в себе эту мутацию.

Однако относительно немногие заболевания дают 100-процентный коэффициент совпадения, поскольку большинство болезней не провоцируются одной непреодолимой мутацией в ключевом гене. Отсюда вытекает вопрос, как определить, играет ли генетика какую-либо роль, и, если да, то насколько эта роль важна. И вот тут-то изучение близнецов приобретает первостепенное значение. Если мы исследуем большие группы М3 близнецов, то сможем определить, какой процент их продемонстрирует совпадение или несовпадение в подверженности определенным заболеваниям. Если заболевает один из близнецов, то обнаружится ли та же болезнь и у другого?

На рисунке 5.1 представлен график, показывающий коэффициенты совпадений для шизофрении. На основании его можно сделать вывод, что чем ближе наши родственные связи с человеком, страдающим этим заболеванием, тем выше вероятность того, что оно может проявиться и у нас. Наиболее важные для нас позиции на графике, на которые следует обратить особое внимание, это две полоски в самом низу, обозначающие близнецов. С их помощью мы можем сравнить коэффициенты совпадения у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Двуяйцевые близнецы развиваются в одной и той же среде (матке), но генетически они не более похожи друг на друга, чем любые другие братья и сестры, поскольку возникли из двух обособленных зигот вследствие оплодотворения двух яйцеклеток. Результаты сравнения коэффициентов совпадения двух типов близнецов важны по той причине, что, по сути, оба близнеца в паре (как однояйцевые, так и двуяйцевые) в процессе развития делят одну и ту же среду обитания. Если бы шизофрения была следствием влияния факторов среды, мы были бы вправе ожидать близкое подобие в коэффициентах совпадения для этого заболевания у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Однако мы видим, что если шизофренией заболевает один из двуяйцевых близнецов, то шансы второго на приобретение этого же заболевания составляют 17 процентов. А у М3 близнецов эта вероятность подскакивает чуть ли не до 50 процентов. Риск заболеть шизофренией у однояйцевых близнецов почти втрое превышает ту же опасность для двуяйцевых близнецов, и отсюда мы можем сделать вывод, что развитие шизофрении обусловлено неким важным генетическим компонентом.

Рис. 5.1. Коэффициенты совпадения для шизофрении. Чем в более близком генетическом родстве состоят два человека, тем выше вероятность того, что, при наличии у одного из них этого заболевания, оно же разовьется и у второго. Однако даже у генетически идентичных монозиготных близнецов коэффициент совпадения для шизофрении не достигает 100 процентов. Данные взяты из «Доклада главного врача государственной службы здравоохранения США о психическом здоровье» #etioloav

Другие аналогичные исследования показали, что некий генетический компонент лежит в основе значительного количества и других присущих человеку заболеваний, в том числе рассеянного склероза, биполярного аффективного расстройства, системной красной волчанки и астмы. Это оказалось чрезвычайно важно для понимания значения генетической восприимчивости к целому комплексу заболеваний.

Но во многих отношениях еще более любопытной представляется обратная сторона этого вопроса. Не так интересны с научной точки зрения М3 близнецы, у которых развивается одно и то же заболевание. Намного более интригующими для исследователей представляются М3 близнецы, не дублирующие друг друга, когда у одного проявляется, например, параноидная шизофрения, а другой остается психически полностью здоровым, Почему два генетически идентичных индивидуума, в большинстве случаев существующих в очень схожих условиях, обладают столь различными фенотипами? Или, скажем, почему оба М3 близнеца крайне редко оказываются подвержены диабету 1 типа? Что еще, кроме генетического кода, может приводить к таким результатам?

Как эпигенетика вбивает клин между близнецами

Одним из возможных объяснений могло бы быть то, что совершенно случайно один из близнецов, страдающий шизофренией, спонтанно приобрел мутации в генах в определенных клетках, например, головного мозга. Это могло бы иметь место, если бы механизм репликации ДНК вдруг дал сбой в какой-то момент в процессе развития головного мозга. Эти изменения могли бы повысить восприимчивость этого близнеца к данному заболеванию. Такое развитие событий теоретически возможно, но ученым не удалось собрать достаточно данных в подтверждение этой теории.

Конечно, стандартный ответ всегда сводится к тому, что разница между близнецами обусловлена различиями в окружающей среде, в которой они находятся. Иногда это совершенно справедливо. Если бы мы исследовали, например, продолжительность жизни близнецов, то один из них, попавший под автобус 47-го маршрута и погибший под его колесами, несомненно, свидетельствовал бы в пользу теории о влиянии различий окружающей среды. Но это слишком экстремальный сценарий. Многие близнецы живут в очень схожих условиях, особенно на ранних этапах своего развития. Однако вполне вероятным представляется то, что какие-то многочисленные едва уловимые различия в их окружающей среде, которые очень трудно отследить корректно, действительно существуют.

Если мы согласимся с тем, что окружающая среда является еще одним важным фактором в возникновении и развитии заболеваний, то перед нами возникает очередная проблема. Для нас по-прежнему останется открытым вопрос о том, какова механика этого влияния окружающей среды. Каким образом стимуляторы, т. е. факторы среды, — будь это состав пищи, которую мы едим, химические вещества в дыме сигарет, ультрафиолетовые лучи солнечного света, выхлопные газы автомобилей или любые другие тысячи источников молекул и радиации, которым подвергаемся мы ежедневно, — влияют на наши гены и вызывают изменения в их экспрессии.

Большинство неинфекционных заболеваний, которым подвержены люди, развиваются в течение достаточно длительного времени, а затем остаются проблемой на многие годы, если у человека нет возможности обратиться за медицинской помощью. Факторы окружающей среды теоретически могли бы постоянно воздействовать на гены в клетках, работающих ненормально, и провоцировать развитие заболеваний. Но это представляется маловероятным, главным образом, по той причине, что при большинстве хронических заболеваний предполагалось бы влияние множества факторов среды на множество генов. Трудно представить себе, что все многообразие таких стимуляторов одновременно присутствовало бы на протяжении десятилетий. Альтернативой могло бы быть существование некого механизма, поддерживающего имеющие отношение к болезни клетки в ненормальном состоянии, то есть вызывающего в них неадекватную экспрессию генов.

При отсутствии каких-либо веских доказательств участия в этих процессах соматических мутаций, главным претендентом на роль такого механизма становится эпигенетика. В этом случае гены одного из близнецов могли бы оставаться нерегулируемыми, что в конечном итоге и приводило бы к болезни. Сейчас мы находимся в самом начале этих исследований, но уже постепенно накапливаем подтверждения того, что дело может обстоять именно так.

Один из наиболее прямых концептуальных экспериментов заключается в анализе того, меняются ли модели хроматиновых модификаций (эпигеном) по мере взросления М3 близнецов. В упрощенном варианте нам не пришлось бы даже исследовать эти параметры в контексте заболеваемости. Мы могли бы начать с проверки намного более простой гипотезы о том, что генетически идентичные индивидуумы в процессе взросления становятся эпигенетически неидентичными. Если эта гипотеза окажется верна, она станет подтверждением идеи о том, что М3 близнецы могут отличаться друг от друга на эпигенетическом уровне. А это, в свою очередь, укрепит нас в решимости продолжать исследования и определить роль эпигенетических изменений в развитии заболеваний.

В 2005 году крупная объединенная группа исследователей, возглавляемая профессором Манелем Эстеллером, который тогда работал в Испанском национальном раковом центре в Мадриде, опубликовала доклад, посвященный этой проблеме[31]. Им довелось сделать некоторые очень интересные открытия. Когда они исследовали хроматин у пар М3 близнецов в младенческом возрасте, то не нашли существенных различий в уровнях метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Когда же они изучали пары М3 близнецов, которые были значительно старше, например, в возрасте пятидесяти с лишним лет, то в уровнях метилирования ДНК и гистонового ацетилирования у близнецов пары обнаруживались заметные различия. И особенно явно такие несоответствия проявлялись в тех случаях, когда близнецы долгое время жили отдельно друг от друга.

Результаты этого исследования подтвердили предположение, что генетически идентичные близнецы в начале жизни эпигенетически очень похожи друг на друга, но по мере взросления эта похожесть становится все слабее. Чем старше были М3 близнецы и чем дольше жили они отдельно друг от друга в разном окружении, тем, соответственно, в большей степени они испытывали на себе влияние разных факторов окружающей среды. А то, что именно близнецы в таких парах наиболее отличались друг от друга эпигенетически, вполне согласовывалось с теорией, что эпигеном (полный спектр эпигенетических модификаций генома) отражает различия окружающей среды.

Согласно статистике, дети, завтракающие перед школой, учатся лучше, чем те, которые пренебрегают завтраком. Это, конечно, вовсе не означает, что успеваемость можно повысить лишней тарелкой кукурузных хлопьев. Это всего-навсего может значить, что завтракающим детям повезло иметь родителей, собирающих и провожающих их в школу каждый день, помогающих им в усвоении знаний и вообще уделяющих им больше внимания. Подобным же образом следует интерпретировать и результаты исследований профессора Эстеллера. Они демонстрируют, что существует некая зависимость между возрастом близнецов и тем, насколько различаются они эпигенетически, однако эти исследования не доказывают, что взросление вызывает изменения в эпигеноме. Но такая гипотеза, по крайней мере, имеет право на существование.

В 2010 году группа ученых, работавших под руководством доктора Джеффри Крэйга в Королевской детской больнице Мельбурна, также провела исследования метилирования ДНК у пар однояйцевых и двуяйцевых близнецов[32]. Они изучали несколько относительно небольших участков генома, но более подробно, чем это было описано в докладе Манеля Эстеллера. Проведя исследования нескольких пар новорожденных близнецов, они обнаружили, что у двуяйцевых близнецов наблюдаются значительные различия в схемах метилирования ДНК. Такой результат не был неожиданным, поскольку двуяйцевые близнецы генетически неидентичны, а у различных индивидуумов, соответственно, и эпигеномы различны. Более интересно то, что, согласно результатам исследований, и М3 близнецы также обнаруживают различия в схемах метилирования ДНК, а это свидетельствует о том, что однояйцевые близнецы начинают различаться эпигенетически уже в процессе внутриутробного развития. Ознакомившись с информацией из этих двух статей и добавив к ней данные некоторых других исследований, мы можем сделать вывод, что даже генетически идентичные индивидуумы эпигенетически отличаются друг от друга уже к моменту рождения, и эти эпигенетические различия становятся все более выраженными с возрастом и под влиянием разных условий окружающей среды.

О мышах и мужчинах (а также женщинах)

Эти данные согласуются с теорией, утверждающей, что эпигенетические изменения могут считаться, по крайней мере, одной из причин, по которым М3 близнецы фенотипически неидентичны, но и это предположение содержит в себе много допущений. Дело в том, что в очень многих случаях человеческий организм представляет собой весьма ненадежную экспериментальную систему. Если мы решим дать оценку роли эпигенетики в вопросе, почему генетически идентичные индивидуумы различаются друг от друга фенотипически, нам придется сделать следующее:

1) анализировать сотни, а не просто пары, идентичных индивидуумов;

2) искусственно, под полным контролем, менять условия воздействующей на них окружающей среды;

3) переносить эмбрионы или младенцев от одной матери к другой, исследуя результаты изменений в развитии на его самых ранних этапах.

4) многократно и в строго определенные моменты брать всевозможные образцы самых разнообразных тканей.

5) контролировать, кто и с кем вступает в половую связь.

6) проводить исследования на протяжении четырех или пяти поколений генетически идентичных индивидуумов.

Нет необходимости говорить, что применительно к человеку это попросту нереально.

Вот почему в эпигенетике принято проводить эксперименты с опытными животными. Это дает ученым возможность искать и находить ответы на самые сложные и запутанные вопросы, так как исследователи могут максимально контролировать условия окружающей среды. Сведения, получаемые в результате исследования животных, позволяют делать предположения и выводы, которые мы затем можем пытаться экстраполировать и на человека.

Соответствие между человеком и животными, возможно, не идеальное, но, тем не менее, наши «меньшие братья» помогают нам раскрыть огромное количество тайн фундаментальной биологии. Многочисленные сравнительные исследования показывают, что многие системы совершенно разных организмов остаются практически неизменными на протяжении невообразимо длительных периодов времени. В эпигенетическом механизме дрожжей и человека, например, значительно больше подобия, нежели различий, несмотря на то, что общий предок этих двух видов жил на земле почти миллиард лет назад[33]. Так что эпигенетические процессы это, по большому счету, явления фундаментальные, и использование модельных систем может, по меньшей мере, указать нам направление, в котором следует двигаться для более глубокого понимания природы человека.

Применительно к конкретному вопросу, который мы рассматриваем в этой главе — почему генетически идентичные близнецы часто оказываются непохожими друг на друга, — животным, оказавшимся наиболее полезным для наших целей, стала наша близкая млекопитающая «родственница», а именно мышь. Пути развития мыши и человека разошлись всего лишь каких-то 75 или около того миллионов лет назад[34]. 99 процентов генов, обнаруженных у мыши, также присутствуют и у человека, хотя они, конечно, не абсолютно идентичны у представителей этих двух видов.

Исследователи научились выводить популяции мышей, в которых все особи генетически идентичны друг другу. Это чрезвычайно важно, поскольку позволяет изучать роль негенетических факторов в возникновении различий между отдельными особями. Теперь в распоряжении ученых не два генетически идентичных индивидуума — они могут создавать их сотнями и даже тысячами. Способ, которым это достигается, заставил бы залиться краской стыда древнеегипетскую династию Птолемеев. Ученые спаривают мышей, являющихся друг другу братом и сестрой. Затем они спаривают брата и сестру из появившегося в результате первого спаривания помета. Потом спаривают брата и сестру из следующего помета и так далее. Когда такое спаривание между братьями и сестрами продолжается на протяжении более двадцати поколений, все генетические различия вымываются из генома. Все мыши одного пола из данной популяции становятся генетически идентичными. Более того, ученые могут внести всего лишь одно изменение в ДНК этих генетически идентичных мышей. Они могут воспользоваться этим приемом генной инженерии для создания мышей, которые будут во всем идентичны друг другу, кроме одного участка ДНК, наиболее интересующего исследователей.

Мышка другого цвета

Наиболее подходящим экспериментальным образцом для исследования вопроса, как эпигенетические изменения могут привести к фенотипическим различиям между генетически идентичными особями, стала мышка под названием агути. В обычных условиях шерсть этих мышей имеет своеобразную окраску — каждый волосок у них черный у кончика, желтый в середине и снова черный у основания. Ключевую роль для образования желтого центрального участка играет ген, названный агути, который в активированном состоянии обеспечивает такой чередующийся окрас.

Существует мутировавшая версия гена агути (она называется а), которая никогда не активируется. У мышей, имеющих только а, мутировавшую версию гена агути, шерсть полностью черная. Есть также и особая популяция мышей-мутантов, называемая Avy, что означает agouti viable yellow (то есть агути жизнеспособная желтая). У мышей Avy ген агути постоянно активирован, и потому их шерстинки по всей своей длине желтые. Мыши несут две копии гена агути, унаследованных ими по одной от каждого из родителей. Версия гена Avy доминантна по отношению к версии а, а это означает, что если одной копией является ген Мышка другого цвета, а другой — ген а, то Мышка другого цвета «одержит победу» над а, и волоски у такой мыши окажутся желтыми по всей длине. Вся эта информация проиллюстрирована на рисунке 5.2.

Рис. 5.2. На окрас шерсти мышей влияет экспрессия гена агути. В обычных условиях у мышей белок агути экспрессируется периодически, что приводит к характерной черно-желто-черной окраске шерсти. Нарушения такой цикличной схемы экспрессии могут стать причиной роста полностью желтой или черной шерсти по всей длине

Ученые вывели популяцию мышей с одной копией Avy и одной копией а в каждой клетке. Такая пара обозначается как Avy/а. Поскольку Avy доминантен по отношению к а, то можно было бы ожидать, что у всех мышей шерсть будет полностью желтой. Так как все мыши в популяции генетически идентичны, следовало предполагать, что и выглядеть они должны одинаково. Однако это не так. У одних оказалась совершенно желтая шерсть, окрас других был классическим для агути, в котором черные волоски имели желтые «вставки», а третьи отличались всевозможными вариациями промежуточных расцветок, как это видно на рисунке 5.3.

Рис. 5.3. Генетически идентичные мыши демонстрируют широкую вариативность в окрасе шерсти, который определяется экспрессией белка агути. Фотография любезно предоставлена профессором Эммой Уайтло

И это действительно странно — ведь все мыши генетически абсолютно одинаковы. У каждой из них один и тот же код ДНК. Мы могли бы выдвинуть предположение, что различия в цвете шерсти обусловлены окружающей средой, но лабораторные условия настолько стандартизированы, что это представляется маловероятным. Среда не может иметь к этому отношения еще и по той причине, что мыши из одного помета демонстрируют ярко выраженные отличия в окрасе. Надо думать, что мыши из единственного помета содержались более чем в одинаковых условиях.

Разумеется, вся прелесть работы с мышами, особенно с популяциями, выведенными от прямых родственников, заключается в относительной простоте выполнения разнообразных генетических и эпигенетических исследований, тем более, когда мы имеем довольно четкое представление о том, что и где искать. В нашем случае главным объектом изучения был ген агути.

Работающие с мышами генетики знают, каким образом создается желтый фенотип у желтых мышей Avy. Участок ДНК вводится в хромосому мыши непосредственно перед геном агути. Этот участок ДНК, который называется ретротранспозон, представляет собой одну из тех последовательностей ДНК, которые не несут информацию о белке. Вместо этого, в нем содержится информация об аномальном участке РНК. Экспрессия этой РНК нарушает обычное регулирование расположенного за ней гена агути и постоянно сохраняет этот ген во активированном состоянии. Вот почему шерсть у мышей Avy желтая, а не полосатая.

Но это не дает нам ответа на вопрос, почему генетически идентичные мыши Avy/а демонстрировали столь значительную разницу в окрасе шерсти. И этот ответ следует искать в эпигенетике. У некоторых мышей Avy/a последовательность CpG в ретротранспозоне ДНК оказывалась очень сильно метилированной. Как мы узнали из предыдущей главы, метилирование ДНК такого рода подавляет экспрессию генов. Ретротранспозон переставал экспрессировать аномальную РНК, нарушавшую транскрипцию гена агути. И такие мыши рождались с вполне характерным для них полосатым окрасом шерсти. У других генетически идентичных им мышей Аvу/а ретротранспозон был неметилированным. Он производил свою дефектную РНК, препятствовавшую транскрипции гена агути таким образом, что тот постоянно оставался активированным, и мыши рождались желтыми. Мыши с промежуточными уровнями метилирования ретротранспозона имели промежуточные уровни желтого цвета в шерсти. Этот механизм продемонстрирован на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Вариации в метилировании ДНК (показано черными кружками) влияют на экспрессию ретротранспозона. Вариации в экспрессии ретротранспозона. в свою очередь, воздействуют на экспрессию гена агути, что приводит к разнообразию окраса шерсти у генетически идентичных животных

В данном случае метилирование ДНК действует по принципу переключателя дальнего и ближнего света фар. Когда ретротранспозон неметилирован, он светит в полную мощь, производя аномальную РНК в больших количествах. Чем более метилированным становится ретротранспозон, тем больше «глушится» его экспрессия.

Мыши агути представляют собой довольно яркий пример того, как эпигенетическая модификация, в данном случае метилирование ДНК, может заставить генетически идентичных индивидуумов выглядеть фенотипически различными. Однако всегда остается опасение, что агути, возможно, это особый случай, и, может быть, такой механизм не очень типичен. Особенную озабоченность этот вопрос вызывает по той причине, что ген агути обнаружить у человека чрезвычайно сложно — похоже, что он принадлежит к тому самому 1 проценту генов, который не является общим для нас и наших «соседей» — мышей.

У мышей существует еще одна интересная особенность, а именно степень извитости хвоста. Этот признак, который называется Axin-переключением, также демонстрирует значительную вариабельность у генетически идентичных индивидуумов. Экспериментально подтверждено, что он, подобно окрасу мышей агути, является еще одним примером того, что подобная вариативность зависит от различных уровней метилирования ДНК в ретротранспозоне разных животных.

Это обнадеживает, так как доказывает, что рассматриваемый нами механизм не уникален, но закрученные хвосты, к сожалению, не представляют фенотип, имеющий непосредственное отношение к среднему человеку. Впрочем, все-таки есть такой показатель, которым мы можем оперировать: масса тела. Масса каждой генетически идентичной мыши далеко не всегда одинакова.

Насколько бы тщательно ни контролировали ученые условия содержания мышей и особенно количества получаемой ими пищи, идентичные мыши из инбредных линий все равно различались по массе. Эксперименты, проводившиеся на протяжении многих лет, показали, что только 20-30 вариаций в массе тела могут быть объяснены различиями среды, в которой содержались животные после рождения. Соответственно, возникает вопрос — чем провоцируются различия в массе тела у остальных 70-80 процентов[35]? Если к этому не имеет отношения ни генетика (все мыши идентичны), ни окружающая среда, значит, присутствует еще какой-то неизвестный фактор.

В 2010 году профессор Эмма Уайтло, подлинная энтузиастка в области генетики мышей, авторитетный и беззаветно преданный своему делу ученый из Института медицинских исследований Квинсленда, опубликовала поразительную статью. Взяв инбредную линию мышей, она с помощью генной инженерии вывела субпопуляции животных, которые во всем были генетически идентичны исходной популяции с единственным исключением — они экспрессировали только половину нормальных уровней определенного эпигенетического белка. Эмма Уайтло провела независимые исследования и с помощью методов генной инженерии она создала отдельные группы животных с мутациями разных генов, несущих информацию об эпигенетических белках.

Когда профессор Уайтло проанализировала массу тела большого количества обычных и мутировавших мышей, она получила очень любопытные результаты. В группе, состоявшей из обычных инбредных мышей, большинство животных имели относительно одинаковую массу, незначительные различия в котором соответствовали данным множества других экспериментов. У мышей с низким уровнем определенного эпигенетического белка вариабельность массы тела в пределах группы оказывалась существенно выше. В ходе дальнейших опытов, о которых рассказывалось в той же статье, была дана оценка роли понижения экспрессии этих эпигенетических белков. Как выяснилось, понижение уровня экспрессии было связано с изменениями в уровнях экспрессии генов, участвующих в метаболизме[36], и повышало вариабельность их экспрессии. Другими словами, эпигенетические белки осуществляли некий контроль над экспрессией других генов, что и можно было ожидать.

Эмма Уайтло протестировала в ходе экспериментов достаточно большое количество эпигенетических белков и обнаружила, что лишь некоторые из них вызывают увеличение вариабельности в массе тела. Одним из белков, приводящих к такому результату, оказался Dnmt3a. Это один из ферментов, переносящих метиловые группы к ДНК для репрессии генов. Другой эпигенетический белок, вызывавший увеличение вариативности массы тела, называется Trim28. Он образует комплекс с некоторым количеством других эпигенетических белков, и вместе они добавляют специфические модификации к гистонам. Эти модификации снижают уровень регуляции экспрессии генов около модифицированных гистонов, и потому их называют репрессивными гистоновыми модификациями или метками. Участки генома, имеющие большое количество репрессивных меток на своих гистонах, в большей степени подвержены метилированию ДНК, а это значит, что Trim28 может быть важен для создания подходящих условий для метилирования ДНК.

Результаты этих экспериментов заставили предположить, что определенные эпигенетические белки выступают в роли неких «глушителей». «Голая» ДНК весьма подвержена случайной активации, и суммарный эффект этого можно сравнить с «фоновыми помехами» в наших клетках. Оно называется транскрипционным шумом. Эпигенетические белки призваны понижать громкость этого беспорядочных помех. Для выполнения этой задачи они добавляют к гистонам модификации, понижающие экспрессию генов. Похоже, что различные эпигенетические белки важны для подавления разных генов в одних тканях в большей степени, чем в других.

Понятно, что это подавление не имеет тотального характера. В противном случае все инбредные мыши были бы полностью идентичны в каждом аспекте своего фенотипа, а это, как мы знаем, не так. Вариабельность массы тела присутствует даже у представителей инбредных линий, разница лишь в том, что эта вариативность в большей степени присуща мышам с подавленными уровнями эпигенетических белков.

Этот сложный уравновешивающий процесс, в котором эпигенетические белки приглушают транскрипционный шум, но не подавляют экспрессию генов полностью, является своего рода внутриклеточным компромиссом. Они оставляют клеткам достаточно свободы в экспрессии генов, чтобы те смогли реагировать на новые стимуляторы — будь то гормоны или питательные вещества, загрязняющие агенты или солнечный свет, но при этом гены не находятся в «боевой готовности» к спонтанной активации, до тех пор, пока их не призовут к действию. Эпигенетика дает возможность клеткам придерживаться того зыбкого баланса, при котором они должны оставаться (и сохраняться) клетками разных типов с широким разнообразием присущих им функций, но при этом не быть жестко привязанными к какой-либо единственной схеме экспрессии генов, при которой они стали бы неспособны адекватно реагировать на изменения окружающей среды.

Постепенно становится понятным и то, что именно раннее развитие является тем ключевым периодом, когда начинает обнаруживаться и формироваться эта система контроля над транскрипционным шумом. В конце концов, очень незначительная доля в вариативности массы тела в исходных инбредных линиях может быть объяснена различиями в условиях окружающей среды в послеродовой период (всего 20-30 процентов). В последнее время все больший интерес в научных кругах проявляется к роли феномена, называемого программированием развития и определяющего, как различные события и явления, имевшие место в период эмбрионального развития, могут сказываться в течение взрослой жизни. Надо сказать, что все большее число исследователей придерживается мнения, что в основе такого программирования лежат именно эпигенетические механизмы.

Такой вывод полностью согласуется с результатами исследований Эммы Уайтло, в которых она определяла влияние на мышей пониженных уровней Dnmt3a и Trim28. Разница массы тела становилась заметной, уже когда мышам было всего три недели от роду. Этот вывод также согласуется с тем фактом, что пониженные уровни Dnmt3a приводили к увеличению вариативности массы тела, тогда как пониженные уровни родственного ему фермента Dnmt1 не вызывали каких-либо отклонений в экспериментах Эммы Уайтло. Dnmt3a может добавлять метиловые группы к абсолютно неметилированным участкам ДНК, а это означает, что он несет ответственность за установку в клетках надлежащих схем метилирования ДНК. Dnmt1 является белком, поддерживающим уже установленные предварительно схемы метилирования ДНК. Складывается впечатление, что наиболее важным условием для приглушения вариабельности экспрессии генов (по крайней мере, применительно к массе тела) является, в первую очень, установление правильных схем метилирования ДНК.

Голодная голландская зима

Много лет назад ученые и политики поняли, какую важную роль играет здоровье матери и ее качественное питание в период беременности для повышения шансов на то, чтобы ее малыш родился с достаточной массой тела и смог правильно развиваться физически. В последние годы все более очевидным становится тот факт, что если мать во время беременности питается недостаточно, то ее ребенок подвергается значительно большему риску родиться слабым и отличаться хрупким здоровьем не только в младенчестве, но и на протяжении многих десятилетий взрослой жизни. И лишь совсем недавно мы начали осознавать, что это — по меньшей мере, отчасти — объясняется молекулярными эпигенетическими причинами, которые приводят к дефектам в программировании развития и продолжающимся всю жизнь нарушениям экспрессии генов и функций клеток.

Как уже отмечалось выше, существует ряд чрезвычайно веских этических и организационных оснований, не позволяющих считать человека подходящим для проведения экспериментов объектом. К несчастью, исторические события иногда приобретают такой ужасный оборот, когда экспериментальные условия складываются стихийно, и в этих непредумышленных опытах целые общности людей принимают участие помимо своей воли. Одним из наиболее известных примеров такого рода стала уже упоминавшаяся во введении «Голландская голодная зима».

Это было время чудовищных лишений и существования на грани голодной смерти, когда нацисты в последнюю зиму Второй мировой войны блокировали поставки топлива и продовольствия в Нидерланды. Двадцать две тысячи человек погибли от голода, а те, кому еще удавалось выживать, в отчаянии поедали все, что только могли отыскать, от луковиц тюльпанов до останков животных. Столь крайняя нужда привела к появлению уникальной для проведения научных исследований популяции. Люди, пережившие Голландскую голодную зиму, представляли собой четко очерченную группу индивидуумов, недостаточно питавшихся в строго определенный период времени, границы которого были абсолютно одинаковыми для всех.

Одним из первых вопросов, на которые обратили внимание исследователи, стало определение влияния недостаточного питания беременных в течение голодной зимы на массу тела новорожденных детей. Если мать хорошо питалась в период зачатия и недоедала лишь в последние несколько месяцев беременности, то ее ребенок с большой долей вероятности рождался с массой тела и ростом ниже нормы. С другой стороны, если мать получала недостаточное питание только в первые три месяца беременности (поскольку ребенок был зачат ближе к концу голодной зимы), а затем питалась полноценно, то масса тела ее новорожденного малыша в большинстве случаев соответствовала норме. Плод в утробе успевал «нагнать» массу, так как зародыш наиболее быстро растет именно в последние несколько месяцев беременности.

Интересно другое — эпидемиологи имели возможность изучать эти группы детей на протяжении десятилетий, и то, что они обнаружили, было поистине удивительно. Малыши, родившиеся с заниженными показателями, оставались худощавыми всю свою жизнь, и были в гораздо меньшей степени склонны к полноте, чем средне статистический человек. Еще более неожиданным оказалось то, что взрослые, чьи матери питались недостаточно только на первых этапах беременности, были предрасположены к полноте в большей степени, чем в среднем по стране. Недавно проведенные исследования показали, что на эту же группу приходится заметно больший процент и других заболеваний, в том числе и психических расстройств. Если матери голодали на ранних стадиях беременности, то у их детей с большой долей вероятности развивалась шизофрения. И это характерно не только для людей, родившихся вскоре после завершения Голландской голодной зимы; подобные отклонения присущи и тем, кто пережил чудовищный Великий китайский голод 1958-1961 годов, когда многие миллионы людей погибли от голода вследствие политики, проводимой Мао Цзэдуном.

И хотя представители этих групп внешне выглядели совершенно здоровыми при рождении, однако, что-то случившееся с ними в период внутриутробного развития, продолжало оказывать на них свое влияние на протяжении десятилетий. И дело было даже не в самом факте, что нечто произошло с ними, а в том, когда это произошло. Явления, имеющие место в первые три месяца беременности, в период, когда плод еще очень и очень мал, могут сказываться затем на протяжении всей жизни человека.

Эти выводы полностью соответствуют модели программирования развития и лежащей в ее основе эпигенетике. На ранних стадиях беременности, когда развиваются клетки различных типов, эпигенетические белки, вероятно, имеют жизненно важное значение для стабилизации схем экспрессии генов. Но не будем забывать, что в наших клетках содержатся тысячи генов, рассыпанных по миллиардам пар оснований, а эпигенетических белков насчитываются многие сотни. Даже при нормальном развитии вполне возможны незначительные отклонения в экспрессии некоторых из этих белков, каждое из которых оказывает определенное воздействие на конкретные участки хромосом. Чуть больше метилирования ДНК тут, чуть меньше — там…

Эпигенетический механизм усиливает, а затем поддерживает определенные схемы модификаций, задавая тем самым уровни экспрессии генов. Как следствие, эти изначально едва заметные флуктуации в модификациях гистонов и ДНК постепенно могут превратиться в «норму» и начать передаваться дочерним клеткам или сохраняться в таких клетках-долгожителях как нейроны на десятилетия. Из-за того, что эпигеном «дал сбой», то же самое может случиться со схемами экспрессии генов на определенных участках хромосом. На коротком отрезке времени последствия этих явлений могут быть минимальными и незаметными. Но за десятилетия все эти незначительные аномалии экспрессии генов, возникшие из-за чуть неверной модели хроматиновых модификаций, могут привести к постепенно усугубляющимся функциональным нарушениям. Мы не в силах определить это клинически, пока процесс не минует некий невидимый порог, после чего больной начнет демонстрировать определенные симптомы.

Эпигенетические вариации, возникающие в программировании развития, по сути, являются преимущественно случайным или, выражаясь научным языком, стохастическим процессом. Именно таким стохастическим процессом во многом могут быть объяснены различия, возникающие между М3 близнецами, рассказом о которых мы начинали эту главу.

Случайные флуктуации в эпигенетических модификациях на ранних этапах развития приводят к неодинаковым схемам экспрессии генов. Эти различия постепенно становятся эпигенетической нормой и с годами только усиливаются, в результате чего в итоге генетически идентичные близнецы становятся фенотипически разными, иногда кардинально отличаясь друг от друга. Такой случайный процесс, вызываемый индивидуально незначительными флуктуациями в экспрессии эпигенетических генов на ранних периодах развития, может служить нам превосходной моделью для понимания того, как генетически идентичные мыши Avy/a могут рождаться с разным окрасом шерсти. Это может быть вызвано случайно варьируемыми уровнями ДНК-метилирования ретро-транспозона Avy.

Такие стохастические изменения в эпигеноме являются вполне приемлемым объяснением того, что даже в полностью инбредной линии мышей, содержащихся в совершенно одинаковых условиях, у отдельных особей наблюдается разница в массы тела. Но стоит к этим стохастическим вариациям добавить сильный фактор стимуляции среды, как вариабельность немедленно станет еще более выраженной.

Основное метаболическое нарушение на ранних этапах беременности, такое как существенное сокращение рациона в период Голландской голодной зимы, могло в значительной степени изменить эпигенетические процессы, происходящие в клетках эмбриона. Клетки вынуждены были вносить изменения в собственный метаболизм в отчаянных попытках обеспечить как можно более здоровое развитие плода, несмотря на сокращение поступления питательных веществ. Клетки стали менять характер экспрессии генов в стремлении компенсировать недостаточное питание, и эти схемы экспрессии утвердились и на будущее из-за эпигенетических модификаций генов. Поэтому не приходится удивляться, что именно дети, чьи матери голодали на самых ранних этапах беременности, когда процесс программирования развития находился на своем пике, оказались подвержены большей склонности к полноте уже во взрослом возрасте. Их клетки оказались эпигенетически запрограммированными на то, чтобы использовать все возможное из ограниченных поступлений питательных веществ. Эта программа сохранилась даже после того, как спровоцировавшие ее условия среды — голод — исчезли.

Недавно проведенные исследования схем метилирования ДНК у больных людей, переживших Голландскую голодную зиму, показали изменения в ключевых генах, участвующих в процессе метаболизма. Несмотря на то, что обнаруженную взаимосвязь нельзя с полным правом назвать причинно-следственным фактором, полученные данные согласуются с мнением, что недостаточное питание в ранний период развития меняет эпигенетический профиль ключевых для метаболизма генов[37].

Важно учитывать, что даже у поколения, пережившего Голландскую голодную зиму, наблюдаемые явления не носят глобального характера. Далеко не каждый человек, чья мать недостаточно питалась в начале беременности, страдает ожирением. Когда ученые исследовали эту группу, то, что они обнаружили, справедливо было бы назвать повышенной вероятностью склонности к полноте во взрослом возрасте. И это снова согласуется с моделью, в которой случайная эпигенетическая вариативность, генотипы индивидуумов, условия среды на ранних этапах развития и реакции генов и клеток на окружающую среду сплетаются в одно огромное и сложное — и пока не поддающееся расшифровке полностью — уравнение.

Сильное недоедание — не единственный фактор, оказывающий на плод влияние, которое может сохраняться на протяжении всей жизни. Чрезмерное потребление алкоголя во время беременности является главной причиной врожденных пороков и умственной отсталости (плодный алкогольный синдром) в странах Запада[38]. Эмма Уайтло проводила эксперименты на мышах агути, пытаясь определить, способен ли алкоголь изменить эпигенетические модификации в мышиной модели плодного алкогольного синдрома. Как мы уже видели, экспрессия гена Avy эпигенетически контролируется через ДНК-метилирование ретротранспозона. Любой стимулятор, вносящий изменения в ДНК-метилирование ретротранспозона, меняет и экспрессию гена Аvу. Это влияет на окрас шерсти. В данной модели цвет шерсти становится индикатором, сигнализирующим об изменениях в эпигенетических модификациях.

Беременным мышам был обеспечен неограниченный доступ к алкоголю. Цвет шерсти мышат, родившихся у потреблявших алкоголь матерей, сравнивался с окрасом тех новорожденных мышек, чьи матери были лишены подобной возможности. Как и предполагалось, распределение окраса шерсти и уровни ДНК-метилирования ретротранспозона у представителей этих двух групп оказались различными. Эти результаты подтвердили, что алкоголь спровоцировал изменение эпигенетических модификаций у мышей. Нарушения эпигенетического программирования развития способны стать причиной, по меньшей мере, некоторых негативно отражающихся на здоровье и сохраняющихся на всю жизнь симптомов плодного алкогольного синдрома у детей, матери которых во время беременности злоупотребляли алкоголем.

Бисфенол А — химическое соединение, используемое в производстве поликарбонатных пластмасс. Добавки бисфенола А в пищу мышам агути привели к изменениям в распределении окраса шерсти, что стало следствием влияния этого соединения на программу развития через эпигенетические механизмы. В 2011 году Европейский Союз запретил применять бисфенол А в производстве бутылочек для детского питания.

Раннее программирование также может быть и одной из причин, по которым очень сложно идентифицировать воздействие факторов окружающей среды, вызывающих некоторые хронические заболевания у человека. Если мы станем изучать пару М3 близнецов, различающихся по определенному фенотипу например рассеянному склерозу, то нам будет практически невозможно идентифицировать вероятную причину этой болезни, обусловленную средой. Может быть, все дело в том, что одному из близнецов просто очень не повезло со случайными эпигенетическими флуктуациями, которые устанавливали определенные ключевые схемы экспрессии генов на самой заре его существования. Ученые сейчас занимаются составлением карт распределения эпигенетических изменений у конкордантных (схожих) и дискордантных (различающихся) М3 близнецов при целом ряде заболеваний, пытаясь определить модификации гистонов или ДНК, соответствующие наличию или отсутствию того или иного заболевания.

Дети, которые были зачаты во время голода, и мыши с желтой шерсткой рассказывают нам очень удивительные и важные вещи о значении ранних этапов развития и о том, какую роль играет в этом процессе эпигенетика. Как ни странно, но эти две несопоставимые группы могут научить нас и кое-чему еще. В самом начале XIX века Жан Батист Ламарк опубликовал свою самую выдающуюся работу. В ней он выдвинул предположение, что приобретенные признаки могут передаваться от одного поколения следующему, и что именно это стимулирует эволюционный процесс. В качестве примера он приводил предполагаемого предка жирафа, обладавшего короткой шеей, который постоянно тянулся за листьями на высоких деревьях и тем самым постепенно удлинял шею на протяжении многих поколений, передавая эту особенность потомству. Эта теория не получила признания, и во многом она просто ошибочна. Однако поколение Голландской голодной зимы и желтые мыши показывают, что, как это ни парадоксально, еретическое учение Ламарка о наследственности может, пусть и иногда, попадать точно в цель, в чем нам сейчас и предстоит убедиться.

Глава 6. Грехи отцов

Ибо Я Господь, Бог твои, Бог ревнитель, наказывающий детей за вину отцов до третьего и четвертого рода, ненавидящих Меня.

Библия, Ветхий Завет, Исход, Глава 20, Стих 5

Цикл «Маленькие сказки», опубликованный Редьярдом Киплингом в самом начале XX века, представляет собой сборник навеянных воображением автора историй о происхождении видов. В наиболее известных из них — таких как «Первые броненосцы», «Как леопард получил свои пятна», «Как верблюд получил свой горб» — рассказывается о фенотипах животных. Все они не более чем выдумки, написанные исключительно с развлекательной целью, однако, если рассматривать их с научной точки зрения, окажется, что эти сюжеты в действительности на сотню лет старше, так как они тесно перекликаются с эволюционной теорией наследования приобретенных признаков, созданной Ламарком. В своих сказках Киплинг описывал, как каждое из животных приобретало характерный для него физический признак — длинный хобот слона, например, — и передавало его по наследству всем своим потомкам, чтобы с той поры все слоны рождались с длинными хоботами.

Киплинг, сочиняя свои сказки, опирался лишь на собственную фантазию, тогда как Ламарк пытался разработать научную теорию. Как всякий настоящий ученый, он старался собрать данные, свидетельствующие в пользу этой гипотезы. В качестве одного из наиболее знаменитых примеров этого, Ламарк утверждал, что у сыновей кузнецов (ремесло, требующее значительных физических сил) мышцы рук крупнее и развитее, чем у сыновей ткачей (которым физическая сила в работе не требуется). Интерпретируя этот факт, Ламарк предполагал, что сыновья кузнецов наследуют у отцов фенотип крупных мышц рук.

Современное объяснение этому феномену иное. Мы понимаем, что человек, генетически способный развить мощную мускулатуру, будет иметь преимущество в таких сферах деятельности как кузнечное дело. Этому занятию станут посвящать себя те, кто генетически к нему более приспособлен. Мы знаем и то, что вероятность наследования сыновьями кузнеца этой генетической предрасположенности к развитию каменных бицепсов весьма велика. Наконец, мы учитываем, что во времена, когда Ламарк разрабатывал свою теорию, дети традиционно использовались в качестве подсобной рабочей силы в любом семейном бизнесе. Сыновья кузнецов с куда большей вероятностью, чем дети ткачей, с младых ногтей выполняли относительно тяжелую физическую работу и, как следствие, у них было больше шансов развить внушительную мускулатуру в ответ на требования среды, тех самых шансов, что возникают и у нас, когда мы идем «качаться» в спортзал.

Однако было бы ошибкой высокомерно усмехаться, вспоминая Ламарка и его теорию. Большая часть его воззрений теперь не воспринимается как научно обоснованная, но мы должны признать, что он предпринимал искренние попытки дать объяснение важным вопросам. Неизбежно и вполне справедливо, что Ламарк отошел на второй план, уступив ведущее место Чарльзу Дарвину, истинному колоссу в биологии не только XIX века, но, возможно, и всех времен. Дарвиновская теория эволюции видов путем естественного отбора стала единственным и самым мощным концептуальным каркасом для всех биологических наук. Значение этой работы еще больше возросло после публикации трудов Менделя о наследственности и нашим пониманием молекулярной природы ДНК, которая является основой для передачи наследственных признаков.

Если бы перед нами стояла задача охарактеризовать результаты полутора столетий развития эволюционной теории в одном абзаце, то мы могли бы сказать следующее:

— случайная вариация в генах порождает фенотипическую вариацию в индивидуумах. Некоторые индивидуумы более жизнеспособны, нежели другие, в определенной окружающей среде, и эти индивидуумы, вероятно, дадут большее потомство. Это потомство может унаследовать те же благоприятные генетические вариации, которые были присущи родителям, и потому их потомство будет еще более жизнеспособным. В итоге, через огромное количество поколений, эволюционным путем появится новый вид.

— первичным материалом для случайных вариаций является мутация последовательности ДНК индивидуума, его или ее генома.

Интенсивность мутации обычно очень низкая, поэтому требуется много времени, чтобы благоприятные мутации развились и распространились в популяции. Это в первую очередь справедливо для тех ситуаций, когда каждая единственная мутация дает индивидууму очень незначительное преимущество над конкурентами в определенной среде.

Именно в этом аспекте модель Ламарка о приобретенных характеристиках не выдерживает критики в сравнении с теорией Дарвина. Приобретенное изменение в фенотипе должно было каким-то образом отразиться на сценарии ДНК и внести в него действительно разительные перемены, чтобы эта приобретенная характеристика могла передаться от одного поколения следующему, от родителя ребенку. Однако свидетельств, что дело обстоит именно так, практически не существует, за исключением тех редких случаев, когда химическое или радиационное воздействие, поражающее ДНК (мутагены), вызывает изменение в последовательности определенных пар оснований. Эти мутагены оказывают влияние на геном только относительно небольшого процента пар оснований и делают это случайным образом, поэтому такое воздействие просто неспособно стать причиной наследования приобретенных характеристик.

Уже накоплен настолько внушительный массив данных, свидетельствующих против теории Ламарка о наследственности, что для ученых не осталось каких-либо причин проверять ее справедливость экспериментально. И это неудивительно. В конце концов, если вы изучаете Солнечную систему, вы, конечно, могли бы выбрать темой своей работы проверку гипотезы, что, по меньшей мере, некоторые части Луны состоят из сыра. Однако для этого вы должны будете умышленно игнорировать огромные объемы информации, опровергающие такую точку зрения, а это едва ли можно было бы назвать рациональным подходом.

Существует и, в некотором роде, этическая причина того, что ученые отгородились от экспериментальных исследований вопроса наследования приобретенных характеристик. Одним из печально известных случаев научного мошенничества стали эксперименты Пауля Каммерера, работавшего в Австрии в первой половине XX века. Он утверждал, что ему удалось продемонстрировать наследование приобретенных признаков у земноводных под названием жабы-повитухи.

Каммерер заявлял, что когда он менял условия, в которых размножались жабы, у тех развивались «полезные» адаптации. Этими адаптациями являлись образования на передних конечностях, называемых брачными подушечками, которые становились черными. К сожалению, ему удалось сохранить лишь считанные единицы образцов, полученных в ходе опытов, и когда один из оппонентов Каммерера исследовал оказавшийся в его распоряжении экземпляр, он обнаружил, что в его подушечки были сделаны инъекции туши. Каммерер отрицал, что ему было что-либо известно о нарушении чистоты эксперимента, и вскоре после этого покончил с собой. Его самоубийство бросило тень на и без того сомнительные результаты опытов[39].

Одним из утверждений, сделанных нами в сжатом обзоре истории теории эволюции, было следующее: «Приобретенное изменение в фенотипе должно было каким-то образом отразиться на сценарии ДНК и внести в него действительно разительные перемены, чтобы эта приобретенная характеристика могла передаться от одного поколения следующему, от родителя ребенку».

Трудно представить себе, каким образом влияние среды на клетки индивидуума могло бы заставить определенный ген изменить последовательность пар оснований. Но более чем очевидно то, что эпигенетические модификации — будь то метилирование ДНК или изменения гистоновых белков — действительно происходят в конкретных генах в ответ на воздействия окружающей среды на клетку. Примером этого может служить реакция на гормональный сигнал, о которой уже упоминалось в предыдущей главе. Обычно некий гормон, такой как эстроген, присоединяется к рецептору на клетке, скажем, груди. Эстроген и рецептор, продолжая оставаться вместе, проникают в ядро клетки. Там они соединяются с особыми мотивами ДНК—основаниями А, Ц, Г и Т, расположенными в определенной последовательности, — которые находятся у промоторов конкретных генов. Это помогает активировать гены. Присоединяясь к этим мотивам, эстрогенный рецептор также притягивает и разнообразные эпигенетические ферменты. Они изменяют гистоновые модификации, удаляя метки, подавляющие генную экспрессию, и оставляя метки, вызывающие активацию генов. В этом случае, действуя через гормоны, среда способна изменить эпигенетическую схему определенных генов.

Эти эпигенетические модификации не меняют последовательность гена, но вносят изменения в его экспрессию. А это, в конце концов, и является основной базой для программирования развития в будущем заболевания. Мы знаем, что эпигенетические модификации могут передаваться от родительской клетки дочерним клеткам, поскольку именно вследствие этого у нас на глазных яблоках не вырастают зубы. Если бы существовал аналогичный механизм, передающий вызванные окружающей средой эпигенетические модификации от индивидуума его потомству, то этот механизм был бы подтверждением справедливости теории о наследственности Ламарка. Эпигенетические (в противоположность генетическим) изменения переходили бы от родителя к ребенку.

Ересь и Голландская голодная зима

Легко рассуждать о том, как это могло бы происходить, но на самом-то деле нам нужно знать, могут ли приобретенные характеристики наследоваться таким путем. Не как это может быть, а возможно ли это вообще? Примечательно, что существуют особые ситуации, когда такое явление действительно имеет место. И это не означает, что модели Дарвина и Менделя ошибочны, это всего лишь значит, что мир биологии значительно сложнее, чем мы себе представляли.

Научная литература, посвященная этой тематике, грешит несколько запутанной терминологией. В ранних работах упоминается эпигенетическая передача приобретенных признаков, но ничего не говорится о варьированиях в метилировании ДНК или гистоновых изменениях. И причина этого не в небрежности авторов этих работ. Дело в том, что раньше сам термин «эпигенетика» употреблялся в ином значении. В первых трудах на эту тему словосочетание «эпигенетическая передача» означало наследование, которое не могло быть объяснено с позиций генетики. В этих случаях понятие «эпигенетический» описывало феномен, а не молекулярный механизм. Чтобы сделать предлагаемый материал немного понятнее, для описания феномена передачи приобретенных признаков мы будем пользоваться словосочетанием «трансгенерационная наследственность», а термин «эпигенетика» станем применять только для характеристики молекулярных явлений.

Одними из наиболее ярких свидетельств существования трансгенерационной наследственности у человека являются истории людей, переживших Голландскую голодную зиму. Благодаря великолепной инфраструктуре медицинского обслуживания в Нидерландах и высоким стандартам сбора и хранения данных о пациентах, эпидемиологи получили возможность в течение многих лет наблюдать людей, переживших ту страшную зиму. Еще более важно то, что они смогли изучать не только тех, кто жил в Голландии в эту голодную пору, но и их детей и внуков.

Этот мониторинг дал неожиданные и удивительные результаты. Как мы уже видели, если беременные женщины голодали в течение первых трех месяцев беременности, и хотя их дети рождались с нормальной массой тела, то во взрослом возрасте они оказывались в большей степени склонны к ожирению и другим заболеваниям. Как это ни удивительно, но когда женщины из этой группы детей сами становились матерями, то их первый ребенок рождался с большей массой тела, чем дети из контрольных групп[40][41]. Это показано на рисунке 6.1, где относительные размеры детей преувеличены для облегчения восприятия информации (и где я взяла на себя смелость присвоить женщинам вымышленные голландские имена).

Рис. 6.1. Результаты недоедания женщин, которые были беременны в Голландскую голодную зиму, отразившиеся на их детях и внуках.Сроки голодания в период беременности были ключевым фактором для массы тела новорожденных детей последующих поколений

Масса тела новорожденной Камиллы, изображенной в нижнем левом углу рисунка, выглядит поистине странной. Когда Камилла развивалась, ее мать Басье была вполне здорова. Единственный период недоедания, который пришлось пережить Басье, имел место двадцатью с лишним годами ранее, когда она сама проходила через первые стадии собственного развития в утробе матери. Тем не менее, представляется очевидным, что именно этот период сказался на ее ребенке, несмотря на то, что на начальных этапах своего развития сама Камилла не была знакома с таким явлением как голодание.

Это выглядит достойным примером трансгенерационной (по Ламарку) наследственности, но была ли она вызвана неким эпигенетическим механизмом? Могли ли эпигенетические изменения (перемены в метилировании ДНК и/или вариации в гистоновых модификациях), возникшие у Басье в результате недоедания в первые двенадцать недель ее развития в утробе матери, передаться через ядро ее яйцеклетки ее собственному ребенку? Может быть, нам не следует игнорировать и другие возможные объяснения?

Например, мог иметь место какой-либо неидентифицированный фактор раннего недоедания, а это означало бы, что во время беременности Басье будет передавать питательные вещества через плаценту плоду в объемах, превышающих обычные. Это могло стать причиной трансгенерационного результата — повышенных показателей массы тела и роста Камиллы при рождении, но такой результат не был бы вызван тем, что Басье передала эпигенетическую модификацию Камилле. Он был бы вызван условиями в матке, в которых росла и развивалась Камилла (внутриматочной средой).

Важно также помнить и о том, что человеческая яйцеклетка достаточно велика. В ней содержится ядро, довольно небольшое по объему в сравнении с окружающей его цитоплазмой. Вообразите виноградинку внутри мандарина, и вы получите приблизительное представление об их относительных размерах. Цитоплазма выполняет множество разнообразных функций при оплодотворении яйцеклетки. Возможно, на ранних этапах программирования развития Басье произошло некое событие, в результате которого в цитоплазме ее яйцеклетки появилось нечто необычное. Это может показаться невероятным, но формирование яйцеклетки у женских особей млекопитающих начинается уже на ранних стадиях их собственного эмбрионального развития. Самые первые этапы развития зиготы в большой степени зависят от цитоплазмы яйцеклетки. Некая аномалия в цитоплазме может стимулировать необычные модели роста плода. И это также может привести к трансгенерационной наследственности, но не через прямую передачу эпигенетических модификаций.

Итак, как мы видим, существуют самые разнообразные механизмы, которыми можно объяснить модели наследственности, передающиеся по материнской линии потомков людей, переживших Голландскую голодную зиму. Мы смогли бы лучше разобраться в вопросе, играет ли эпигенетика какую-либо роль в приобретенной наследственности, если бы рассмотрели менее запутанную ситуацию. В идеале, это должен быть такой сценарий, где нам не пришлось бы беспокоиться ни о влиянии внутриутробной среды, ни об изменениях цитоплазмы яйцеклетки.

Удовлетворить этим условиям могут только отцы. Поскольку мужчины не беременеют, они не способны оказывать какое-либо влияние на среду развития плода. Мужчины также не вносят заметного вклада в цитоплазму зиготы. Сперматозоиды очень маленькие и почти полностью состоят из ядра — они выглядят как крошечные пульки с приклеенными к ним хвостиками. Поэтому, если бы мы наблюдали передачу трансгенерационной наследственности от отца к ребенку, она не могла бы быть вызвана внутриматочными условиями или состоянием цитоплазмы. В такой ситуации эпигенетический механизм стал бы самым приемлемым объяснением трансгенерационной наследственности приобретенных характеристик.

Жадные парни из Швеции

Для исследования данных, предполагающих, что трансгенерационная наследственность по мужской линии действительно может иметь место, мы снова обратимся к историческим событиям. В северной Швеции есть географически изолированный регион, который носит название Оверкаликс. В конце XIX и начале XX веков там часто случались периоды острого недостатка продовольствия (вызванного бедными урожаями, военными действиями и транспортными проблемами), которые чередовались с периодами изобилия. Ученые провели исследования показателей смертности у потомков людей, живших там в это время. В частности, они проанализировали объемы принимаемой пищи на этапе детства, который принято называть периодом медленного роста (ПМР). При прочих идентичных условиях, дети медленнее всего растут в годы, предшествующие половому созреванию. Это совершенно нормальное явление, наблюдаемое практически во всех культурах.

В результате изучения исторических документов исследователи пришли к выводу, что если пищи было мало в ПМР отца, его сын имел меньше шансов умереть от сердечно-сосудистых заболеваний (таких как удар, повышенное кровяное давление или болезнь коронарной артерии). С другой стороны, если у мужчины во время ПМР пищи было в избытке, его внуки подвергались повышенной опасности умереть от осложнений, вызванных диабетом[42]. В полном соответствии нашему примеру о Камилле, бабушка которой пережила Голландскую голодную зиму, их сыновья и внуки имели измененный фенотип (изменения степени риска умереть от сердечно-сосудистых заболеваний или диабета), возникший в ответ на средовые стимулы, с которыми сами они никогда не сталкивались.

Такие следствия не могут быть результатом влияния внутриматочной среды или изменений в цитоплазме по причинам, уже изложенным выше. Значит, представляется возможным предположить, что эти трансгенерационные последствия, обусловленные количеством пищи, доступной поколению дедов, были переданы внукам посредством эпигенетических факторов. Эти выводы выглядят еще более удивительными, если мы вспомним, что изначальная причина (недостаток или обилие пищи) имела место в то время, когда мальчики еще не достигли периода полового созревания, то есть еще даже не начали вырабатывать сперму. Несмотря на это, они передали результат, вызванный этой причиной, своим сыновьям и внукам.

Однако не все так гладко и бесспорно в этих исследованиях возможности передачи трансгенерационной наследственности по мужской линии. В частности, весьма рискованно полностью полагаться на абсолютную достоверность старых записей о причинах смерти и делать выводы на основании исторических документов. Кроме того, многие из наблюдаемых последствий были выражены не слишком явно. Это одна из главных проблем, обычно возникающих при работе с людьми, наряду с прочими, которые мы уже обсудили, такими как наша генетическая вариативность и невозможность контролировать окружающую среду хоть сколько-нибудь серьезным образом. Всегда существует риск, что из имеющейся информации мы можем сделать неверные выводы, как это и случилось с Ламарком, когда он изучал семьи кузнецов.

Еретическая мышь

Существует ли какой-либо альтернативный способ исследовать возможность трансгенерационной наследственности? Если этот феномен присутствует и у представителей других видов, у нас будет значительно больше уверенности в том, что это явление реально. Дело в том, что эксперименты на модельных системах для проверки каких-либо гипотез могут поводиться целенаправленно и давать более объективную картину, нежели просто изучение данных, предоставляемых природой или историей.

И здесь нам опять на помощь приходят мыши агути. Опыты Эммы Уайтло показали, что вариативность окраса шерсти у мышей агути обусловлена эпигенетическим механизмом, в частности ДНК-метилированием ретротранспозона в гене агути. У всех мышей разных окрасок были одинаковые последовательности ДНК, но различные уровни эпигенетической модификации ретротранспозона.

Профессор Уайтло решила выяснить, может ли окрас шерсти передаваться по наследству. Если да, то это стало бы доказательством того, что не только ДНК передается от родителя потомству, но и эпигенетические модификации генома. И это могло бы стать возможным механизмом трансгенерационной наследственности приобретенных характеристик.

Когда выбранные Эммой Уайтло мыши дали приплод, профессор получила результаты, показанные на рисунке 6.2. Для удобства здесь изображено только то потомство, которое унаследовало ретротранспозон Avy от матери, поскольку именно эти результаты нас интересуют.

Рис. 6.2. Цвет шерсти генетически идентичных матерей влияет на цвет шерсти их потомства. У желтой мыши, ген агути которой экспрессируется постоянно вследствие низких уровней ДНК-метилирования регуляторного ретротранспозона, никогда не рождается темно-окрашенное потомство. Эпигенетически — а не генетически — обусловленные характеристики матери влияют на ее потомство

Если у матери был неметилированный ген Avy и, соответственно, желтый окрас, все ее потомство рождалось с желтой или слегка пятнистой шерстью. Ни один из ее мышат не имел очень темного окраса шерсти, обусловленного метилированием ретротранспозона.

С другой стороны, если материнская аллель Avy была сильно метилирована, в результате чего эта мышь имела темный окрас, то у некоторой части ее потомства также была темная шерсть. Если и у бабушки, и у матери шерсть была темной, тогда у потомства этот признак оказывался еще более выраженным. В этом случае доля темного потомства составляла уже не одну пятую, как на рис. 6.2, а почти третью часть.

Так как Эмма Уайтло работала с инбредными мышами, она имела возможность проводить эти эксперименты множество раз и вывести сотни генетически идентичных мышат. А это важно, так как чем больше одинаковых результатов дает опыт, тем в большей степени вы можете полагаться на их объективность. Статистические исследования показали, что фенотипические различия между генетически идентичными группами были очень велики. Другими словами, было весьма маловероятно, что такие результаты были получены случайно[43].

На основании этих экспериментов был сделан вывод о том, что обусловленный эпигенетическими факторами эффект (цвет шерсти, зависящий от уровня метилирования ДНК) у животного передается его потомству. Но действительно ли мыши непосредственно наследуют эпигенетическую модификацию у своей матери?

Существует возможность, что наблюдаемые результаты были вызваны не именно наследованием эпигенетической модификации ретротранспозона Avy, а каким-то иным механизмом. Если ген агути постоянно активирован, то следствием этого является не только желтая шерсть. Этот ген, кроме того, влияет на экспрессию других генов, что в конечном итоге приводит к тому, что желтые мыши начинают толстеть и заболевают диабетом. Значит, вероятно, присутствуют какие-то различия во внутриматочной среде желтых и темных беременных самок, и различия эти заключаются в доступности для эмбрионов питательных веществ. Наличие питательных веществ само по себе может изменить схему того, как распределяются на ретротранспозоне Avy потомства определенные эпигенетические метки. Это выглядело бы похожим на эпигенетическую наследственность, но в таком случае мышата не наследовали бы непосредственно схему метилирования ДНК у матери. Вместо этого они просто прошли бы через подобный процесс программирования развития, который стал бы реакцией на доступность питательных веществ в матке.

В самом деле, на тот момент, когда Эмма Уайтло проводила эти эксперименты, ученым уже было известно, что диета может влиять на цвет шерсти мышей агути. Если беременных мышей агути кормить пищей, богатой химическими веществами, способными снабжать метиловыми группами клетки (метиловыми донорами), то соотношение в приплоде мышей с различным окрасом меняется[44]. Вероятно, это происходит по той причине, что клетки способны использовать больше метиловых групп и в большей степени метилировать свои ДНК, тем самым подавляя аномальную экспрессию гена агути. Это значит, что команда Уайтло должна была быть предельно внимательна при учете влияния на результат экспериментов с питательными веществами, поступающих к плоду в матке.

В одном из таких опытов, произвести которые над человеком практически невозможно, Эмма Уайтло извлекала у желтых мышей оплодотворенные яйцеклетки и пересаживала их темным мышам, и наоборот. В каждом случае распределение окраса шерсти у родившихся мышей было именно тем, которое ожидалось получить от донорской яйцеклетки, то есть от биологической матери, а не от суррогатной. Это неопровержимо доказывало, что окрас потомства определяет не внутриматочная среда. С помощью сложных схем спаривания исследователи также установили, что передача цвета шерсти по наследству не зависит и от цитоплазмы яйцеклетки. Суммируя результаты всех экспериментов, ученые пришли к наиболее очевидной их интерпретации, а именно к тому выводу, что эпигенетическая наследственность действительно имела место. Иначе говоря, эпигенетическая модификация (возможно, метилирование ДНК) передавалась вместе с генетическим кодом.

Эта передача фенотипа от одного поколения следующему не была совершенной — не все потомство выглядело точной копией матери. Это объясняется тем, что метилирование ДНК, контролирующее экспрессию фенотипа агути, не оставалось стабильным на протяжении поколений. Такой результат вполне соответствует тем, которые мы наблюдали в предполагаемых случаях трансгенерационной наследственности у человека—вспомним детей женщин, переживших Голландскую голодную зиму. Если мы будем рассматривать достаточно большое количество людей в исследуемой группе, то сможем выявить различия массы тела у младенцев, принадлежащих к разным группам, но не способны будем давать абсолютно точные прогнозы по отдельным индивидуумам.

У популяции агути был также выявлен неожиданный феномен зависимости от половой принадлежности. В распределении окраса присутствовал явный трансгенерационный эффект, если он передавался от матери потомству, однако ничего подобного не наблюдалось, когда мужская особь передавала своим отпрыскам ретротранспозон Avy. Не имело ни малейшего значения, был ли отец мышат желтым, крапчатым или темным. У рождавшегося от него потомства цвет шерсти мог быть каким угодно.

Однако существуют и другие свидетельства эпигенетической наследственности, передаваемой как самцами, так и самками. Фенотип извитого хвоста у мышей, вызываемый вариативным метилированием ретротранспозона в гене AxinFu (Axin-переключение), может передаваться потомству и отцом, и матерью[45]. Представляется весьма маловероятным, что трансгенерационная наследственность этого признака зависит от внутриматочной среды или цитоплазмы, поскольку влияние на них отцов не слишком велико. Куда более убедительным выглядит предположение, что здесь имеет место передача потомству одним из родителей эпигенетической модификации гена AxinFu.

Эти модельные системы оказались чрезвычайно эффективными для демонстрации того, что трансгенерационная наследственность негенетических фенотипов действительно имеет место, и осуществляется она через эпигенетические модификации. Это стало истинным прорывом. Получены доказательства того, что в некоторых очень специфических ситуациях теория о наследственности Ламарка оказывается верна, и мы можем управлять лежащим в ее основе молекулярным механизмом. Но фенотипы агути и извитого хвоста у мышей зависят от присутствия в геноме определенных ретротранспозонов. Это частный случай или общее правило? И вновь мы возвращаемся к тому, что имеет для нас самое насущное значение. К пище.

Эпигенетика ожирения

Всем нам хорошо известно, что человечество стоит перед угрозой эпидемии ожирения. Она стремительно распространяется по всему миру, с наибольшей скоростью захватывая промышленно развитые страны. Откровенно пугающий график, представленный на рисунке 6.3 и демонстрирующий положение дел в Великобритании по состоянию на 2007 год[46], показывает, что почти двое из каждых трех взрослых страдают избыточным весом (индекс массы тела, то есть соотношение массы тела и роста человека — 25 или больше) или ожирением (индекс массы тела 30 или больше). В США ситуация еще хуже. Ожирение сопутствует целому ряду тяжелых заболеваний, включая сердечно-сосудистые болезни и диабет 2 типа. Страдающие ожирением люди старше сорока лет умирают в среднем на шесть-семь лет раньше, чем люди с нормальной массой тела[47].

Рис. 6.3. Процент населения Великобритании, страдающего избыточной массой тела или ожирением по состоянию на 2007 год

Данные, полученные при изучении последствий Голландской голодной зимы и других гуманитарных катастроф, свидетельствуют, что недостаточное питание во время беременности способно отразиться на потомстве, и результаты этого воздействия могут передаваться последующим поколениям. Иначе говоря, плохое питание может оказывать эпигенетическое влияние на следующие поколения. Согласно опросу населения г. Оверкаликса, хотя эти данные интерпретировать довольно сложно, переедание в ключевые моменты жизни мальчиков может иметь обратные последствия для следующих поколений. Существует ли возможность, что эпидемия ожирения, распространяющаяся среди человечества, вызовет эффект домино для наших детей и внуков? Так как мы не хотим ждать сорок лет, чтобы выяснить, справедливы ли эти предположения, ученые снова обращают свой взор на животных и пытаются предсказать будущее на основании изучения наших меньших братьев.

Первые данные, полученные при исследовании животных, показали, что питание, возможно, и не приводит к радикальным трансгенерационным результатам. Измененная схема окраса шерсти мышат агути, матерям которых во время беременности давали корм, богатый метиловыми «донорами», не передалась следующему поколению[48]. Но, возможно, это слишком специализированная модель? В 2010 году появились две работы, способные дать нам, по меньшей мере, пищу для размышлений. Они были опубликованы в двух ведущих мировых журналах, Nature и Cell. В обеих работах описываются схожие эксперименты — исследователи перекармливали самцов, а затем наблюдали, как это сказывается на их потомстве. Решив проводить эксперименты только с мышами самцами, ученые избавили себя от необходимости задумываться о возможном влиянии внутриматочной среды и цитоплазмы, которое остается главным источником головной боли для исследователей, работающих с самками.

В одном из экспериментов подопытными животными выступили крысы породы Спраг-Доули. Это крысы-альбиносы, обладающие легким характером и уживчивым нравом, благодаря чему они прекрасно чувствуют себя в неволе. В ходе опытов самцам Спраг-Доули давали пищу с высоким содержанием жира и позволяли спариваться с самками, питавшимися обычным кормом. Перекормленные самцы отличались избыточной массой тела (чему едва ли стоит удивляться), имели высокий процент содержания жира в мышцах и демонстрировали многочисленные симптомы, соответствующие диабету 2 типа у человека. Потомство у них родилось с нормальной массой тела, но при этом также обнаруживало свойственные диабету признаки[49]. У них многие гены, контролирующие метаболизм и присущую млекопитающим схему сжигания жиров, оказались «разрегулированными». По непонятным причинам, такие отклонения в большей степени демонстрировали дочери.

Совершенно независимая группа исследователей изучала влияние питания на инбредную линию мышей. Самцам мышей давали корм с резко пониженным уровнем белков. В качестве компенсации в этой диете было значительно увеличено содержание сахара. Самцы спаривались с самками, рацион которых был обычным. Затем ученые исследовали экспрессию генов печени (главного органа, если говорить о метаболизме) трехнедельных мышат, родившихся в результате этих спариваний. Проанализировав достаточно большие количества мышат, они обнаружили, что регуляция многих генов, участвующих в метаболизме, у этого потомства была нарушенной[50]. Кроме того, они выявили и изменения в эпигенетических модификациях в печени этих мышат.

Итак, оба этих исследования говорят нам, что, как минимум у грызунов, питание отца может непосредственно влиять на эпигенетические модификации, экспрессию генов и здоровье его потомства. И вовсе не из-за окружающей среды — тут нет ничего общего с примером из человеческой жизни, в котором ребенок толстеет только по той причине, что папочка перекармливает его недетскими порциями гамбургеров и чипсов. Это прямой эффект, и он имеет место у крыс и мышей настолько часто, что не может быть объяснен лишь вызванными питанием мутациями, так как те попросту не происходят в таких масштабах. Поэтому наиболее вероятной интерпретацией этого явления может быть то, что диета провоцирует эпигенетические изменения, которые могут передаваться от отца ребенку. Хотя это только предварительные выводы, но результаты исследований, в частности, мышей выступают в их поддержку.

Если рассматривать все имеющиеся данные в совокупности — от людей до грызунов и от голода до изобилия, — то начинает проявляться весьма тревожная тенденция. Может быть, старая поговорка «мы то, что мы едим» не так уж далека от истины. Может быть, мы сами — то, что ели наши родители и что еще раньше ели их родители.

Это, казалось бы, заставляет нас задуматься, есть ли вообще смысл следовать советам о необходимости вести здоровый образ жизни. Если все мы являемся жертвами эпигенетического детерминизма, то это значит, что кости нашей судьбы уже брошены на стол жизни, и мы находимся в полной зависимости от схем метилирования наших предков. Однако это слишком упрощенная модель. Многочисленные данные свидетельствуют, что рекомендации придерживаться здорового образа жизни — употреблять здоровую пищу с большой долей фруктов и овощей, поменьше валяться на диване, не курить, — которые не устают давать нам правительственные и благотворительные организации, абсолютно справедливы и обоснованы. Мы представляем собой сложные организмы, и наши ожидания, связанные с собственным здоровьем и самой жизнью, непосредственно связаны с нашим геномом, эпигеномом и окружающей средой. Но вспомните, что даже в случае с инбредными мышами агути, содержавшимися в стандартизированных условиях, исследователи не могли заранее точно предсказать, насколько желтым или толстым родится каждый мышонок в новом помете. Что мешает нам делать все возможное, чтобы повысить свои шансы на здоровую и долгую жизнь? А если мы планируем иметь детей, то разве не готовы мы сделать все от нас зависящее, чтобы они были хоть чуточку здоровее?

Конечно, в нашей жизни всегда будут присутствовать явления, которые мы не можем контролировать. Одним из наиболее изученных примеров экологических факторов, имеющих эпигенетические последствия, способные сохраняться, по меньшей мере, на протяжении четырех поколений, является токсин под названием винклозолин. Это фунгицид, особенно часто используемый в виноделии. Если он попадает в организм млекопитающего, то превращается в соединение, которое связывается с андрогенным рецептором. А этот рецептор связывается с тестостероном, мужским гормоном, необходимым для полового развития, производства сперматозоидов и осуществления множества других, не менее важных для мужчин функций. Когда винклозолин связывается с андрогенным рецептором, он препятствует тестостерону в передаче его обычных сигналов клетке и тем самым блокирует присущие этому гормону функции.

Если винклозолин давали беременным крысам в период, когда у эмбрионов формировались половые железы, то мужская часть потомства рождалась с тестикулярными дефектами и отличалась пониженной плодовитостью. Такие же отклонения наблюдались и у трех последующих поколений[51]. Эти признаки демонстрировали около 90 процентов самцов крыс, а эта цифра слишком велика, чтобы быть вызванной классической мутацией ДНК. Самые высокие из известных уровней мутации, зафиксированные в наиболее чувствительных участках генома, уступают ей более чем в десять раз. В этих экспериментах лишь одно поколение крыс было подвергнуто воздействию винклозолина, а последствия этого наблюдались, по меньшей мере, у четырех следующих поколений, так что это можно считать еще одним примером подтверждения теории о наследственности Ламарка. А учитывая, что передача этой схемы осуществлялась самцами, то ее, вероятно, можно назвать примером механизма эпигенетической наследственности. В последующих публикациях той же исследовательской группы были указаны конкретные участки генома, на которых воздействие винклозолина привело к необычным схемам метилирования ДНК[52].

В описанных выше исследованиях крысы получали винклозолин в очень высоких дозах, намного превышающих те, с которыми человек может случайно столкнуться в окружающей среде. И тем не менее, полученные в этих экспериментах результаты стали одной из причин, по которым в некоторых странах органы власти уже начинают пристально изучать вопрос, способны ли искусственные гормоны и вредные для гормонов вещества в окружающей среде (от химических соединений, присутствующих в противозачаточных средствах, и до некоторых пестицидов) оказывать едва заметные, но потенциально губительные трансгенерационные воздействия на человека.

Глава 7. Игра поколений

Звери шли парами, взявшись за руки, ура! Ура!

Застольная песня

Иногда самые выдающиеся научные открытия рождаются из простейших вопросов. Вопрос может казаться настолько банальным, что почти никому и никогда не приходит в голову задавать его, не говоря уже о том, чтобы искать на него ответ. Для нас как-то не представляют интереса вещи, которые мы привыкли считать вполне естественными. Но если вдруг кто-нибудь решит спросить: «Как это происходит?», мы сразу понимаем, что явление, всегда казавшееся нам слишком обыденным и понятным, в действительности представляет собой настоящую загадку. Все сказанное справедливо и для одного из самых фундаментальных аспектов биологии человека, того, о природе которого мы никогда не задумываемся.

Почему при воспроизведении млекопитающих (включая человека) всегда требуется мужская и женская особь?

При размножении половым путем маленькие, но энергичные сперматозоиды мчатся наперегонки, стремясь как можно быстрее добраться до крупной и относительно неподвижной яйцеклетки. Когда победитель этого спринтерского забега проникает в яйцеклетку, ядра обеих клеток сливаются и создают зиготу, при делении которой образуется каждая клетка организма. Сперматозоиды и яйцеклетки называются половыми клетками или гаметами. Когда в организме млекопитающих образуются гаметы, каждая из них получает только половину нормального количества хромосом. Это означает, что в гаметах по двадцать три хромосомы, по одной из пары. Такой набор называется гаплоидным геномом. Когда два ядра после проникновения сперматозоида в яйцеклетку сливаются, количество хромосом в клетке восстанавливается до нормального, присутствующего во всех обычных клетках (сорок шесть), и этот геном называется диплоидным. Очень важно, чтобы и яйцеклетка, и сперматозоид были гаплоидными, так как в противном случае у каждого следующего поколения было бы вдвое больше хромосом, чем у предшествующего.

Мы могли бы предположить, что причина, по которой у каждого млекопитающего обязательно должны быть мать и отец, заключается в том, что только при этом условии можно объединить два гаплоидных генома, чтобы создать новую клетку с полным набором хромосом. Разумеется, что именно так все и происходит, но эта модель также подразумевает, что единственная причина того, что каждому из нас требуются двое разнополых родителей, состоит в процессе родов.

Внук Конрада Уоддингтона

В 2010 году профессор Роберт Эдвардс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за выдающиеся разработки в области искусственного оплодотворения, которые привели к появлению так называемых детей из пробирки. В ходе этого процесса яйцеклетка извлекается из организма женщины, оплодотворяется в лабораторных условиях, а затем вновь имплантируется в матку. Искусственное оплодотворение — необычайно сложная задача, и успехи профессора Эдвардса в сфере репродуцирования человека целиком и полностью основываются на многих и многих годах кропотливых экспериментов, проводившихся над мышами.

Работы с мышами заложили прочный фундамент для удивительной серии экспериментов, которые продемонстрировали, что воспроизводство у млекопитающих далеко не ограничивается исключительно процессом родов. Признанным мировым светилом в этой области является профессор Азим Сурани из Кембриджского университета, который начинал свою научную карьеру и получил докторскую степень, работая под руководством Роберта Эдвардса. А так как профессор Эдвардс получил начальное исследовательское образование в лаборатории Конрада Уоддингтона, то мы с полным правом можем считать Азима Сурани интеллектуальным внуком Уоддингтона.

Азим Сурани принадлежит к той славной когорте британских ученых, которые, невзирая на свой статус, очень легко относятся к собственной славе. Действительный член Королевского научного общества, он является кавалером Ордена Британской империи III степени, обладателем престижной Габоровской медали и Королевской медали Королевского научного общества. Следуя по стопам Джона Гердона и Эдриана Берда, он продолжает открывать новые земли в своих странствованиях по океану исследований, в которые он пустился более четверти века назад.

Приступив к работе в середине 1980-х годов, Азим Сурани выполнил программу экспериментов, безоговорочно продемонстрировавших, что система воспроизведения млекопитающих далеко не ограничивается одним лишь процессом родов. Мы нуждаемся в биологическом отце и биологической матери отнюдь не только потому, что только таким образом два гаплоидных генома могут слиться и образовать одно диплоидное ядро. Огромнейшее значение имеет тот факт, что одну половину нашей ДНК мы наследуем у матери, а другую — у отца.

На рисунке 7.1 показано, как выглядит только что оплодотворенная яйцеклетка, еще до слияния в ней двух геномов. Рисунок, конечно, во многом упрощен и гиперболизирован, но он выполняет поставленную перед ним задачу. Гаплоидные ядра яйцеклетки и сперматозоида называются пронуклеусами.

Рис. 7.1. Яйцеклетка млекопитающего сразу же после проникновения в нее сперматозоида, но до слияния двух гаплоидных (с половинным набором хромосом) пронуклеусов. Обратите внимание на разницу в размерах пронуклеусов яйцеклетки и сперматозоида

Мы видим, что женский пронуклеус значительно крупнее мужского. Для экспериментальных целей это имеет большое значение, поскольку мы можем визуально различать женский и мужской пронуклеусы. А так как мы можем отличать их друг от друга, у ученых появляется возможность переносить пронуклеус из одной клетки в другую и быть абсолютно уверенными в том, чей именно пронуклеус был перенесен. Исследователи четко представляют, с каким пронуклеусом они работают: с выделившимся из отцовского сперматозоида (мужской пронуклеус) или из материнской яйцеклетки (женский пронуклеус).

Много лет назад профессор Гердон пользовался крошечными микропипетками, чтобы переносить ядра соматических клеток лягушек в лягушачьи икринки. В распоряжении Азима Сурани были более современные технологии для переноса пронуклеусов из одних оплодотворенных яйцеклеток мышей в другие. Затем искусственно оплодотворенные яйцеклетки имплантировались самкам мышей, и там уже продолжалось их развитие. Было важно поместить пронуклеусы именно в оплодотворенные яйцеклетки, поскольку только в них создается необходимая среда для формирования и развития эмбриона после слияния двух иронуклеусов. По той же причине Джон Гердон использовал оплодотворенные лягушачьи икринки в своих работах по перепрограммированию, а Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут воспользовались оплодотворенной яйцеклеткой в качестве реципиента, когда клонировали овечку Долли.

Во множестве работ, опубликованных преимущественно между 1984 и 1987 годами, профессор Сурани продемонстрировал, что для создания новых живых мышат необходимо иметь и мужской, и женский пронуклеус. Графически это показано на рисунке 7.2.

Рис. 7.2. Резюме результатов ранних экспериментов Азима Сурани. Пронуклеус извлекался из яйцеклетки мыши. Затем в эту донорскую яйцеклетку помещались два гаплоидных пронуклеуса, и получившаяся в результате диплоидная яйцеклетка имплантировалась в суррогатную мать. Живые мышата рождались только из тех яйцеклеток, в которых были представлены один мужской и один женский пронуклеус. Эмбрионы яйцеклеток, состоявших из двух мужских или двух женских пронуклеусов, не развивались должным образом и погибали в процессе развития.

Для отслеживания влияния разных геномов ДНК исследователи использовали инбредные линии мышей. Благодаря этому была обеспечена генетическая идентичность всех трех типов оплодотворенных яйцеклеток, показанных на диаграмме. И несмотря на их полную генетическую идентичность, серии экспериментов, проведенных Азимом Сурани и его коллегами[53][54][55], а также исследования, независимо проведенные в лабораториях Давора Солтера[56] и Брюса Каттенача[57], дали однозначные результаты. Если в оплодотворенной яйцеклетке присутствовали только два женских или два мужских пронуклеуса, мышата никогда не рождались живыми. Для этого необходимо иметь по одному пронуклеусу каждого пола.

Это абсолютно уникальное открытие. Во всех трех случаях, представленных на диаграмме, в зиготе присутствовало строго одинаковое количество генетического материала. Каждая зигота обладала диплоидным геномом (двумя копиями каждой хромосомы). Если бы единственным условием, необходимым для создания нового индивидуума, было количество ДНК, тогда бы во всех трех типах оплодотворенных яйцеклеток сформировались и развились полноценные мышата.

Одного лишь количества еще недостаточно

Результаты этих экспериментов подводят нас к революционному открытию — материнский и отцовский геномы могут нести одинаковую ДНК, но функционально они не эквивалентны. Для появления потомства недостаточно иметь правильный набор отрегулированных последовательностей ДНК. Мы должны унаследовать ДНК как у отца, так и у матери. Каким-то образом наши гены «помнят», от кого они произошли. И нормально функционировать они будут только в том случае, если были получены от «правильного» родителя. Одного лишь нужного количества копий каждого гена далеко не достаточно для полноценного развития и здоровой жизни.

Мы знаем, что это не какое-то уникальное явление, присущее только мышам, поскольку то же самое происходит естественным образом и у людей. Например, примерно в одном из 1500 случаев беременности у представительниц человечества в матке формируется плацента, но как такового плода в ней нет. Эта плацента аномальна, она вся покрыта наполненными жидкостью и похожими на виноградины «пузырьками». (Клетки оплодотворенной яйцеклетки размножаются не как положено, а начинают бурно и бесконтрольно делиться и наполняются жидкостью, так что напоминают виноградную гроздь. Прим. редактора). Такое образование называется хорионаденомой или пузырным заносом, и в некоторых азиатских странах частота сопровождаемых ею беременностей может достигать одной на 200 случаев. Женщины исправно прибавляют в весе, часто быстрее, чем при нормальной беременности, а по утрам испытывают тошноту, сопровождаемую рвотой, нередко очень сильной. Стремительно растущие плацентарные структуры вырабатывают в аномально высоких количествах гормон, который считается ответственным за симптомы тошноты во время беременности.

В странах с развитой инфраструктурой здравоохранения хорионаденома обычно диагностируется уже при первом ультразвуковом обследовании, после чего медицинские работники проводят необходимые мероприятия по прерыванию беременности. Если патология определена не сразу, то она приводит к самопроизвольному выкидышу, который случается на четвертый-пятый месяц после оплодотворения. Ранняя диагностика хорионаденом очень важна, так как, оставленные без вмешательства, они могут стать причиной образования потенциально опасных опухолей.

Хорионаденомы формируются в случае оплодотворения яйцеклетки, в которой по какой-то причине отсутствует ядро. Почти в 80 процентах хорионаденомных беременностей пустая яйцеклетка оплодотворяется единственным сперматозоидом, и гаплоидный геном сперматозоида копируется для создания диплоидного генома. Примерно в 20 процентах случаев пустая яйцеклетка оплодотворяется одновременно двумя сперматозоидами. В обеих ситуациях оплодотворенная яйцеклетка имеет необходимое количество хромосом (46), но вся ДНК поступает от отца. По этой причине развивается патология плода. Как и экспериментальным мышам, человеку для нормального развития необходимы хромосомы и матери, и отца.

Это встречающееся у человека явление, равно как и эксперименты с мышами, невозможно объяснить моделью, опирающейся только на код ДНК, в которой ДНК является голой молекулой, несущей лишь информацию, зашифрованную в последовательности пар оснований А, Ц, Г и Т. Сама ДНК не несет в себе всю необходимую для создания новой жизни информацию. Кроме генетической информации, для этого требуется нечто еще. Нечто эпигенетическое.

Яйцеклетки и сперматозоиды — в высшей степени специфические клетки, они располагаются на самом дне одной из уоддинпоновских впадин. Яйцеклетка и сперматозоид никогда не смогут стать какими-либо другими клетками и всегда будут оставаться только яйцеклеткой и сперматозоидом. Они могут только слиться между собой. Слившись, эти две высокоспециализированные клетки образуют одну клетку, которая настолько неспециализированная, что является тотипотентной и дает начало каждой клетке человеческого организма, равно как и плаценте. Это зигота, располагающаяся на самой вершине эпигенетического ландшафта Уоддингтона. По мере целения этой зиготы клетки становятся все более и более специфическими, образуя все ткани нашего организма. Из некоторых этих тканей в конечном итоге формируются яйцеклетки или сперматозоиды (в зависимости, понятно, от нашего пола), и весь цикл готов повториться вновь. Это в полном смысле слова непрекращающийся цикл биологии развития.

Хромосомы в пронуклеусах сперматозоидов и яйцеклеток несут в себе огромное количество эпигенетических модификаций. Они являются частью того механизма, который заставляет гаметы вести себя, как надлежит гаметам, и не превращаться в клетки других типов. Но эти гаметы неспособны передавать дальше свои эпигенетические схемы, так как в противном случае оплодотворенная зигота стала бы неким гибридом, состоящим наполовину из сперматозоида и наполовину из яйцеклетки, чего в действительности, как мы понимаем, не происходит. Это совершенно отличная и от сперматозоида, и от яйцеклетки тотипотентная клетка, дающая начало абсолютно новому индивидууму. Каким-то образом модификации яйцеклеток и сперматозоидов преобразуются в принципиально иной набор модификаций, направляющий оплодотворенную яйцеклетку в иное клеточное состояние, на новое место уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. И это часть нормального развития.

Переустановка операционной системы

Почти мгновенно после того как сперматозоид проникает в яйцеклетку, в ней начинают осуществляться разительные превращения. Почти все метилирование мужского пронуклеуса ДНК (то есть полученное от сперматозоида) стирается, и происходит это невероятно быстро. Такие же изменения претерпевает и ДНК женского пронуклеуса, хотя и протекают они намного медленнее. Это означает, что большая часть эпигенетической памяти удаляется из генома. Это жизненно важно для того, чтобы зигота оказалась на вершине уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. Зигота начинает делиться и вскоре образует бластоцисту — «мячик для гольфа внутри теннисного мяча» из Главы 2. Клетки «в мячике для гольфа» — внутриклеточная масса или ВКМ — плюрипотентные, те самые, из которых в лабораторных условиях получают эмбриональные стволовые клетки.

Клетки ВКМ вскоре начинают дифференцироваться и образовывать клетки различных типов нашего организма. Это происходит в процессе предельно жестко регулируемой экспрессии некоторых ключевых генов. Какой-нибудь специфический белок, например ОСТ4, активирует другой набор генов, что приводит к следующей ступени генной экспрессии, и так далее. Мы уже встречались с ocmt4 — это важнейший из генов, которые использовал профессор Яманака для перепрограммирования соматических клеток. Такая каскадная экспрессия генов вызывает эпигенетическую модификацию генома, меняя метки на ДНК и гистонах так, чтобы одни гены оставались активированными, а другие репрессировались. Вот в какой последовательности происходят эпигенетические события на самых ранних этапах развития:

1. Мужской и женский пронуклеусы (из сперматозоида и яйцеклетки соответственно) несут эпигенетические модификации;

2. Эпигенетические модификации утрачиваются (в зиготе сразу же после оплодотворения);

3. Новые эпигенетические модификации занимают их место (и клетки начинают специализироваться).

Это, конечно, существенно упрощенная модель. Несомненно, что ученые могут выделить несколько стадий деметилирования ДНК, имеющих место на втором этапе нашего списка. Однако в действительности все происходит еще намного сложнее, особенно в части, касающейся гистоновых модификаций. Пока одни гистоновые модификации удаляются, другие устанавливаются. В то же время, когда удаляется репрессивное метилирование ДНК, вместе с ним также стираются и определенные гистоновые метки, подавляющие генную экспрессию. Их место могут занять другие гистоновые модификации, которые повышают экспрессию генов. Поэтому было бы слишком наивно полагать, что эпигенетические изменения подразумевают лишь удаление одних и установление других эпигенетических модификаций. В действительности перепрограммируется сам геном.

Именно перепрограммированием занимался Джон Гердон в своих фундаментальных экспериментах, когда переносил ядра взрослых лягушек в лягушачьи икринки. Именно перепрограммирование имело место, когда Кит Кэмпбелл и Иэи Вилмут клонировали овечку Долли, перенеся ядро из клетки молочной железы в яйцеклетку. Именно перепрограммирование осуществил Яманака, когда ввел в соматические клетки четыре ключевых гена, каждый из которых нес информацию о белках с естественно высоким уровнем экспрессии.

Яйцеклетка — удивительная штука, оттачивавшаяся свои качества на протяжении сотен миллионов лет эволюционного развития, чтобы превратиться в чрезвычайно эффективный механизм генерирования огромных количеств эпигенетических изменений, затрагивающих миллиарды пар оснований. Ни один из искусственных способов перепрограммирования клеток не способен даже приблизиться к этому естественному процессу, если вести речь о его скорости и продуктивности. Но яйцеклетка не проделывает все это самостоятельно. По крайней мере, мужской пронуклеус поддается перепрограммированию относительно легко только благодаря модели эпигенетических модификаций, заложенной в сперматозоиде. Перепрограммирование генома сперматозоида — важнейшая и первоочередная задача[58].

К несчастью, эти первичные хроматиновые модификации (как и многие другие функции ядра сперматозоида) утрачиваются, если взрослое ядро перепрограммируется при введении его в оплодотворенную яйцеклетку. То же самое происходит, и когда взрослое ядро перепрограммируется при обработке его четырьмя факторами Яманаки для создания iPS клеток. В обоих случаях полная перезагрузка эпигенома взрослого ядра представляет собой слишком сложную задачу.

Возможно, как раз в этом и заключается причина того, что очень многим клонированным животным свойственны разного рода аномалии и короткая продолжительность жизни. Отклонения, наблюдаемые у таких клонированных животных, являются еще одним подтверждением того, что если ранние эпигенетические модификации окажутся неверными, то таковыми они могут остаться на всю жизнь. Аномальные схемы эпигенетических модификаций приводят к неизменно ошибочной экспрессии генов и, как следствие, к постоянно слабому здоровью.

При нормальном раннем развитии перепрограммирование генома меняет эпигеном гамет и создает новый эгшгеном зиготы. Это создает условия для замены схем экспрессии генов яйцеклетки и сперматозоида схемами экспрессии генов зиготы и переходу на следующий этап развития. Но и при таком перепрограммировании возможны отклонения. Клетки могут аккумулировать неподходящие или аномальные эпигенетические модификации у различных генов. Это нарушает нормальную экспрессию генов и может стать причиной болезни, в чем мы убедимся ниже. Перепрограммирование яйцеклетки и сперматозоида не позволяет им передавать от родителей потомству какие бы то ни было нежелательные эпигенетические модификации, которые они аккумулировали. Происходит не то что бы полное удаление операционной системы, а скорее ее переустановка.

Создание «переключателя»

Но при этом возникает парадокс. Эксперименты Азима Сурани показали, что мужской и женский пронуклеусы функционально неэквивалентны; для появления нового млекопитающего всегда необходим и тот, и другой. Это называется эффектом исходного родителя, поскольку, по сути, он означает, что каким-то образом зигота и ее дочерние клетки способны различать хромосомы матери и отца. Это не генетический, а эпигенетический эффект, поэтому должны быть некие эпигенетические модификации, которые действительно передаются от одного поколения другому.

В 1987 году исследователи из лаборатории Сурани опубликовали одну из первых статей о попытках обнаружить такой механизм. Они выдвинули предположение, что эффект исходного родителя может быть вызван метилированием ДНК. На тот момент известно было лишь о хроматиновой модификации, поэтому их гипотеза стала отличной отправной точкой для дальнейших исследований. Ученые создали генетически модифицированных мышей. Эти мыши отличались наличием дополнительного участка ДНК, который мог вводиться случайным образом в любое место генома. Последовательность ДНК в этом дополнительном участке не представляла для исследователей особого интереса. Куда более важным было то, что они могли легко измерить, насколько сильно метилирована ДНК на этой последовательности, и точно ли передается этот уровень метилирования от родителя потомству.

Азим Сурани с сотрудниками исследовали семь линий мышей с этим избирательно вводимым участком ДНК. В шести линиях уровни метилирования введенной ДНК, переходя от поколения к поколению, оставались прежними. Но в седьмой линии произошло нечто очень странное. Когда мать передавала введенную ДНК, то у ее потомства та всегда оказывалась сильно метилированной. Но если она переходила к потомству от отца, у следующего поколения мышат неизменно был низкий уровень метилирования этого участка ДНК. Графически это представлено на рисунке 7.3.

Черным цветом показана метилированная введенная ДНК, а белым — неметилированная ДНК. Отцы всегда передают потомству белую, неметилированную ДНК, а матери — всегда черную, метилированную ДНК. Другими словами, метилирование ДНК у потомства зависит от пола родителя, передавшего ему эту введенную ДНК. Оно ни в коем случае не обусловлено уровнем метилирования ДНК у самого родителя. Например, у «черного» самца потомство всегда будет с «белой» ДНК.

Рис. 7.3. Мыши, появившиеся с метилированными или неметилированными введенными участками ДНК. Черным цветом представлена метилированная ДНК, а белым — неметилированная. Когда мать передавала эту введенную ДНК, у ее потомства, независимо от того, была ли сама мать «черной» или «белой», та всегда оказывалась сильно метилированной (черной). Противоположную картину мы видим у самцов, потомство которых всегда имело неметилированную, «белую», ДНК. Это стало первой экспериментальной демонстрацией того, что некоторые участки генома могут быть помечены, что позволило определить, были ли они унаследованы по материнской или же по отцовской линии

Эта статья Азима Сурани[59] и еще одна, опубликованная в то же время[60], показали, что когда млекопитающие формируют яйцеклетки и сперматозоиды, они каким-то образом кодируют ДНК в этих клетках. Как будто каждой хромосоме вручается маленький флажок. Хромосомы в сперматозоидах несут флажки, на которых написано: «Я — от папы», а хромосомы в яйцеклетках размахивают похожими флажками со словами: «Я — от мамы». А метилированная ДНК — это ткань, из которой «сшиты эти флажки».

На языке ученых это называется импринтингом — на хромосомах отпечатана информация об их происхождении, о том, от кого из родителей они получены. Эти два вопроса — импринтинг и эффект исходного родителя — мы рассмотрим более подробно в следующей главе.

Что произошло с введенной ДНК в экспериментах, заставив ее менять уровни метилирования при передаче от родителя потомству?

Она—совершенно случайно — вводилась в участок мышиной ДНК, над которым был водружен один из таких флажков. Как следствие, введенная ДНК также стала получать флажки метилированной ДНК, передаваясь от одного поколения другому.

Тот факт, что только у одной из семи линий мышей был продемонстрирован этот эффект, заставляет предположить, что не весь геном «утыкан такими флажками». Если бы геном был целиком помечен таким образом, то мы могли бы ожидать, что подобный эффект проявится у всех линий, подвергнутых экспериментам. Однако такое соотношение одного к шести свидетельствует о том, что «помеченные флажками» участки являются скорее исключениями, чем правилами.

В главе 6 мы убедились, что иногда животные действительно наследуют у родителей приобретенные признаки. Работа Эммы Уайтло, среди прочих, подтверждает, что некоторые эпигенетические модификации в самом деле переходят от родителя к потомству через сперматозоид или яйцеклетку. Этот тип наследования довольно редкий, но само его наличие укрепляет нашу веру в существование неких особых эпигенетических модификаций. Они не подменяются другими, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются для образования зиготы. Значит, хотя подавляющая часть генома текопитающих и перезагружается при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, его незначительный процент остается иммунным к этому перепрограммированию.

Эпигенетическая гонка вооружений

Всего лишь 2 процента нашего генома кодируют белки, и целых его 42 процента состоят из ретротранспозонов. Это очень необычные последовательности ДНК, произошедшие, возможно, от вирусов в нашем далеком эволюционном прошлом. Некоторые из ретротранспозонов транскрибированы для производства РНК, и это может оказывать влияние на экспрессию соседних генов. Для клетки это может иметь самые серьезные последствия. Если, например, экспрессия генов, заставляющих клетку размножаться, станет слишком агрессивной, то эта клетка может переродиться в раковую.

Эта гонка вооружений существует на протяжении всей эволюции, но в наших клетках выработались специальные механизмы для контролирования активности такого типа ретротранспозонов.

Одним из главных механизмов, которыми пользуются для этого клетки, является эпигенетика. Ретротранспозон ДНК метилируется клеткой, в результате чего подавляется экспрессия ретротранспозона РНК. Тем самым РНК лишается возможности вмешиваться в экспрессию соседних генов. Один определенный класс, известный как ретротранспозоны IAP, представляется основной мишенью этого механизма контроля.

Во время перепрограммирования на самых ранних этапах существования зиготы метилирование удаляется с большей части нашей ДНК. Но ретротранспозоны IAP являются исключением. В процессе эволюции механизм перепрограммирования научился проскакивать эти нестандартные ретротранспозоны, оставляя на них метки метилирования ДНК. В результате эти ретротранспозоны удерживаются в эпигенетически подавленном состоянии. Такой механизм сформировался в результате естественного развития, вероятно, для снижения опасности случайного реактивирования этих потенциально опасных ретротранспозонов IAP.

Эго очень важно, поскольку двумя наиболее изученными примерами трансгенерационного наследования негенетических признаков являются мышь агути и мышь AxinFu, с которыми мы уже встречались в предыдущей главе. Фенотипы обеих этих моделей определяются последовательностью уровней метилирования ретротранспозона IAP над геном. Уровни метилирования ДНК родителя перешли к потомству, как и фенотип, вызванный уровнями экспрессии ретротранспозона[61].

В главе 6 мы рассматривали и другие примеры трансгенерационного наследования приобретенных характеристик, включая влияние питания на последующие поколения и трансгенерационное воздействие таких загрязняющих веществ как винклозолин. Исследователи в настоящее время рассматривают возможность того, что эти экологические стимуляторы способны провоцировать эпигенетические изменения в хроматине гамет. Такие изменения, вероятно, происходят в участках, защищенных от перепрограммирования на ранних этапах развития после слияния яйцеклетки и сперматозоида.

Подобно Джону Гердону, Азим Сурани и сегодня продолжает в высшей степени эффективно трудиться в области, первооткрывателем которой он стал. Его работа посвящена вопросу, как и почему яйцеклетки и сперматозоиды кодируют свои ДНК таким образом, чтобы их молекулярная память передавалась следующим поколениям. В большой степени первые эксперименты Азима Сурани были связаны с манипуляциями с ядрами клеток млекопитающих, которые он при помощи крошечных пипеток переносил из одной клетки в другую. Технически это усовершенствованная версия методик, которыми настолько успешно пользовался Джон Гердон пятнадцатью годами ранее. Удивительно приятно думать, что профессор Сурани работает сейчас в исследовательском институте в Кембридже, носящем имя профессора Гердона, и что они часто встречаются в его коридорах или в университетском кафе.

Глава 8. Война полов

В войне полов не может быть победителя.

Противники слишком склонны к братанию.

Генри Киссинджер

Лабораторное насекомое палочник вида Carausius morosus представляет собой очень удивительное существо. Обеспечьте его всего несколькими листиками бирючины, чтобы ему было что пожевать, и уже через несколько месяцев он начнет откладывать яйца. В должное время из них вылупятся симпатичные крошечные палочники, выглядящие как миниатюрные копии взрослых особей. Если одного из таких малышей изолировать сразу после рождения и перевести на собственную «жилплощадь», то и он отложит яйца, из которых, в свою очередь, вылупится очередное поколение палочников. И происходит это вопреки тому факту, что родитель никогда и ни с кем не спаривался.

Палочники часто воспроизводятся подобным образом. Для этого они используют механизм, который называется партеногенезом, что с греческого переводится как «девственное размножение». Самки откладывают оплодотворенные яйца, не спариваясь с самцами, и из этих яиц появляются совершенно здоровые маленькие палочники. У этих насекомых в процессе эволюции развился особый механизм, благодаря которому потомство обеспечивается необходимым количеством хромосом. Но все эти хромосомы они получают только от матери.

Как мы убедились в предыдущей главе, это очень отличается от того, что происходит у мышей и людей. Для нас и наших «родственников» — грызунов, существует единственный способ создания новой жизни — мы должны получить ДНК и от матери, и от отца. Казалось бы, что палочники в высшей степени необычные существа, однако это не так. Исключением являемся как раз мы, млекопитающие. У насекомых, рыб, земноводных, рептилий и даже птиц существуют виды, размножающиеся при помощи партеногенеза. Только млекопитающие этого не умеют. Именно наш класс в животном царстве является «белой вороной», поэтому имеет смысл задать себе вопрос, почему так происходит. Начать искать на него ответы мы можем с определения признаков, характерных только для млекопитающих. Итак, у нас есть волосы или шерсть и три косточки в среднем ухе. Ни один их этих признаков не присутствует у других классов, однако представляется маловероятным, что именно они заставили нас отказаться от «непорочного зачатия». Этот вопрос зависит от гораздо более важных факторов.

Самыми примитивными представителями млекопитающих является небольшое число таких животных как утконос и ехидна, которые откладывают яйца. Следующую за ними ступень на шкале усложнения воспроизводства занимают сумчатые, такие как кенгуру и тасманийский дьявол, у которых рождаются недоразвитые малыши. На протяжении подавляющего большинства этапов своего развития потомство этих видов находится вне материнского организма — в ее сумке. Это тот самый знаменитый карман, расположенный снаружи тела.

Безоговорочно наибольшее представительство в нашем классе принадлежит так называемым плацентарным (или высшим) млекопитающим. Люди, тигры, мыши, синие киты — все мы вынашиваем своих детей одинаково. Наше потомство проходит через действительно долгую фазу развития внутри материнского организма, в матке. В течение этого периода эмбрион получает все необходимые ему питательные вещества через плаценту. Это большое, внешне похожее на блин, образование действует подобно интерфейсу между кровеносными системами плода и матери. На самом деле кровь не перетекает из одной системы в другую. В действительности, две системы расположены настолько близко друг к другу, что такие питательные вещества как сахара, витамины, минералы и аминокислоты могут проникать от матери к плоду. Кислород также поступает из материнской крови в кровь плода. Действует эта связь и в обратном направлении, когда плод избавляется от отработанных газов и других потенциально токсичных веществ, которые поступают непосредственно в кровеносную систему матери.

Это очень впечатляющая система, позволяющая млекопитающим снабжать свое потомство всеми необходимыми веществами на протяжении долгих периодов раннего развития. При каждой беременности образуется новая плацента, но команду о ее формировании отдает не мать. Вся информация об этом поступает от плода. Вспомните еще раз нашу модель ранней бластоцисты из Главы 2. Все клетки бластоцисты являются потомками оплодотворенной одноклеточной зиготы. Клетки, которые в конечном итоге станут плацентой, это клетки «теннисного мячика» на внешней поверхности бластоцисты. Фактически, одно из первых решений, которое принимают клетки, когда только начинают скатываться вниз по склонам эпигенетического ландшафта Уоддингтона, заключается в том, станут ли они в будущем плацентарными или соматическими клетками.

Мы не можем избежать своего (эволюционного) прошлого

Хотя плацента и является великолепно организованной структурой, позволяющей питаться плоду, эта система порождает и ряд «спорных вопросов». Говоря языком бизнеса или политики, возникает конфликт интересов, поскольку, в эволюционном смысле, наши организмы сталкиваются с дилеммой.

Вот как звучит эволюционный императив млекопитающего самца, если преобразовать его в человеческие термины:

Эта беременная самка несет мои гены в виде плода. Возможно, мне никогда больше не доведется спариться с ней. Я хочу, чтобы мой плод стал как можно больше, потому что тогда у него будет максимум шансов передать мои гены дальше.

У самки млекопитающего эволюционный императив совершенно иной:

Я хочу, чтобы этот плод выжил и передал мои гены дальше. Но я не хочу, чтобы для этого он истощил меня до такой степени, что я стану неспособна к воспроизводству. Я хочу иметь не только этот единственный шанс передать дальше свои гены.

Эта война полов у млекопитающих зашла в эволюционный тупик. Целый ряд контролирующих факторов гарантирует, что верх в этом сражении не возьмет ни материнский, ни отцовский геном. Мы сможем лучше понять, как это работает, если снова обратимся к экспериментам Азима Сурани, Давора Собела и Брюса Каттанача.

Это те ученые, которые создавали мышиные зиготы, имевшие только отцовскую или материнскую ДНК.

Искусственно получив в пробирках такие зиготы, исследователи имплантировали их в матку мышей. Ни в одной лаборатории из этих зигот никогда не рождались живые мыши. Однако зиготы некоторое время развивались в матке, но с заметными аномалиями. Причем аномалии эти были довольно разными, в зависимости oi того, от матери или от отца были получены все хромосомы.

В обоих случаях немногие эмбрионы, которым все же удалось сформироваться, были маленькими и отстающими в своем развитии. Когда все хромосомы являлись материнскими, плацентарные ткани оказывались сильно недоразвитыми[62]. Если все хромосомы были получены от отца, то эмбрион еще более отставал в росте, ко плацентарные ткани у него формировались лучше[63]. Ученые создали эмбрионы из смеси этих клеток — клеток, имевших унаследованные только у отца или у матери хромосомы, но и эти эмбрионы не смогли развиться в полноценный, готовый к рождению плод. При их исследовании ученые обнаружили, что все ткани таких эмбрионов состояли только из материнских клеток, в то время как клетки тканей плаценты оказались исключительно отцовскими[64].

Эти данные дают возможность предположить, в мужских хромосомах существует определенный фактор, инициирующий программу развития плаценты, а полученный от матери геном по большей мере на сориентирован эмбрион, а не на плаценту. Как это согласуется с конфликтом или эволюционным императивом, изложенным в начале этой главы? Плацента является своего рода порталом, через которые питательные вещества, циркулирующие в материнском организме, поступают в плод. Полученные от отца хромосомы запускают развитие плаценты и тем самым создают механизмы «переадресации» как можно больших количеств питательных веществ из материнской кровеносной системы в организм плода. Материнские хромосомы действуют в противоположном направлении, и в условиях нормальной беременности создается четко уравновешенная патовая ситуация.

Сам собой напрашивается вопрос — все ли хромосомы важны для получения такого результата? Для поисков ответа на него Брюс Каттанач проводил сложные генетические эксперименты на мышах. Его подопытные мыши имели хромосомы, порядок которых был изменен. Проще говоря, у каждой мыши было требуемое число хромосом, но между собой они были «склеены» иначе, чем это бывает в природе. Ему удалось создать мышей, абсолютно точно передававших по наследству аномалии своих хромосом. Например, он смог вывести мышей, унаследовавших обе копии определенной хромосомы только от одного родителя.

В первых экспериментах, ставших достоянием гласности, он работал с мышиной хромосомой 11. Из всех остальных пар хромосом мыши наследовали по одной материнской и одной отцовской хромосоме в каждой паре. Но исключением стала хромосома 11, поскольку Брюс Каттенач вывел мышей, которые наследовали две копии материнской хромосомы 11 и ни одной копии отцовской, или же наоборот. Полученные им результаты представлены на рисунке 8.1[65].

Рис. 8.1. Брюс Каттенач создал генетически модифицированных мышей, у которых он мог контролировать наследование определенного участка хромосомы 11. Изображенная в середине мышь унаследовала по одной копии у каждого родителя. Мышь, унаследовавшая обе копии у матери, оказалась мельче нормальной мыши. Напротив, мышь, унаследовавшая обе копии у отца, была крупнее нормальных размеров

Эти результаты в очередной раз подтверждают мысль о том, что существуют некие факторы в отцовских хромосомах, способствующие развитию более крупного потомства. Факторы материнских хромосом или действуют в «противоположном направлении», или ведут себя, по большому счету, нейтрально.

Как мы выяснили в предыдущей главе, эти факторы являются эпигенетическими, а не генетическими. Рассматривая предложенный выше пример, давайте предположим, что родители происходят из одной и той же инбредной линии, то есть генетически они идентичны. Если мы исследуем последовательности обеих копий хромосомы 11 у каждого из трех типов потомства, то обнаружим, что они совершенно одинаковы. В них будут содержаться те же самые миллионы пар оснований А, Ц, Г и Т, расположенных в том же самом порядке. Но на функциональном уровне эти две копии хромосомы 11 ведут себя абсолютно по-разному, что отражено в разных размерах мышей, принадлежащих к различным типам. Следовательно, должны существовать эпигенетические различия между материнскими и отцовскими копиями хромосомы 11.

Подовая дискриминация

По той причине, что две копии этой хромосомы ведут себя различно, и эти различия зависят от исходного родителя, хромосома 11 называется импринтинговой хромосомой. В нее впечатана информация об ее происхождении. По мере расширения наших представлений о генетике мы стали понимать, что лишь определенные участки хромосомы 11 несут на себе такую информацию. Есть большие области, где не имеет никакого значения, от кого из родителей получена та или иная хромосома, и области, в которых оба родителя действуют на одинаковых правах. Существуют также и целые хромосомы, не являющиеся импринтинговыми и не несущие в себе никакой информации.

До сих пор при описании импринтинга мы пользовались в основном феноменологической терминологией. Импринтинговые участки представляют собой отрезки генома, где мы можем определить влияние исходного родителя на потомство. Но как эти участки переносят такие эффекты? В импринтинговых областях определенные гены активированы или репрессированы в зависимости от того, у кого они были унаследованы. В приведенном выше примере хромосомы 11 гены, связанные с ростом плаценты, активированы и очень активны в копии этой хромосомы, полученной от отца. Это влечет за собой риски недостатка питательных веществ для матери, которая носит плод, и для их нейтрализации включается компенсаторный механизм. Копии тех же генов материнской хромосомы репрессируются, и это ограничивает рост плаценты. Кроме того, могут быть и другие гены, уравновешивающие влияние отцовских генов, и эти уравновешивающие гены могут быть экспрессированы, главным образом, с материнской хромосомы.

Для понимания молекулярной биологии этих эффектов предприняты огромные усилия. Недавно, например, ученые исследовали определенную область мышиной хромосомы 7. На этом участке находится ген, который называется инсулиноподобным фактором роста 2 или Igf2 (от английского insulin-like growth factor 2). Белок Igf2, способствующий росту эмбриона, обычно экспрессируется только с полученной от отца копии хромосомы 7. Исследователи ввели в этот ген мутационные изменения, не позволявшие гену нести информацию о функциональном белке Igf2. Затем они изучили результаты влияния этого вмешательства на потомство. Когда мутация передавалась от матери, новорожденные мыши выглядели совершенно так же, как любые другие. Объясняется это тем, что ген Igf2 в любом случае обычно выключен на материнской хромосоме, поэтому то, что материнский ген был подвергнут мутации, не имело никакого значения. Но когда мутировавший ген Igf2 передавался потомству от отца, мышата в помете рождались намного мельче обычных размеров. Причина этого была в том, что одна копия гена Igf 2, на которую они «рассчитывали» как на фактор, обеспечивающий активный рост плода, оказалась подавленной мутацией[66].

В мышиной хромосоме 17 есть ген, называемый Igf2Ir. Белок, кодируемый этим геном, «стирает» белок Igf2 и не позволяет ему выполнять свои функции стимулятора роста. Ген Igf2r также является импринтинговым. Поскольку белок Igf2r оказывает «противоположное» влияние на белок Igf2, отвечающего за рост плода, то вы, наверное, не будете удивлены, узнав, что ген Igf2r обычно экспрессируется с материнской копии хромосомы 17[67].

Ученые выявили около 100 импринтинговых генов у мышей и почти половину этого числа — у человека. Пока точно не известно, действительно ли у человека меньше импринтинговых генов, чем у мыши, или же их просто сложнее обнаружить экспериментальным путем. Импринтинг возник в результате эволюции около 150 миллионов лет назад[68], и в действительно больших масштабах он присутствует только у плацентарных млекопитающих. Его наличие не обнаружено у представителей классов, которые размножаются с помощью партеногенеза.

Импринтинг представляет собой весьма непростую систему, и, как любой сложный механизм, он может ломаться. Нам уже известно о том, что определенные заболевания у человека возникают в связи с проблемами в функционировании механизма импринтинга.

Когда импринтинг дает сбои

Синдром Прадера—Вилли (СПВ) получил свое название по фамилиям двух ученых, первыми описавших это состояние[69]. СПВ поражает приблизительно одного из каждых двадцати тысяч новорожденных. Младенцы отличаются пониженной массой тела, и их мышечная система сильно ослаблена. В раннем младенчестве их бывает очень сложно кормить, в результате чего они растут крайне медленно. Через несколько лет все меняется кардинальным образом. Они испытывают непрекращающийся голод, поэтому постоянно переедают, что приводит к опасным формам ожирения. Наряду с другими характерными признаками, такими как маленькие ступни и кисти, задержки в развитии речи и бесплодие, людям, страдающим СПВ, часто свойственна умственная отсталость слабой или средней степени. Кроме того, у них присутствуют поведенческие отклонения, включая неконтролируемые вспышки гнева[70].

Существует и другое заболевания, поражающее приблизительно такое же количество людей, как и СПВ. Оно называется синдромом Ангельмана (СА), который, как и СПВ, назван в честь исследователя, впервые описавшего это состояние[71]. Деги с СА демонстрируют слабоумие в тяжелых формах, у них уменьшенный размер мозга и почти отсутствует речь. Пациенты, страдающие СА, часто подвержены приступам спонтанного смеха, случающимся без всяких на то оснований, и по этой причине в клинических кругах за ними закрепилась возмутительно бестактная характеристика «счастливых кукол»[72].

Родители детей, пораженных и СПВ, и СА, обычно являются совершенно здоровыми людьми. Исследователи выдвинули предположение, что главная причина развития каждого из этих заболеваний заключается, возможно, в серьезных дефекгах хромосом. Так как родители этим эффектам не подвержены, нарушения, вероятно, возникли во время образования сперматозоидов или яйцеклеток.

В 1980-х годах исследователи, изучавшие СПВ, пользовались разнообразными стандартными техниками, пытаясь обнаружить глубинную причину этого состояния. Они искали в геноме области, которые бы различались у здоровых и подверженных этому заболеванию детей. Ученые, занимавшиеся СА, делали, в принципе, то же самое. К середине 1980-х годов стало ясно, что обе группы исследователей изучают одну и ту же часть генома, а именно определенный участок хромосомы 15. У пациентов, страдающих как СПВ, так и СА, был утрачен один и тот же маленький участок этой хромосомы.

Но клиническая картина этих двух нарушений была абсолютно разной. Никто и никогда не спутал бы больного СПВ с больным, страдающим синдромом Ангельмана. Как могла одна и та же генетическая проблема—утрата определенного участка хромосомы 15 — привести к настолько различающимся симптомам?

В 1989 году группа исследователей из Детской больницы Бостона показала, что первостепенную важность имеет не сам факт отсутствия этого участка, а то, каким образом его отсутствие было унаследовано. Представленные ими выводы показаны на рисунке 8.2. Когда аномальная хромосома наследовалась у отца, ребенок приобретал СПВ. Если же такая же аномалия хромосомы передавалась от матери, то у ребенка развивался СА[73].

Рис. 8.2. Двое детей могут иметь хромосому 15 с одним и тем же отсутствующим участком — на рисунке ей соответствует укороченная горизонтальная полоска с одним пропущенным фрагментом. Но фенотип этих детей будет разным в зависимости от того, кто из родителей передал им эту аномальную хромосому. Если аномальная хромосома была унаследована от отца, у ребенка разовьется синдром Прадера—Вилли. Если же аномальная хромосома была унаследована от матери, ребенок приобретет синдром Ангельмана. который очень сильно отличается от синдрома Прадера—Вилли.

Это явный случай эпигенетического наследования родительского дефекта. Дети с СПВ и СА имеют абсолютно одинаковую генетическую проблему — у них отсутствует один и тот же участок хромосомы 15. Единственное различие заключается в том, как они унаследовали эту аномальную хромосому. Это еще один пример влияния исходного родителя.

Существует и другой путь, которым больные могут наследовать СПВ или СА. У некоторых людей, страдающих этими заболеваниями, присутствуют две совершенно нормальные копии хромосомы 15. В этих копиях нет пропущенных звеньев или других мутаций какого бы то ни было типа, однако у детей развиваются такие заболевания. Чтобы понять, как такое может происходить, стоит вспомнить о мышах, наследовавших обе копии хромосомы 11 от одного родителя. Те же исследователи, которые раскрыли секрет возникновения СПВ из-за отсутствующего участка хромосомы, обнаружили, что в отдельных случаях этого заболевания у детей присутствуют две нормальные хромосомы 15. Проблема же заключается в том, что обе они были унаследованы у матери, и ни одной — у отца. Это явление известно под названием однородительская дисомия — две хромосомы наследуются у одного родителя[74]. В 1991 году коллектив исследователей из Института детского здоровья в Лондоне выяснил, что в некоторых случаях СА также может вызываться однородительской дисомией, но противоположной СПВ формы. У таких детей присутствуют две нормальные копии хромосомы 15, но обе они унаследованы у отца[75].

Это является очередным доказательством того, что СПВ и СА принадлежат к числу эпигенетических заболеваний. Дети с однородительской дисомией хромосомы 15 наследовали абсолютно нормальное количество ДНК, но только не от каждого из родителей. В их клетках содержались все нужные гены и в нужных количествах, но это не уберегло их от столь серьезного заболевания.

Для нас очень важно наследовать этот довольно маленький участок хромосомы 15 надлежащим образом, поскольку он является импринтинговым. На этом участке содержатся гены, которые экспрессируются только или с материнской, или с отцовской хромосомы. Один из таких генов называется UBE3A. Этот ген важен для нормального функционирования мозга, но экспрессируется он только с унаследованного у матери гена в этой ткани. А что будет, если ребенок не унаследует копию UBE3A у матери? Такое может произойти, если обе копии UBE3A будут получены от отца из-за однородительской дисомии хромосомы 15. При другом варианте развития событий ребенок может унаследовать копию хромосомы 15 у матери, в которой отсутствовал ген UBE3A, поскольку часть хромосомы была утрачена. В обоих случаях в мозгу у ребенка не будет экспрессироваться белок UBE3A, а это приведет к развитию симптомов синдрома Ангельмана.

С другой стороны, существуют гены, которые обычно экспрессируются только с отцовской версии этого участка хромосомы 15. В их число входит ген SNORD116, хотя и другие не менее важны. Рассматривая тот же сценарий, в котором фигурировал ген UBE3A, мы всего лишь поменяем местами слова «материнский» и «отцовский». Если ребенок не унаследует этот участок хромосомы 15 у отца, у него разовьется синдром Прадера—Вилли.

Можно привести еще множество примеров импринтинговых нарушений у человека. Наиболее известным из них является синдром Беквита—Видеманна, названный, как и оба предыдущих, по фамилиям исследователей, впервые описавших это заболевание в медицинской литературе[76][77]. Для этого заболевания характерен чрезмерный рост тканей, в результате которого дети рождаются с непомерно развитыми мышцами, в том числе и языком, и целым рядом других симптомов[78]. Механизм возникновения этого состояния несколько отличается от того, который мы описали выше. Когда при синдроме Беквита—Видеманна импринтинг передается некорректно, материнская и отцовская копии гена в хромосоме 11 включаются одновременно, тогда как экспрессироваться должна только полученная от отца версия. Ключевым геном здесь, вероятно, является igf2, несущий информацию о белке фактора роста, с которым мы уже встречались, когда обсуждали мышиную хромосому 7. При экспрессировании двух копий этого гена, вместо одной, вырабатывается вдвое больше белка IGF2, чем это необходимо, и плод растет слишком интенсивно.

Противоположным по фенотипу синдрому Беквита—Видеманна состоянием является синдром Рассела—Силвера[79][80]. Для детей, страдающим этим заболеванием, характерен замедленный рост до и после рождения, а также и другие симптомы, связанные с поздним развитием[81]. В большинстве случаев это расстройство также вызывается нарушениями на том же участке хромосомы 11, что и при синдроме Беквита—Видеманна, но в случае синдрома Рассела—Силвера экспрессия белка IGF2 подавляется, и рост плода замедляется.

Эпигенетический импринтинг

Итак, под импринтингом подразумевается ситуация, когда экспрессируется только один из пары генов, и эта экспрессия может быть или материнской, или отцовской. Чем контролируется включение какого-либо гена? Наверное, для вас не станет неожиданностью то, что действительно большую роль в этом процессе играет метилирование ДНК. Метилирование ДНК на хромосоме отключает гены на этой хромосоме. Другими словами, если унаследованный от отца регион хромосомы метилирован, это значит, что полученный от отца ген подавлен.

Давайте в качестве примера рассмотрим ген UBE3A, с которым мы познакомились при обсуждении синдромов Прадера—Вилли и Ангельмана. Обычно в копии, унаследованной от отца, содержится метилированная ДНК, и этот ген выключен. На копии, унаследованной от матери, нет такой метки метилирования, и этот ген включен. Нечто подобное происходит с геном Igf2r у мышей. Отцовская версия его обычно метилирована, и ген неактивен. Материнская версия того же гена неметилирована, и ген экспрессируется.

Если роль метилирования ДНК и не стала сюрпризом, то вы, возможно, будете удивлены, узнав, что метилируется часто вовсе не тело гена. Часть гена, несущая информацию о белке, окажется, по большому счету, эпигенетически одинаковой, если мы будем сравнивать материнскую и отцовскую копию хромосомы. А вот участок хромосомы, контролирующий экспрессию гена, метилируется у двух геномов по-разному.

Представьте, что дивным летним вечером вы гостите у друзей и прогуливаетесь по саду, едва освещенному расставленными среди растений декоративными светильниками. К сожалению, удивительная атмосфера постоянно нарушается оттого, что бродящие по саду гости то и дело попадают в поле обзора детекторов движения, и система безопасности автоматически включает мощные прожекторы. Они установлены слишком высоко на стене, чтобы на них можно было что-то набросить и спрятаться от их слепящего света, но, наконец-таки, до гостей доходит, что накрывать прожекторы нет необходимости. Нужно накрыть Датчики, реагирующие на движение и включающие свет. Это во многом похоже на то, что происходит при импринтинге.

Метилирование, или его отсутствие, имеет место на участках, которые называются регионами контроля импринтинга. В некоторых случаях механизм контроля импринтинга очень прост и легок для понимания. Участок промотора гена метилируется на гене, унаследованном у одного из родителей, и не метилируется на гене, полученном от другого родителя. Такое метилирование сохраняет ген в репрессированном состоянии. Этот механизм работает, когда единственный ген в каком-либо участке хромосомы является импринтинговым. Но многие импринтинговые гены могут собираться в пучки и располагаться очень близко друг к другу на общем для них участке одной хромосомы. Одни гены в таких пучках будут экспрессироваться с полученной от матери хромосомы, другие — с унаследованной от отца. Метилирование ДНК по-прежнему остается ключевым требованием, но правильно выполнять свои функции ему помогают другие факторы.

Область контроля импринтинга может действовать на больших расстояниях, и определенные участки могут связывать крупные белки. Эти белки ведут себя подобно городским дорожным заставам, изолируя друг от друга различные участки хромосомы. Такое распределение функций между различными генами придает процессу импринтинга дополнительный уровень сложности. Благодаря этому область контроля импринтинга может управлять многими тысячами пар оснований, но это не означает, что на каждый отдельный ген в этих тысячах пар оснований оказывается одинаковое воздействие. Разные гены в определенных импринтинговых участках хроматина могут ответвляться от своей хромосомы и контактировать друг с другом так, что репрессированные гены связываются в своего рода хроматиновые узлы. Активированные гены из того же участка хромосомы могут сцепляться друг с другом и образовывать собственные узлы.[82].

Интенсивность импринтинга варьируется от ткани к ткани. Особенно активно импринтинговые гены экспрессируются в плаценте. Именно этого мы и должны были ожидать от нашей модели импринтинга как средства уравновешивания потребностей в ресурсах материнского организма. Не в меньшей степени влиянию импринтинга, как оказалось, подвержен и мозг. Причины этого явления не столь очевидны и потому не очень ясны. В данном случае труднее объяснить контроль исходного родителя над экспрессией генов в мозге борьбой за питательные вещества, которая имеет место в плацентарной ткани. Профессор Гудрун Мур из медицинского колледжа Лондонского университета выдвинула по этому поводу интригующую гипотезу. Она предположила, что высокие уровни импринтинга в мозге представляют собой послеродовое продолжение войны иолов. По ее мнению, некоторые мозговые импринты являются попытками отцовского генома спровоцировать юное потомство на поведение, которое вынудило бы мать продолжать расходовать ресурсы своего организма, как это происходит, например, при продолжительном грудном кормлении[83].

Количество импринтинговых генов довольно невелико, их значительно меньше 1 процента от числа всех генов, несущих информацию о белках, и даже этот ничтожный процент представлен не во всех тканях. Во многих клетках экспрессия копий, унаследованных от отца и матери, одинакова. Происходит это не потому, что схемы метилирования различаются от ткани к ткани, а по той причине, что клетки варьируются по способам, которыми они «прочитывают» это метилирование.

Схемы метилирования ДНК на участках контроля импринтинга присутствуют во всех клетках организма и показывают, кто из родителей передал потомству свою копию хромосомы. Это дает нам очень важную информацию об областях импринтинга. Они должны уклоняться от перепрограммирования, происходящего после того, как сперматозоид и яйцеклетка, слившись, образуют зиготу. В противном случае привносимые метилированием модификации оказались бы стертыми, и клетки не смогли бы определить, кем из родителей были переданы те или иные хромосомы. Подобно тому, как ретротранспозоны IAP остаются метилированными в процессе перепрограммирования зиготы, действуют и развившиеся в процессе эволюции особые механизмы, защищающие области импринтинга от этого широкомасштабной утраты факторов метилирования. Ученым пока не до конца понятно, как это происходит, но такое явление жизненно важно для нормального развития и здоровья.

Устанавливаем импринт, убираем импринт…

Однако это ставит перед нами еще один вопрос. Если импринтинговые метки метилирования ДНК настолько стабильны, то, как они меняются, передаваясь of родителей потомству? Мы знаем, что они действительно меняются, благодаря экспериментам Азима Сурани с мышами, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Его опыты продемонстрировали, что метилирование последовательности, контролируемой в экспериментальных целях, менялось при переходе к следующему поколению. Речь идет о том эксперименте из предшествующей главы, в котором мы рассказывали о мышах с «черной» и «белой» ДНК.

Честно говоря, как только ученые обнаружили, что эффект исходного родителя действительно имеет место, они предсказали существование некого способа перезагрузки эпигенетических меток, еще до того, как узнали, чем эти метки являются. Давайте для примера рассмотрим хромосому 15. Я унаследовала одну копию этой хромосомы от матери, и одну — от отца. Область контроля импринтинга UBE3A, полученной от матери, была неметилированной, тогда как та же область хромосомы, переданной мне отцом, была метилированной. Это обеспечило необходимые схемы экспрессии белка UBE3 А в моем мозге.

Когда в моих яичниках формируются яйцеклетки, в каждой из них содержится лишь по одной копии хромосомы 15, которую я передам своему ребенку. Так как я женщина, каждая копия хромосомы 15 должна нести материнскую метку на UBE3A. Но на одной из моих копий хромосомы 15 оказалась отцовская метка, которую я унаследовала от отца. Единственный вариант, при котором я могу быть уверена, что передам своим детям хромосому 15 с правильной материнской меткой, подразумевает, что мои клетки знают способ, как удалить отцовскую метку и поставить вместо нее метку материнскую.

Очень похожий процесс происходит и в том случае, когда мужчины вырабатывают сперматозоиды. Все приобретенные от матери модификации должны быть стерты с импринтинговых генов, а их место должны занять модификации, полученные от отца. Именно это в действительности и происходит. Это очень специфический процесс, происходящий только в клетках, дающих начало зародышевой линии.

Основной принцип действия этого механизма схематично показан на рисунке 8.3.

Рис. 8.3. На диаграмме показано, что все соматические клетки, возникающие из оплодотворенной зиготы, несут те же схемы метилирования ДНК, что и любые другие, на импринтинговых генах, но на половых клетках импринтинговое метилирование удаляется, а затем устанавливается заново. Это гарантирует, что женщины передадут потомству только материнские Мётки, а мужчины — только отцовские

После слияния яйцеклетки и сперматозоида формируется бластоциста, и большинство регионов генома перепрограммируются. Клетки начинают дифференцироваться, преобразуясь в предшественников плаценты и разнообразных типов клеток организма. Так что на этом этапе клетки, являвшиеся частью ВКМ, маршируют стройными рядами под барабанный бой процесса развития вниз по склонам многочисленных желобов эпигенетического ландшафта Уоддингтона. Но очень незначительное число клеток (которых меньше 100) начинают прислушиваться к совсем другому ритму. В этих клетках включается ген под названием BLIMP 1. Белок BLIMP 1 отдает этим клеткам команду не торопиться к своим соматическим тупикам. И тогда они начинают возвращаться вверх по уоддингтоновским траншеям[84]. Кроме того, по пути они теряют свои импринтинговые метки, сообщавшие клетке, кем из родителей на каждой паре хромосом они были оставлены.

Крошечная группка клеток, участвующих в этом процессе, называется первичными половыми клетками. Именно эти клетки в конечном итоге сформируют гонады (яички или яичники) и будут вести себя как стволовые клетки, вырабатывающие гаметы (сперматозоиды и яйцеклетки соответственно). На стадии, описанной в предыдущем абзаце, первичные половые клетки возвращаются в состояние, более похожее на то, в котором пребывают клетки внутриклеточной массы (ВКМ). По существу, они становятся плюрипотентными, потенциально способными преобразоваться в большинство типов тканей организма. Эта стадия очень скоротечна. Первичные половые клетки быстро направляются по новому пути развития, на котором они, дифференцируясь, превращаются в стволовые клетки, дающие начало яйцеклеткам и сперматозоидам. Чтобы это стало возможным, они приобретают новый набор эпигенетических модификаций. Некоторые из этих модификаций определяют специфику клетки, то есть активируют гены, делающие яйцеклетку яйцеклеткой. А незначительное количество других модификаций служат метками исходного родителя с той целью, чтобы у следующего поколения импринтинговые регионы генома могли быть отождествлены с соответствующим исходным родителем.

Все это кажется ужасно сложным. Если мы пройдем путь, начинающийся с оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки и заканчивающийся образованием нового сперматозоида у потомства мужского пола, то основные его вехи будут следующими:

1. Сперматозоид, проникающий в яйцеклетку, несет на себе эпигенетические модификации;

2. Эти эпигенетические модификации утрачиваются, за исключением тех, которые находятся на импринтинговых регионах (в зиготе, немедленно после оплодотворения);

3. Устанавливаются новые эпигенетические модификации (когда клетки ВКМ начинают специализироваться);

4. Эти эпигенетические модификации утрачиваются, включая и те, которые находятся на импринтинговых регионах (когда первичные половые клетки поворачивают вспять с пути соматической дифференциации);

5. Устанавливаются новые эпигенетические модификации (когда начинают формироваться сперматозоиды).

На первый взгляд может показаться, что это излишне витиеватый способ возвращения к тому, с чего все начиналось, однако он продиктован необходимостью.

Модификации, делающие сперматозоид сперматозоидом, а яйцеклетку яйцеклеткой, должны быть удалены на стадии 2, иначе зигота не сможет стать тотипотентной. Вместо этого она будет содержать в себе геном, на одну половину запрограммированный на то, чтобы стать яйцеклеткой, и на другую половину — чтобы стать сперматозоидом. Развитие будет невозможным, если унаследованные модификации останутся нетронутыми. Но для образования первичных половых клеток некоторые клетки из дифференцирующейся ВКМ должны утратить свои эпигенетические модификации. Только при этом условии они смогут стать временно более плюрипотентными, утратить свои импринтинговые метки и начать специализироваться как половые клетки.

Как только первичные половые клетки обращаются в своем развитии вспять, геном подвергается очередным эпигенетическим модификациям. Происходит это отчасти по той причине, что при развитии многоклеточного организма плюрипотентные клетки потенциально чрезвычайно опасны. Казалось бы, как было бы удобно, если бы клетки нашего организма могли делиться безостановочно и давать начало множеству клеток других типов, однако это далеко не так. Именно таким образом ведут себя раковые клетки. Поэтому в процессе эволюции предпочтение было отдано механизму, при котором первичные половые клетки могут на короткий период восстановить плюрипотентность, но затем она вновь подавляется эпигенетическими модификациями. Это вкупе с утратой импринтов приводит к тому, что хромосомы могут быть заново помечены своим исходным родителем.

Иногда этот процесс установления новых импринтов на предшественников яйцеклеток или сперматозоидов может давать сбои. Именно так и происходит при синдромах Ангельмана и Прадера—Вилли, когда импринты не стираются должным образом на стадии первичных половых клеток[85]. Например, у женщины могут сформироваться яйцеклетки, в которых хромосома 15 несет на себе отцовскую метку, унаследованную ею от своего отца, а не необходимую материнскую метку. Когда такая яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, обе копии хромосомы 15 будут действовать как отцовские хромосомы и создадут фенотип, наблюдаемый при однородительской дисомии.

И сегодня ученые продолжают исследования того, как и чем контролируются все эти процессы. Мы пока еще не полностью понимаем, каким образом импринты защищены от перепрограммирования после слияния яйцеклетки и сперматозоида, и как они лишаются этой защиты на стадии первичных половых клеток. Также мы не до конца знаем, как именно новые импринты оказываются на нужных местах. Эта картина по большей части все еще покрыта туманом, хотя некоторые ее детали уже начинают проступать из мглы.

Возможно, участие в этом принимает небольшой процент гистонов, присутствующих в геноме спермы. Многие из них расположены в регионах контроля импринтинга и могут защищать эти регионы от перепрограммирования после слияния сперматозоида и яйцеклетки[86]. Гистоновые модификации также играют свою роль в установлении «новых» импринтов во время формирования гаметы. Представляется важным, чтобы области контроля импринтинга утрачивали все гистоновые модификации, влияющие на активацию генов. Только после этого может быть добавлено постоянное метилирование ДНК[87]. Именно это постоянное метилирование ДНК отмечает гены репрессивными импринтами.

Долли и ее дочери

Перепрограммирование, происходящее в зиготе и первичных половых клетках, оказывает огромное влияние на поразительно широкий круг эпигенетических явлений. Когда в лабораторных условиях перепрограммируют соматические клетки с помощью факторов Яманаки, только самый незначительный процент из них образует iPS клетки. Они далеко не являются точными копиями ЭС клеток — настоящих плюрипотентных клеток из внутриклеточной массы бластоцисты. Группа ученых из Бостона, работающих в Массачусетской центральной больнице и Гарвардском университете, исследовала генетически идентичные iPS и ЭС клетки мышей. Они искали в этих клетках гены, которые отличались бы в экспрессии у двух типов клеток. Единственное существенное различие в экспрессии обнаружилось на хромосомном участке Dlk1-Dio3[88]. Несколько iPS клеток этого участка экспрессировали гены очень близко к тому, как это делают ЭС клетки. Это были наиболее подходящие iPS клетки для формирования самых разных тканей организма.

Dlk1-Dio3 является импринтинговой областью мышиной хромосомы 12. Пожалуй, нет ничего удивительного в том, что импринтинговый регион оказался настолько важным. Техника Яманаки запускает процесс перепрограммирования, который в природе начинается после слияния сперматозоида с яйцеклеткой. При нормальном развитии импринтинговые области генома устойчивы к перепрограммированию. Похоже, что они представляют собой слишком серьезное препятствие для перепрограммирования, происходящего при методе Яманаки в полностью искусственной среде.

Регион Dlk1-Dio3 уже давно привлекает к себе внимание исследователей. У людей однородительская дисомия в этом участке связана, наряду с другими симптомами, с отклонениями в росте и развитии[89]. Эта область также, как выяснилось, крайне важна для предотвращения партеногенеза, по меньшей мере, у мышей. Ученые из Японии и Южной Кореи проводили генетические эксперименты над этим участком мышиного генома. В лабораторных условиях они воссоздали оплодотворенную яйцеклетку с двумя женскими пронуклеусами. Участок Dlk1-Dio3 в одном из пронуклеусов был изменен таким образом, что в нем оказался эквивалент отцовского, а не материнского, импринта. Родившиеся в результате этого эксперимента живые мыши стали первым образцом плацентарного млекопитающего с двумя материнскими геномами[90].

Перепрограммирование, происходящее в первичных половых клетках, не является абсолютно всеобъемлющим. Оно почти не затрагивает метилирование на некоторых ретротранспозонах IAP. Уровень метилирования ДНК ретротранспозона AxinFu в сперматозоиде совершенно такой же, как и в соматических клетках той же линии мышей. Это говорит о том, что при перепрограммировании первичных половых клеток метилирование ДНК не утрачивается даже несмотря на то, что большинство других областей генома утрачивает эту модификацию. Такая устойчивость ретротранспозона AxinFu к эпигенетическому перепрограммированию на обоих уровнях (в зиготе и в первичных половых клетках) и является механизмом трансгенерационного наследования признака извилистого хвоста, с которым мы встречались в предыдущих главах.

Мы знаем, что не все процессы трансгенерационного наследования происходят одинаковым образом. У мышей агути фенотип передается по линии матери, а не отца. В этом случае метилирование ДНК на ретротранспозоне IAP утрачивается и у отцов, и у матерей во время обычного перепрограммирования первичных половых клеток. Однако матери, ретротранспозон которых изначально нес метилированную ДНК, передают своему потомству особую гистоновую метку. Она является репрессивной гистоновой модификацией и действует как сигнал для механизма метилирования ДНК. Этот сигнал привлекает ферменты, которые запускают репрессивное метилирование ДНК на определенный участок хромосомы. Окончательный результат оказывается всегда одинаковым — метилирование ДНК матери восстанавливается и у потомства. Самцы мышей агути не передают факторы ни метилирования ДНК, ни репрессивных гистоновых модификаций на ретротранспозоне, и по этой причине наследование фенотипа происходит только по материнской линии[91].

Это несколько более косвенный способ передачи эпигенетической информации. Вместо непосредственного перенесения метилирования ДНК используется его промежуточный заменитель (репрессивная гистоновая модификация). Вероятно, поэтому передача фенотипа по материнской линии оказывается слегка «смазанной». Не все потомство рождается точно таким же, как мать, потому что при переустановке метилирования ДНК остается небольшая «возможность для маневра».

Летом 2010 года в британской прессе появились сообщения о клонировании сельскохозяйственных животных. Мясо, получаемое от потомства клонированных коров, вошло в пищевую цепочку человечества[92]. Не самих клонированных коров, а только их потомства, появившегося на свет уже естественным путем. Хотя среди этих публикаций и проскальзывали устрашающие истории о людях, которым помимо их воли навязывают «франкен-говядину», в целом реакция средств массовой информации была довольно спокойной.

Такое позитивное отношение было вызвано, по меньшей мере, отчасти, весьма любопытным феноменом, несколько сгладившим тревоги, которые испытывали некоторые ученые перед возможными последствиями клонирования. Когда клонированные животные размножаются естественным путем, их потомство оказывается здоровее своих родителей. Почти наверняка причина этого заключается в перепрограммировании первичных половых клеток. Для создания клонированного животного соматическое ядро переносится в яйцеклетку. Это ядро проходит только через первую стадию перепрограммирования, ту самую, которая имеет место в естественных условиях, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку. Скорее всего, это эпигенетическое перепрограммирование оказывается не абсолютно эффективным, так как заставить яйцеклетку перепрограммировать «не то» ядро — задача нереальная. Вероятно, по этой причине сами клонированные животные и не отличаются богатырским здоровьем.

Когда клонированные животные размножаются естественным образом, они передают потомству или сперматозоид, или яйцеклетку. Прежде чем клон произведет эти гаметы, его первичные половые клетки пройдут через второй цикл перепрограммирования, как это происходит с ними в нормальных условиях. Эта вторая стадия перепрограммирования, очевидно, и перезагружает эпигеном должным образом. Гаметы утрачивают аномальные эпигенетические модификации своих клонированных родителей. Эпигенетикой объясняется не только слабое здоровье клонированных животных, но и отсутствие подобных проблем у их потомства. В действительности, потомство клонированных животных практически неотличимо от животных, родившихся естественным путем.

Вспомогательные репродуктивные технологии (такие как искусственное оплодотворение) сочетают в себе определенные технические аспекты с некоторыми методиками, применяемыми в клонировании. В частности, плюрипотентное ядро может переноситься между клетками, и клетки выращиваются в лаборатории, прежде чем их имплантируют в матку. В научной периодике не утихает полемика по поводу потенциальной опасности, которую таит в себе эта процедура[93]. Некоторые авторы считают, что вспомогательные репродуктивные технологии вызывают нарушения импринтинга во время беременности. Под этими заявлениями подразумевается, что такие процедуры как выращивание оплодотворенных яйцеклеток вне организма могут быть причиной отклонений в жестко выверенной программе контроля перепрограммирования, особенно в областях импринтинга. Однако важно отметить, что по вопросу о клинической релевантности этой проблемы единого мнения на сегодняшний день не существует.

Процесс перепрограммирования генома на ранних этапах развития влечет за собой множество последствий. Он позволяет двум в высшей степени дифференцированным клеточным типам слиться и образовать одну плюрипотентную клетку. Он уравновешивает противоречивые потребности материнского и отцовского геномов и гарантирует, что это состояние равновесия будет восстанавливаться в каждом поколении. Перепрограммирование также не позволяет неподходящим эпигенетическим модификациям переходить от родителя к потомству. Это означает, что даже если клетки аккумулировали потенциально опасные эпигенетические изменения, они будут утрачены прежде, чем их унаследует потомство.

Вот почему мы обычно не наследуем приобретенные признаки. Но существуют определенные регионы генома, такие как ретротранспозоны IAP, которые относительно устойчивы к перепрограммированию. Если мы захотим выяснить, как конкретные приобретенные характеристики — реакции на винклозолин, например, или на питание отца — могут передаваться от родителя потомству, то начать нам свои поиски ответов лучше всего именно с этих ретротранспозонов IAP.

Глава 9. Поколение X

Звук поцелуя не так громок, как грохот пушки, но эхо от него длится значительно дольше.

Оливер Уэнделл Холмс в «Профессоре за обеденным столом»

На чисто биологическом и, особенно, анатомическом уровне мужчины и женщины очень непохожи друг на друга. Пожалуй, никогда не прекратятся дискуссии о том, определяются ли разнообразные модели поведения — от склонности к агрессии и до пространственного восприятия — гендерной принадлежностью. Но существуют и конкретные физические характеристики, безусловно связанные с полом. Одними из самых фундаментальных различий между женщинами и мужчинами являются их репродуктивные органы. У женщин это яичники, а у мужчин — яички. У женщин — влагалище и матка, у мужчин — пенис.

Этому есть совершенно обоснованные биологические причины, и, пожалуй, не вызовет удивления тот факт, что сводятся они к генам и хромосомам. В клетках человека содержится по 23 пары хромосом, причем по одной хромосоме в паре получено нами от каждого из родителей. Двадцать две из этих пар (изысканно именуемые по своим порядковым номерам от 1 до 22) называются аутосомами, и каждый член определенной пары аутосомов выглядит очень похожим на свою вторую половинку. Слово «выглядит» мы употребляем в его самом прямом значении. На определенной стадии деления клеток ДНК в хромосомах становится предельно туго закрученной. Однако, воспользовавшись соответствующей техникой, мы можем увидеть хромосомы под микроскопом, а также можем их сфотографировать. До наступления цифровой эпохи генетики в буквальном смысле слова ножницами вырезали изображения отдельных хромосом и складывали их в пары, создавая общую упорядоченную картину. В наши дни подобная обработка изображений выполняется компьютером, но в любом случае в результате мы получаем единую картину всех хромосом в клетке. Называется она кариотипом.

Именно анализ кариотипа помог ученым установить, что в клетках людей с синдромом Дауна присутствуют три копии хромосомы 21. Это явление называется трисомией 21.

Когда мы исследуем человеческий кариотип женщины, мы видим, что у нее 23 пары идентичных хромосом. Но, изучая человеческий кариотип мужчины, мы обнаруживаем иную картину, о чем свидетельствует рисунке 9.1. У мужчин мы наблюдаем 22 выраженные пары — аутосомы — и еще две хромосомы, которые вовсе не похожи друг на друга. Одна очень большая, а другая совсем маленькая. Они называются половыми хромосомами. Большая именуется хромосомой X, а маленькая — хромосомой Y. Нормальный хромосомный состав у человеческих особей мужского пола условно записывается как 46, XY. У женщин он имеет вид 46, XX, поскольку хромосома Y у них отсутствует, но зато есть две хромосомы X.

Рис. 9.1. Кариотип всех хромосом в соматической клетке мужчины (слева) и женщины (справа). Обратите внимание, что в женской клетке содержатся две хромосомы X, но нет хромосомы Y; в мужской клетке — одна хромосома X и одна хромосома Y. Также обратите внимание и на существенную разницу в размерах между хромосомами X и Y

Хромосома Y несет очень немного активных генов. На хромосоме Y всего лишь от 40 до 50 кодирующих белки генов, из которых приблизительно половина—специфические мужские. Специфические мужские гены присутствуют только в хромосоме Y, так что у женщин их копии отсутствуют. Многие из этих генов необходимы для специфически мужских аспектов воспроизводства. Наиболее важный из них, если говорить об определении пола будущего ребенка, является ген под названием SRY. Белки SRY обусловливают развитие яичек у эмбриона, что приводит к продукции тестостерона, основного мужского гормона, который и определяет соответствующий пол эмбриона, т. е. маскулинизирует его.

Иногда у индивидуумов, по фенотипу принадлежащих к девочкам, обнаруживается мужской кариотип 46, XY. В этих случаях ген SRYчасто оказывается репрессивным, или же он просто отсутствует, тогда, как следствие, плод развивается по женскому пути[94]. Иногда может иметь место и другой сценарий. Индивидуумы, являющиеся по фенотипу мальчиками, приобретают типично женский кариотип 46, XX. В таких случаях крошечный участок хромосомы Y, содержащий ген SRY, часто переносится на другую хромосому во время формирования сперматозоидов у отца. Этого оказывается достаточно, чтобы инициировать маскулинизацию плода[95]. Перенесенный участок хромосомы Y слишком мал, чтобы быть обнаруженным в процессе создания кариотипа.

Совершенно иначе обстоит дело с хромосомой X. Она чрезвычайно велика и несет около 1300 генов. Огромное количество из числа этих генов ответственно за работу мозга. Многие другие требуются на различных стадиях формирования яичников или яичек, а также для прочих аспектов, определяющих способность к воспроизведению, как у мужчин, так и у женщин[96].

Подучить правильную дозу

Итак, на хромосоме X около 1300 генов. Это порождает любопытную проблему. У женщин две хромосомы X, а у мужчин только одна. Это значит, что у женщин по две копии этих 1300 генов на хромосоме X, а у мужчин только по одной. На основании этого мы можем выдвинуть предположение, что женские клетки должны вырабатывать вдвое больше белков, регулируемых этими генами (относятся к так называемым Х-генам), чем мужские клетки.

Однако имеющиеся у нас сведения о таких нарушениях как синдром Дауна заставляют усомниться в справедливости нашей гипотезы. Обладание тремя копиями хромосомы 21 (вместо обычных двух) приводит к синдрому Дауна, и именно это отклонение является главным нарушением у людей, родившихся с таким заболеванием. Трисомии большинства других хромосом вызывают настолько тяжелые последствия, что дети с такой патологией никогда не рождаются, так как эмбрионы просто нежизнеспособны (т. е. погибают внутриутробно. Прим. ред). Например, ни разу не был рожден ребенок, который бы имел в своих клетках три копии хромосомы 1. Если 50-процентное увеличение экспрессии генов какой-либо аутосомы способно вызывать настолько тяжелые проблемы в состояниях трисомии, то, как мы объясним сценарий с хромосомой X? Как могут женщины выживать, если у них вдвое больше принадлежащих хромосоме X генов, чем у мужчин? Или, если перефразировать вопрос, как могут жить мужчины, когда у них вдвое меньше генов хромосомы X, чем у женщин?

Ответ на оба эти вопроса заключается в том, что экспрессия локализованных на хромосоме X генов в действительности абсолютно одинаковая как у мужчин, так и у женщин, несмотря на разное количество хромосом, и феномен этот называется компенсацией доз. Система определения половой принадлежности XY отсутствует у животных других классов, так что компенсация доз хромосомы X присуща исключительно плацентарным млекопитающим.

В начале 1960-х годов британская генетик Мэри Лайон выдвинула гипотезу о том, как должна происходить компенсация доз хромосомы X. Ее предположения сводились к следующему:

1) клетки здоровой женщины содержат только одну активную хромосому X;

2) репрессия хромосомы X происходит на ранних этапах развития;

3) репрессированная хромосома X может быть получена или от матери, или от отца, причем репрессия происходит случайным образом в какой-либо одной клетке;

4) репрессия хромосомы X будет необратимой в соматической клетке и во всех ее производных.

Ее предсказания оказались удивительно точными[97][98]. Настолько точными, что во многих учебниках репрессия хромосомы X называется лайонизацией. Давайте и мы рассмотрим ее «пророчества» по очереди:

1) отдельные клетки здоровой женщины действительно экспрессируют гены только с одной копии хромосомы X — другая копия, по сути, подавлена;

2) репрессия хромосомы X происходит на ранних этапах развития, на той его стадии, когда плюрипотентные клетки эмбриональной внутриклеточной массы начинают дифференцироваться, выбирая собственные пути специализации (около вершины уоддингтоновского эпигенетического ландшафта);

3) в среднем, у 50 процентах клеток у женщин полученная по материнской линии хромосома X не задействована. У остальных 50 процентов клеток эта хромосома, унаследованная от отца, репрессируется;

4) так как клетка подавляет одну из пары хромосому X, именно эта копия хромосомы X остается репрессированной во всех дочерних клетках на протяжении всей жизни женщины, даже если ей предстоит прожить более ста лет.

Хромосома Х репрессируется не мутацией; последовательность ДНК в ней остается совершенно неизменной. Репрессия хромосомы X является типичным эпигенетическим феноменом.

Тема репрессии хромосомы X оказалась удивительно плодородным полем для исследований. У некоторых механизмов, принимающих в ней участие, обнаружились параллели в ряде других эпигенетических и внутриклеточных процессов. Репрессия хромосомы X имеет важные последствия для возникновения у человека определенных заболеваний и для проблем терапевтического клонирования. И даже сегодня, через 50 лет после революционной работы Мэри Лайон, мы все еще далеко не до конца представляем себе, как именно происходит репрессия хромосомы X.

Чем больше мы вникаем в этот процесс, тем более удивительным он нам представляется. Для начала, репрессия возможна лишь только у хромосомы X, но ни у одной из аутосом, а это значит, что клетка должна обладать каким-то способом отличать хромосомы X от аутосом. Более того, репрессия хромосомы X затрагивает не один или несколько генов, как это происходит при импринтинге. Нет, при репрессии хромосомы X более 1000 генов подавляются на десятилетия.

Представьте себе автомобильный концерн, один завод которого расположен в Японии, а другой находится в Германии. Эквивалентом импринтинга можно считать незначительные изменения в спецификациях для разных рынков. На заводе в Германии могут запустить линию, на которой на рулевом колесе устанавливается датчик обогревателя, а не кондиционера. Японии сделают все наоборот. Репрессию хромосомы X в этом случае можно приравнять к полному закрытию и консервации одного из заводов, который никогда не возобновит свою деятельность, если только компанию не приобретет другой собственник.

Случайная репрессия

Еще одно существенное отличие репрессии хромосомы X от импринтинга заключается в том, что в импринтинге хромосомы X отсутствует эффект исходного родителя. Для соматических клеток не имеет никакого значения, от кого из родителей была унаследована хромосома X. Любая из них имеет 50-процентный шанс подвергнуться репрессии. Причина, по которой это происходит, имеет совершенно обоснованное эволюцией объяснение.

Импринтинг отвечает за уравновешивание конкурирующих потребностей материнского и отцовского геномов, особенно в процессе развития. Механизмы импринтинга, сформировавшиеся в ходе эволюции, конкретно нацелены на отдельные гены или маленькие пучки генов, оказывающих влияние на рост плода. И, в конце концов, в геноме млекопитающих всего лишь от 50 до 100 импринтинговых генов.

Однако репрессия хромосомы X действует куда в более глобальных масштабах. Это механизм подавления касается свыше 1000 генов, всех вместе и навсегда. Тысяча генов — это весьма много, это около 5 процентов от общего числа кодирующих белки генов, поэтому всегда существует вероятность, что какой-либо отдельный ген хромосомы X может мутировать. На рисунке 9.2 представлено сравнение результатов импринтинговой репрессии хромосомы X (слева) и случайной репрессии хромосомы X (справа). Для упрощения, на диаграмме показана только мутация унаследованного по отцовской линии гена при импринтинговой репрессии полученной по материнской линии хромосомы X.

Рис. 9.2. Каждый кружок представляет женскую клетку, содержащую две хромосомы X. Хромосома X, унаследованная от матери, обозначена женским символом. Хромосома X, унаследованная от отца, обозначена мужским символом и содержит некую мутацию, отмеченную белой выемкой. На левой стороне диаграммы показано, что импринтинговая репрессия полученной по материнской линии хромосомы X приведет к тому, что все клетки организма будут экспрессировать только хромосому X, несущую мутацию, которая была унаследована от отца. С правой стороны хромосомы X инактивируются случайно, независимо от своего исходного родителя. В результате, в среднем, половина соматических клеток будет экспрессировать нормальную версию хромосомы X. По этой причине случайная репрессия хромосомы X является менее рискованным эволюционным сценарием, нежели импринтинговая репрессия хромосомы X

С помощью случайной репрессии хромосомы X клетки способны минимизировать последствия мутаций в генах, локализованных в хромосоме X.

Важно помнить, что «спящая» хромосома X действительно является репрессированной. Почти все ее гены постоянно подавлены, и эта репрессия в обычных условиях не может быть нарушена. Когда мы говорим об активной хромосоме X, мы всегда несколько преувеличиваем. Мы не имеем в виду, что каждый ген активной хромосомы X активен постоянно в каждой клетке. Правильнее было бы говорить, что гены обладают потенциалом стать активными. Они подвержены любым обычным эпигенетическим модификациям и системам контроля экспрессии гена, реагирующим на требования процесса развития и сигналы окружающей среды.

Женщины действительно сложнее мужчин

Одно из любопытных следствий репрессии хромосомы X заключается в том, что (эпигенетически) женщины сложнее мужчин. В клетках мужчин содержится лишь по одной хромосоме X, и поэтому репрессии хромосомы X у них не происходит. А вот у женщин хромосома X случайно репрессируется во всех клетках. Следовательно, на самом фундаментальном уровне все клетки женского организма могут быть разделены на два лагеря в зависимости от того, какую хромосому X они подавляют. Образно говоря, в этом плане женщины представляют собой эпигенетическую мозаику.

Этот замысловатый эпигенетический контроль у женщин представляет собой сложный и точно отрегулированный процесс, и именно для исследований этой темы предположения Мэри Лайон стали столь надежной концептуальной основой. Эти предположения, уже упоминавшиеся выше, мы можем перефразировать следующим образом:

1) подсчет: клетки здоровой женщины могут содержать только одну активную хромосому X;

2) выбор: репрессия хромосомы X происходит на ранних этапах развития;

3) стимуляция: подавленная хромосома X может быть получена по материнской или по отцовской линии, а репрессия будет случайной в каждой клетке;

4) сохранение: репрессия хромосомы X будет необратимой в соматической клетке и всех ее «потомках».

Поиски ответов на вопрос, какие механизмы лежат в основе этих четырех процессов, заняли ученых почти на 50 лет, и эти изыскания продолжаются и поныне. Эти процессы невероятно сложны, и в них часто задействованы механизмы, о существовании которых исследователи даже не подозревали. И это неудивительно, поскольку лайонизация представляет собой совершенно уникальный феномен — репрессия хромосомы X является процедурой, в ходе которой клетки поступают с двумя абсолютно идентичными хромосомами диаметрально противоположными и взаимоисключающими способами.

Экспериментально исследовать репрессию хромосомы X невероятно сложно. Это идеально сбалансированная система в клетках, и даже ничтожная вариация в технике может оказать огромное влияние на результат эксперимента. Кроме того, не существует и единого мнения по вопросу о наиболее подходящих для исследований видах. Мышиные клетки традиционно используются в качестве экспериментальной системы выбора, но теперь мы знаем, что клетки мыши и человека не идентичны, если говорить об репрессии хромосомы X[99]. Однако, даже учитывая все эти неопределенности, перед нами начинает вырисовываться весьма любопытная картина.

Подсчет хромосом

Клетки млекопитающих должны иметь механизм, позволяющий считать содержащиеся в них хромосомы X. Такой механизм необходим, чтобы хромосома X в мужских клетках не подавлялась. Исключительная роль этого механизма была продемонстрирована еще в 1980-х годах Давором Солтером. Он создавал эмбрионы, перенося мужские пронуклеусы в оплодотворенные яйцеклетки. У мужчин кариотип XY и, когда они производят гаметы, каждый отдельный сперматозоид содержит или X или Y. Беря пронуклеусы из разных сперматозоидов и помещая их в «пустые» яйцеклетки, Солтер мог создавать зиготы XX, XY или YY. Ни одна из комбинаций не привела к рождению потомства, поскольку, как мы уже знаем, свой вклад в создание зиготы должны сделать и отец, и мать. Однако результаты этих экспериментов, представленные на рисунке 9.3, тем не менее, оказались очень любопытными.

Рис. 9.3. В экспериментах по воссозданию донорской яйцеклетки в нее вводились мужской и женский пронуклеусы или два мужских пронуклеуса. Как было показано и на рисунке 7.2, эмбрионы, полученные из двух мужских пронуклеусов, оказались неспособны развиться полностью. Когда в каждом из ядер содержалось по одной хромосоме Y и не было ни одной хромосомы X. развитие эмбрионов приостанавливалось развитие на очень ранней стадии. Эмбрионы, полученные из двух мужских пронуклеусов, из которых хотя бы один содержал хромосому X, развивались несколько дольше, но в итоге тоже погибали

На самой ранней стадии развития погибали эмбрионы, созданные из двух мужских пронуклеусов, каждый из которых содержал хромосому Y как единственную половую хромосому[100]. В таких эмбрионах хромосомы X не было вообще, и именно это стало причиной их гибели на самом раннем этапе развития. Этот эксперимент подтверждает тот факт, что хромосома X чрезвычайно важна для жизнеспособности организма. Вот почему мужские (XY) клетки должны уметь «считать», так как только при этом условии они смогут понять, что располагают лишь одной хромосомой X, и не станут подавлять ее. Для клетки репрессия единственной хромосомы X будет иметь катастрофические последствия.

После подсчета количества хромосом X в женских клетках должен включиться другой механизм, случайным образом выбирающий одну из хромосом X для репрессии. Выбрав хромосому, клетка начинает ее подавлять.

Репрессия хромосомы X происходит на ранних стадиях развития женского эмбриона, когда клетки внутриклеточной массы начинают дифференцироваться на клетки разных типов. Экспериментально очень сложно работать с довольно небольшим числом клеток, которые можно получить из бластоцисты, поэтому исследователи обычно пользуются женскими ЭС клетками. В этих клетках обе хромосомы X активны, как и во внутриклеточной массе периода, предшествующего дифференциации. ЭС клетки довольно легко скатить вниз по уоддингтоновскому эпигенетическому ландшафту, для этого всего лишь нужно чуть изменить условия, в которых эти клетки выращиваются в лаборатории. Как только мы изменим эти условия, подталкивая женские ЭС клетки к дифференциации, они тут же начнут подавлять хромосому X. Так как ЭС клетки могут выращиваться в лабораториях практически в неограниченных количествах, они представляют собой очень подходящую модельную систему для изучения репрессии хромосомы X.

Создание картины категории X

Проникать в загадки репрессии хромосомы X мы начали при изучении мышей и линий клеток со структурно перестроенными хромосомами. В некоторых из этих исследований обнаруживалось, что различные участки хромосомы X оказывались утрачены. В зависимости от того, каких именно участков недоставало, хромосома X активировалась или подавлялась. В ходе других исследований выяснилось, что некоторые участки отделялись от хромосомы X и присоединялись к какой-либо аутосоме. Это могло привести к удалению структурно аномальной аутосомы, опять же в зависимости от того, какая часть хромосомы X меняла свое местоположение[101][102].

Эти эксперименты показали, что на хромосоме X есть определенный участок, который жизненно важен для ее репрессии. Эта область была названа центром репрессии X. В 1991 году группа ученых лаборатории Ханта Уилларда из Стэнфордского университета в Калифорнии обнаружила, что в центре репрессии X содержится ген, который они назвали Xist (аббревиатура от X-inactive (X) specific transcript, то есть Х-репрессированный специфический транскрипт)[103]. Этот ген экспрессировался только с подавленной хромосомы X, но никогда — с активной. Так как ген экспрессировался лишь с одной из двух хромосом X, он становился привлекательным кандидатом на роль контроллера репрессии хромосомы X, при которой две идентичные хромосомы вели себя неодинаково.

Неоднократно предпринимались попытки идентифицировать белок, кодируемый геном Xist[104], но в 1992 году стало ясно, что с ним происходит нечто странное. Ген Xist транскрибировался для образования копий РНК. Эта РНК обрабатывалась так же, как любая другая РНК. Она сплайсировалась, и различные структуры добавлялись к каждому концу транскрипта для повышения ее стабильности. Пока все соответствует норме. Но прежде чем молекулы РНК начинали кодировать белок, они должны были покинуть ядро и проникнуть в цитоплазму клетки. Происходит так по той причине, что рибосомы — внутриклеточные структуры, соединяющие аминокислоты в длинные белковые цепочки — присутствуют только в цитоплазме. Но Xist РНК никогда не покидал ядра, а это означало, что он и не мог продуцировать белок[105][106].

Это, по крайней мере, прояснило один вопрос, озадачивавший ученый мир с момента обнаружения гена Xist. Взрослая Xist РНК представляет собой длинную молекулу, насчитывающую почти 17000 пар оснований (17 т. п. о.). Одна аминокислота кодируется состоящим из трех пар оснований кодоном, о чем уже говорилось в главе 3. Таким образом, теоретически, 17000 пар оснований должны быть способны закодировать белок длиною в 5700 аминокислот. Но когда исследователи проанализировали последовательность Xist с помощью рассчитывающих белки программ, они просто не могли понять, как он может закодировать нечто настолько длинное. На протяжении всей последовательности Xist обнаружились терминирующие кодоны (которые сигнализируют о завершении продукции белка), а самый длинный расчетный участок без терминирующих кодонов мог закодировать лишь 298 аминокислот (894 пары оснований[107]). По какой причине эволюция породила ген, создающий транс крипт в 17 т. п. о., но использующий для кодирования белка только около 5 процентов своего потенциала? Это выглядит как очень нецелесообразное расходование энергии и ресурсов клетки.

Но так как Xist на самом деле никогда не покидает ядра, его неспособность эффективно кодировать белки в данном случае не имеет значения. Xist не выступает в роли матричной РНК (мРНК), кодирующей белок. Он принадлежит к классу молекул, которые называются некодирующими РНК (нкРНК). Xist может не кодировать белок, но это не значит, что он освобожден от каких-либо обязанностей. Напротив, Xist нкРНК сама действует как функциональная молекула, имеющая критическое значение для репрессии хромосомы X.

Тогда, в 1992 году, нкРНК была понятием совсем новым, в то время ученым была известна лишь еще одна нкРНК. Но даже и сегодня Xist представляется нам очень необычным геном. И дело не только в том, что он никогда не покидает ядра. Xist даже никогда не оставляет хромосому, в которой он появился. Когда ЭС клетки начинают дифференцироваться, только одна из хромосом продуцирует Xist РНК. Это та самая хромосома, которая будет репрессированной. Xist не покидает хромосому, которая создала его. Напротив, он привязывается к этой хромосоме и начинает распространяться по ней.

Xist часто характеризуется как закрашивание «спящей» хромосомы X, и это весьма удачное сравнение. Давайте еще раз вернемся к нашей аналогии, в которой мы представляли кодирование ДНК как сценарий. На этот раз мы условимся, что наш сценарий написан на стене; возможно, это вдохновляющее стихотворение или речь в классной комнате. После окончания учебного года школа закрывается, и здание ее продается для перестройки в жилой дом. Приезжают маляры и закрашивают сценарий. Теперь новые жильцы будущего дома не узнают, что «нужно старательно учиться и поступать благородно», и так и не выяснят, как вести себя в «периоды триумфов и потерь». Но ведь все прежние рекомендации как были, так и остались на стене, просто они скрыты под краской.

Когда Xist присоединяется к создавшей его хромосоме X, он вызывает своего рода вялотекущий эпигенетический паралич. Он постепенно охватывает все больше и больше генов и отключает их. Сначала кажется, что он делает это, действуя как барьер между генами и ферментами, которые обычно копируют их в мРНК. Но по мере того как репрессия хромосомы X становится все более успешной, он меняет эпигенетические модификации на хромосоме. Гистоновые модификации, которые обычно активируют гены, утрачиваются. Они заменяются репрессивными гистоновыми модификациями, подавляющими гены.

Некоторые из обычных гистонов удаляются полностью. Гистон Н2А заменяется родственной ему, но чуть отличной молекулой, называемой макроH2A, тесно связанной с репрессией генов. Промоторы генов подвергаются метилированию ДНК — еще более суровому способу репрессии генов. Все эти изменения ведут к связыванию все большего и большего числа репрессорных молекул, обволакивающих ДНК на спящей хромосоме X и делающих ее все менее и менее доступной для ферментов, транскрибирующих гены. В конечном итоге ДНК на хромосоме X оказывается невероятно туго закрученной, как гигантское влажное полотенце, скрученное с обоих концов, и вся хромосома движется к краю ядра. К этому моменту большая часть хромосомы X уже полностью подавлена, за исключением гена Xist, являющего собой маленький оазис активности посреди транскрипционной пустыни[108].

При каждом делении клетки эти модификации инактивной хромосомы X копируются с материнской клетки и передаются дочерним клеткам, так что та же хромосома X остается подавленной во всех последующих поколениях, возникших из начальной клетки.

Несомненно, что роль Xist уникальна и удивительна, но предложенное выше ее описание все еще оставляет многие вопросы без ответов. Как контролируется экспрессия Xist? Почему этот ген включается, когда ЭС клетки начинают дифференцироваться? Функционален ли Xist только в женских клетках, или в мужских клетках он тоже проявляет себя каким-то образом?

Сила поцелуя

Ответ на последний вопрос первыми начали искать в лаборатории Руди Джениша, с которым мы уже встречались, когда рассказывали в Главе 2 о iPS клетках и работе Шиньи Яманаки. В 1996 году профессор Джениш с коллегами вывели мышей с генетически измененной версией центра репрессии X (центр репрессии трансгена X). Размеры этого трансгена, включая сам ген Xist и другие последовательности по обеим его сторонам, составляли 450 т. п. о. Ученые ввели его в аутосому (неполовую хромосому), вывели самцов мышей, несущих этот трансген, и стали исследовать взятые у этих мышей ЭС клетки. У самцов мышей было лишь по одной нормальной хромосоме X, поскольку их кариотип XY, однако у них оказалось по два центра репрессии X. Один был на нормальной хромосоме X, а второй располагался на трансгене в аутосоме. Когда исследователи дифференцировали взятые у мышей ЭС клетки, они обнаружили, что Xist может экспрессироваться с каждого из двух центров репрессии X. Когда Xist экспрессировался, он подавлял хромосому, с которой экспрессировался, даже если это была аутосома, несущая трансген[109].

Эти эксперименты показали, что даже клетки, обычно являющиеся мужскими (XY), способны подсчитывать свои хромосомы X. В действительности, если говорить точнее, они продемонстрировали, что клетки могут считать свои центры репрессии X. Эти данные также подтвердили, что все необходимое для подсчета, выбора и стимуляции присутствует в 450 т. п. о. центра репрессии X в пределах гена Xist.

Сегодня нам известно чуть больше о механизме подсчета хромосом. Клетки обычно не пересчитывают свои аутосомы. Обе копии хромосомы 1, например, действуют независимо друг от друга. Но мы знаем, что две копии хромосомы X в женской ЭС клетке каким-то образом взаимодействуют. Когда начинается репрессия, две хромосомы X в клетке делают нечто весьма странное.

Они целуются.

Это, конечно, очень антропоморфный способ описания явления, но он наиболее точно соответствует тому, что происходит. Их «поцелуй» длится всего пару часов или около того, и, как это ни удивительно, именно он задает ту программу, которая будет сохраняться в клетках на протяжении следующей сотни лет, если женщине посчастливится прожить такой срок. Этот «хромосомный поцелуй» был впервые обнаружен в 1996 году Джинни Ли, начинавшей свою научную деятельность рядовым исследователем в лаборатории Руди Джениша, а теперь по праву занимающей должность профессора в Гарвардской медицинской школе, где она стала одной из самых молодых сотрудников, принятых в постоянный штат. Джинни Ли выяснила, что две копии хромосомы X, по сути, находят друг друга и вступают в физический контакт. Контактируют на самом деле очень небольшие участки хромосом, однако это их взаимодействие является ключевым фактором для запуска репрессии [110]. Если контакта не происходит, хромосома X делает вывод, что она единственная в клетке, ген Xist не активируется, и репрессия хромосомы X не начинается. Это ключевой этап в подсчете хромосом.

Также в лаборатории Джинни Ли был идентифицирован и один из главных генов, контролирующих экспрессию Xist[111]. ДНК представляет собой двухцепочечное образование, в котором цепочки удерживаются вместе связывающими их основаниями. Хотя визуально мы часто представляем себе ДНК как железнодорожное полотно, пожалуй, удобнее было бы думать о ней как о канатной дороге с двумя движущимися в противоположных направлениях вагончиками. Если мы примем эту метафору, то центр репрессии X будет выглядеть приблизительно так, как это показано на рисунке 9.4.

Рис. 9.4. Две цепочки ДНК на особом участке хромосомы X могут быть скопированы для создания молекулы мРНК. Две основные цепочки копируются в противоположных по отношению друг к другу направлениях, что позволяет одному и тому же участку хромосомы X производить Xist РНК и Tsix РНК

На том же участке ДНК, где находится Xist, есть еще одна некодирующая РНК длиною около 40 т. п. о. Она частично накладывается на Xist, но располагается на противоположной цепочке молекулы ДНК. Она транскрибируется в РНК в противоположном к Xist направлении и называется антисмысловым транскриптом. Имя ее — Tsix. Внимательный читатель уже успел заметить, что Tsix это тот же Xist в прочтении справа налево, и в этом есть своя неожиданно элегантная логика.

Такое перекрестное расположение Tsix к Xist имеет принципиальное значение для их взаимодействия, но провести подтверждающие это эксперименты необычайно сложно. Причина этого в том, что практически невозможно осуществить мутацию одного из генов, не затронув при этом мутацией его партнера на противоположной цепочке; в этом случае происходит своего рода параллельное поражение. Но, несмотря на это, уже достигнуты существенные успехи в понимании того, как Tsix влияет на Xist.

Если хромосома X экспрессирует Tsix, это предотвращает экспрессию Xist с той же хромосомы. Как ни странно, возможно, именно простым транскрибированием Tsix предотвращается экспрессия Xist, а не самой Tsix нкРНК. Это аналогично работе врезного замка. Если я запираю замок изнутри и оставляю ключ в замочной скважине, то никто не сможет отпереть этот замок снаружи. Мне нет необходимости пользоваться какими-то дополнительными средствами безопасности — оставив ключ в замочной скважине закрытого замка, я пресекаю любые попытки отпереть его с противоположной стороны. Поэтому, если Tsix активирован, то Xist подавлен, и хромосома X активна.

Эта ситуация имеет место в ЭС клетках, где обе хромосомы X активны. Как только ЭС клетки начинают дифференцироваться, одна из их пары перестает экспрессировать Tsix. Это дает возможность экспрессироваться Xist с той же хромосомы X, что и индуктирует ее репрессию.

Одного лишь Tsix, пожалуй, недостаточно для сохранения репрессии Xist. В ЭС клетках белки под названиями Oct4, Sox2 и Nanog привязываются к первому интрону Xist и подавляют его экспрессию[112]. Oct4 и Sox2 были двумя из четырех факторов, которые использовал Шинья Яманака, когда перепрограммировал соматические клетки в плюрипотентные iPS клетки. Более поздние эксперименты показали, что Nanog (названный в честь мифической кельтской земли вечной молодости) также может действовать как перепрограммирующий фактор. Oct4, Sox2 и Nanog активно экспрессируются в недифференцированных клетках, таких как ЭС клетки, но уровни их экспрессии падают, как только клетки начинают дифференцироваться. Когда это происходит в дифференцирующихся женских ЭС клетках, Oct4, Sox2 и Nanog перестают привязываться к интрону Xist. Тем самым снимаются некоторые барьеры для экспрессии Xist. Напротив, когда женские соматические клетки перепрограммируются по методике Яманаки, репрессированная хромосома X восстанавливается. [113]. Единственный другой случай восстановления репрессированной хромосомы X имеет место при формировании первичных половых клеток в процессе развития, и именно по этой причине при возникновении зиготы в ней присутствуют две активные хромосомы X.

Пока еще нет полной определенности в ответе на вопрос, почему репрессия является настолько взаимоисключающим процессом для двух хромосом. Согласно одной из теорий, причины этого нужно искать в том, что происходит при «поцелуе хромосом X». Случается это на том этапе развития, когда уровни Tsix начинают снижаться и уровни факторов Яманаки также идут на спад. Сторонники этой теории утверждают, что в этот момент пара хромосом достигает своего рода компромисса. Вместо того чтобы пополнить недостаточные количества нкРНК и задействовать другие факторы, все связывающие молекулы устремляются на одну хромосому из пары. До конца понять, каким образом это происходит, довольно трудно. Возможно, одна из хромосом в паре просто по чистой случайности несет чуть больше ключевых факторов, чем другая. Это делает ее чуть более привлекательной для определенных белков. Такие структуры могут создаваться в самоподдерживающем режиме, то есть чем большими запасами обладает одна из хромосом на начальной стадии, тем больше запасов она отбирает у конкурентки. Богатые становятся богаче, а бедные — беднее…

Удивительно, как много белых пятен остается в нашем понимании репрессии хромосомы X даже через 50 лет после фундаментальной работы Мэри Лайон. Мы все еще не до конца представляем себе, как Xist РНК обволакивает хромосому, с которой она экспрессируется, или как она собирает все эти негативные репрессивные эпигенетические ферменты и модификации. Так что, возможно, для нас разумнее будет покинуть эти зыбучие пески и вернуться на более твердую почву.

А вернемся мы к одному из утверждений, которое сделали несколько ранее в этой главе: «Как только клетка подавляет одну из пары хромосому X, копия этой самой хромосомы X будет оставаться ингибированной во всех ее дочерних клетках до конца жизни женщины, даже если той посчастливится дожить до столетнего возраста». Откуда мы это знаем? Как мы можем быть настолько уверены, что репрессия хромосомы X остается постоянной в соматических клетках? Сейчас мы имеем возможность проводить определенные генетические манипуляции, чтобы с их помощью показать, как это происходит, например, у мышей. Но задолго до того, как это стало реальным, ученые были совершенно уверены в справедливости этих тезисов. И за эти сведения мы должны благодарить не мышей, а кошек.

Чему можно научиться у эпигенетической кошки

Не просто любых старых добрых кошек, а особенных, черепаховых. Вы, наверное, знаете, чем эти кошки отличаются от всех прочих. Это те самые, на шерсти которых хаотично разбросаны рыжие и черные пятна, располагающиеся иногда на белой подложке. Цвет каждой шерстинки кошек определяется клетками, которые называются меланоцитами — именно они вырабатывают соответствующий пигмент. Меланоциты находятся в коже и развиваются из особых стволовых клеток. Когда меланоцитовые стволовые клетки делятся, их дочерние клетки остаются рядом друг с другом и группируются в маленькие «очажки» клоновых клеток, образованных из одной родительской стволовой клетки.

И вот что удивительно: если у кошки черепаховый окрас, то она обязательно самка.

Цвет шерсти кошки определяет особый ген, кодирующий или черный, или рыжий пигмент. Этот ген находится на хромосоме X. Кошка может получить черную версию этого гена на хромосоме X, унаследованной от матери, или его рыжую версию на хромосоме X, унаследованной от отца (или наоборот). На рисунке 9.5 продемонстрировано, что происходит дальше.

Рис. 9.5. У кошачьих самок черепаховой масти гены, определяющие рыжий и черный цвет шерсти, находятся на хромосоме X.В зависимости от схемы репрессии хромосомы X в коже, клоновые группы клеток дадут начало раздельному окрашиванию шерсти в рыжий и черный цвет

В итоге у черепаховой кошки оказываются рыжие и черные пятна, в зависимости от хромосомы X, которая была случайным образом подавлена в меланоцитовой стволовой клетке. Окрас ее не меняется по мере взросления кошки и остается постоянным на протяжении всей ее жизни. Это говорит нам о том, что репрессия хромосомы X продолжает быть стабильной в клетках, создающих эту цветовую гамму.

Мы знаем, что кошками с черепаховым окрасом бывают только самки, потому что ген, определяющий цвет шерсти, находится только на хромосоме X, а не У. У котов только одна хромосома X, поэтому они могут быть или черными, или рыжими, не сочетая в себе эти два цвета.

Нечто довольно похожее наблюдается и при редком заболевании у людей, которое называется сцепленная с хромосомой X ангидротическая эктодермальная дисплазия. Это состояние вызывается мутациями гена под названием эктодисплазин-А, находящегося на хромосоме X[114]. Мужчины с мутацией своей единственной копии эктодисплазина-А на единственной хромосоме X демонстрируют широкий спектр симптомов, включая полное отсутствие потовых желез. Только при легкомысленном подходе это может показаться преимуществом, тогда как на самом деле это чрезвычайно опасное заболевание. Потовые железы являются одними из главных механизмов, позволяющих нам избавляться от излишков тепла, поэтому мужчины, страдающие таким заболеванием, постоянно подвержены серьезной опасности разрушения тканей и даже гибели в результате теплового удара[115].

У женщин же две копии эктодисплазина-А, по одной на каждой из двух хромосом X. Если у женщины развивается сцепленная с хромосомой X ангидротическая эктодермальная дисплазия, то на одной хромосоме X у нее нормальная копия гена, а на другой — его мутировавшая версия. В различных клетках у нее будет происходить случайная репрессия одной хромосомы X. Это значит, что некоторые клетки станут экспрессировать нормальную копию эктодисплазина-А. Другие клетки будут случайным образом блокировать хромосому X, несущую нормальную копию гена, и не смогут экспрессировать белок эктодисплазина-А. Благодаря такому клонированию клеток на определенных участках кожи, совсем как у черепаховых кошек, у таких женщин одни участки кожи будут экспрессировать эктодисплазин-А, а другие — не будут. Там, где эктодисплазин-А будет отсутствовать, потовые железы не будут формироваться. Как следствие, у страдающих этим заболеванием женщин одни участки кожи смогут потеть и охлаждаться, а другие — нет.

Случайная репрессия хромосомы X способна оказывать огромное влияние на то, как отражаются на женщинах мутации генов на хромосоме X. Зависит это не только от гена, подверженного мутации, но также и от тканей, которые экспрессируют белок, кодируемый этим геном. Заболевание под названием мукополисахаридоз II (МПСН) вызывается мутацией гена, кодирующего лизосомный фермент идуронат-2-сульфатазы, находящегося на хромосоме X. Юноши с такой мутацией на своей единственной хромосоме X неспособны расщеплять определенные крупные молекулы, которые могут разрастаться в клетках до токсичных уровней. Основные симптомы этого состояния включают в себя респираторные инфекции, аномально низкий рост и увеличение селезенки и печени. У юношей, страдающих этим заболеванием в особо тяжелых формах, может развиваться умственная отсталость; кроме того, они часто умирают в подростковом возрасте.

Женщины с мутацией того же гена обычно абсолютно здоровы. Белок лизосомальной идуронат-2-сульфатазы секретируется из синтезирующей его клетки и затем «поглощается» соседними клетками. В такой ситуации не имеет большого значения, которая из хромосом X мутировала в той или иной клетке. По соседству с каждой клеткой, в которой инактивирована хромосома X, несущая нормальную версию этого гена, с большой долей вероятности окажется другая клетка, в которой репрессирована другая хромосома X, и эта клетка выделяет белок. Таким образом, в конечном итоге все клетки будут располагать нормальным белком лизосомальной идуронат-2-сульфатазы независимо от того, продуцировали они его сами или нет[116].

Мышечная дистрофия Дюшенна представляет собой тяжелое заболевание, характеризуемое сильной мышечной атрофией и вызываемое мутациями связанного с хромосомой X геном белка дистрофина. Это большой ген, кодирующий крупный белок дистрофии, который выполняет в мышечных волокнах функции необходимого амортизатора. Юноши с определенными мутациями дистрофина страдают патологией мышечной ткани, что обычно приводит к летальному исходу уже в подростковом возрасте. У девушек с той же мутацией подобные симптомы, как правило, не проявляются. Причина этого в том, что мышца имеет очень необычное строение. Она называется синцитиальной тканью, а это значит, что огромное количество отдельных клеток сливаются воедино и действуют подобно одной гигантской клетке, но с множеством самостоятельных ядер. Именно поэтому женщины обычно не проявляют симптомов, сопутствующих мутации дистрофина. Они обладают достаточным количеством нормального белка дистрофина, закодированного ядрами, которые подавили мутировавший ген дистрофина для того, чтобы их синцитиальная ткань функционировала как здоровая[117].

Бывает, что в отдельных случаях эта система дает сбои. Так, в одной из пар монозиготных близнецов одна из сестер страдала острой формой мышечной дистрофии Дюшенна, а вторая была совершенно здорова[118]. У сестры с этим заболеванием репрессия хромосомы X пошла по ложному пути. На ранней стадии дифференциации тканей большинство ее клеток, из которых предстояло развиться мышцам, исключительно по воле злого рока репрессировали хромосому X, несущую нормальную копию гена дистрофина. Поэтому большинство мышечных тканей этой женщины экспрессировали только мутировавшую версию дистрофина, и у нее развилось острое дистрофия мышц. Этот факт может считаться универсальной демонстрацией значимости случайных эпигенетических явлений. Два идентичных индивидуума, каждый из которых обладал двумя явно идентичными хромосомами X, имели совершенно различные фенотипы из-за случайного сдвига в эпигенетическом равновесии сил.

Впрочем, иногда крайне важно, чтобы отдельные клетки экспрессировали нужные количества белка. В Главе 4 вы, вероятно, обратили внимание на то, что синдром Ретта поражает только девушек. Можно было бы выдвинуть гипотезу, что юноши по какой-то причине крайне невосприимчивы к последствиям мутации МеСР2, однако на самом деле справедливой является диаметрально противоположная версия. МеСР2 находится на хромосоме X, поэтому мужской плод, наследующий этот ген, пораженный вызывающей синдром Ретта мутацией, просто не имеет возможности экспрессировать нормальный белок МеСР2. Полное отсутствие экспрессии нормального МеСР2 обычно приводит к смертельному исходу уже на ранних этапах развития, и именно поэтому мальчики крайне редко рождаются с синдромом Ретта. Девочки имеют две копии гена МеСР2, по одной на каждой хромосоме X. Для каждой клетки существует 50-процентная вероятность того, что она репрессирует хромосому X, несущую немутировавший ген МеСР2, и тогда эта клетка не будет экспрессировать нормальный белок МеСР2. Хотя женский плод может продолжать развиваться, в конечном итоге наблюдаются серьезные отклонения в послеродовом развитии и функционировании мозга из-за того, что значительные количества нейронов не получают белок МеСР2.

Один, два, много

Существует и множество других проблем, непосредственно связанных с хромосомой X. Один из касающихся репрессии хромосомы X вопросов, на которые нам нужно дать ответ, заключается в том, насколько хорошо умеют считать клетки млекопитающих. В 2004 году Питер Гордон из Колумбийского университета в Нью-Йорке сообщил о своих исследованиях племени пирайя, обитающего в одном из изолированных регионов Бразилии. В счете представители этого племени обходятся числами один и два. Все, что больше двух, описывается словом, приблизительно эквивалентным понятию «много»[119]. Так же искусны в счете наши клетки, или они способны считать не только до двух? Если в ядре содержится больше двух хромосом X, сможет ли распознать этот феномен механизм репрессии хромосомы X и как-то справиться с последствиями такого явления? Многочисленные исследования подтверждают, что сможет. По большому счету, не имеет какого-либо значения, сколько хромосом X (или, говоря более строго, центров репрессии X) присутствует в ядре, потому что клетка действительно может пересчитать их, а затем неоднократно ингибировать хромосомы X до тех пор, пока лишь одна из них не останется активной.

Именно благодаря этой способности аномальное количество хромосом X встречается у людей относительно редко, в отличие от аномалий в числе аутосом. Наиболее распространенные примеры нарушения числа хромосом X представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1. Сводная таблица основных характеристик наиболее распространенных аномалий количества половых хромосом у человека

Бесплодие, являющееся общим симптомов для всех этих заболеваний, отчасти объясняется проблемами при создании яйцеклеток или сперматозоидов, где важно, чтобы хромосомы выстраивались парами. Если число половых хромосом оказывается нечетным, эту задачу невозможно решить, и процесс образования гамет нарушается.

Отставив в сторону бесплодие, из этой таблицы мы можем сделать два очевидных вывода. В первую очередь, все фенотипы относительно умеренные по сравнению, скажем, с трисомией хромосомы 21 (синдром Дауна). Это свидетельствует о том, что клетки относятся более терпимо к присутствию больше чем или же менее чем две копий хромосомы X, нежели к обладанию лишней копией аутосомы. Однако второй наш вывод заключается в том, что аномальное количество хромосом X все же заметно отражается на фенотипе.

Почему это происходит? В конце концов, механизм подавления гарантирует, что, какое бы число хромосом ни присутствовало в клетке изначально, все они, кроме одной, будут репрессированы на ранних этапах развития. Но если бы этим все и ограничивалось, то и не существовало бы никаких различий в фенотипах между женским 45, X и женским 47, XXX или даже нормальным женским 46, XX набором хромосом. Подобным образом, и мужчины с нормальным кариотипом 46, XY были бы фенотипически идентичны мужчинам с кариотипом 47, XXY. Во всех этих случаях в клетках была бы лишь одна активная хромосома X.

Можно было бы предположить, что люди с такими кариотипами клинически отличаются друг от друга по той причине, что, возможно, репрессия хромосомы X не всегда оказывается эффективной в некоторых клетках, но такая версия представляется маловероятной. Репрессия хромосомы X происходит на самых ранних стадиях развития и представляет собой наиболее устойчивый из всех эпигенетических процессов. Так что этому явлению требуется иное объяснение.

Ответ на этот вопрос появился еще около 150 миллионов лет назад, когда у плацентарных млекопитающих только начинала образовываться система определения пола XY. Хромосомы X и Y, вероятно, являются потомками аутосом. Хромосома Y изменилась очень сильно, X — в значительно меньшей степени[120]. Однако обе они сохранили некую память о своем аутосомном прошлом. На хромосомах X и Y есть участки, которые называются псевдоаутосомными областями. Гены в этих областях присутствуют как на хромосоме X, так и на хромосоме Y, точно так же, как пары аутосом несут на себе одинаковые гены в одинаковых положениях, по одному унаследованные от каждого из родителей.

Когда хромосома X репрессируется, эти псевдоаутосомные области пропускаются. Эго значит, что, в отличие от большинства связанных с хромосомой X генов, гены на псевдоаутосомных областях не репрессируются. Как следствие, нормальные клетки потенциально экспрессируют две копии этих генов во всех клетках. Две копии экспрессируются или с двух хромосом X у здоровой женщины, или с хромосом X и Y у здорового мужчины.

Но страдающая синдромом Тернера женщина имеет только одну хромосому X, поэтому она экспрессирует только одну копию генов псевдоаутосомной области, вдвое меньше, чем необходимо. При трисомии X, с другой стороны, в псевдоаутосомных регионах присутствуют три копии генов. В результате этого клетки и пораженной области станут продуцировать белки от этих генов в количествах, на 50 процентов превышающих нормальный уровень.

Один из генов в псевдоаутосомных областях хромосомы X называется SHOX. Люди с мутациями в этом гене страдают низкорослостью. Вероятно, именно этим объясняется то, что больные синдромом Тернера отличаются низким ростом — в их клетках белок SHOX проду цируется в недостаточных количествах. Напротив, люди с трисомией X, очевидно, продуцируют на 50 процентов больше белка SHOX, чем необходимо, что, видимо, и является причиной их высокого роста[121].

Не только у людей встречается трисомия половых хромосом. Возможно, однажды вы поразите своих друзей уверенным заявлением, что их черепаховой масти кошка — девочка, но они будут активно возражать вам, настаивая, что это мальчик, и приводя в качестве доказательства то, что их любимца осматривал ветеринар и заверил их, что это кот. Тогда дождитесь паузы и, самодовольно усмехнувшись, скажите: «А, ну в таком случае он кариотипически аномален. У него кариотип XXY, а не XY». А если захотите произвести на друзей совсем уж неизгладимое впечатление, то можете сообщить, что их кот бесплоден. Это научит их больше никогда с вами не спорить.

Глава 10. Одной информации недостаточно

Наука совершает самоубийство, когда превращается в догму.

Томас Генри Хаксли

Одним из наиболее фундаментальных трудов по философии науки считается книга Томаса Куна «Структура научных революций», опубликованная в 1962 году. В этой работе, среди прочего, Кун утверждает, что наука не развивается по упорядоченному, линейному и спокойному пути, на котором все открытия сопровождаются громом восторженных оваций. Напротив, в науке всегда господствует превалирующая теория. Когда накапливаются противоречащие ей сведения, эта теория отнюдь не сразу рушится. Она может лишь чуть поколебаться, но ученые слишком часто продолжают верить в ее незыблемость и следовать ей даже после появления достаточного количества доказательств ее несовершенства.

Если образно представить себе теорию как какое-то здание, то новые, противоречащие ей данные можно сравнить с обломками строительного камня самой причудливой формы, зацементированные на его крыше. Мы можем добавлять новые камни на крышу, и некоторое время она будет справляться с их весом, но рано или поздно наступит такой момент, когда все это сооружение просто рухнет под непомерной тяжестью. Именно так происходит и в науке, когда выдвигается новая теория, когда все многочисленные обломки камней используются для строительства фундамента нового здания.

Этот процесс ломки старого и возведения нового Кун назвал сменой парадигмы, введя термин, ставший речевым штампом для пишущих на темы науки журналистов. Смена парадигмы не основывается исключительно на рационализме. Она невозможна без эмоциональных и социологических изменений в умах приверженцев доминирующей теории. За много лет до появления книги Томаса Куна великий немецкий ученый Макс Планк, обладатель Нобелевской премии по физике за 1918 год, высказался на эту тему более категорично, когда заявил, что «научные теории не меняются вследствие того, что старые ученые меняют свои убеждения; они меняются, так как старые ученые умирают[122]».

Сейчас мы находимся как раз в середине такой смены парадигмы в биологии.

В 1965 году Нобелевская премия в области физиологии и медицины была присуждена Франсуа Жакобу, Андре Львову и Жаку Моно «за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов». Эта формулировка включала в себя и открытие матричной РНК (мРНК), с которой мы уже познакомились в Главе 3. мРНК является относительно недолговечной молекулой, которая переносит информацию с нашей хромосомной ДНК и действует как промежуточная матрица для продукции белков.

Уже многие годы известно, что в наших клетках присутствуют и другие разновидности РНК, специфические молекулы, которые называются транспортными РНК (тРНК) и рибосомными РНК (рРНК). тРНК представляют собой маленькие молекулы РНК, способные удерживать на одном своем конце определенную аминокислоту. Когда молекула мРНК «прочитывается» для продукции белка, тРНК доставляет свою аминокислоту в нужное место на растущей белковой цепочке. Все это происходит в крупных структурах клеточной цитоплазмы, которые называются рибосомами. Рибосомная РНК является главным компонентов рибосом, где она играет роль огромных строительных лесов, удерживающих на своих местах различные другие молекулы РНК и белков. Мир РНК, таким образом, представляется вполне простым и понятным. В нем есть структурные РНК (тРНК и рРНК) и есть матричная РНК.

На протяжении десятилетий главными звездами подиума молекулярной биологии были ДНК (основной код) и белки (функциональные и трудолюбивые молекулы клетки). РНК отводилась второстепенная роль относительно безынтересной молекулы-посредника, курьера, доставляющего информацию от конструкторов и инженеров в рабочие цеха.

Все, кто сколько-нибудь серьезно занимается молекулярной биологией, признают, что белки чрезвычайно важны. Они осуществляют огромный объем функций, благодаря которым становится возможной сама жизнь. Следовательно, гены, кодирующие белки, также невероятно важны. Даже самые незначительные изменения в этих кодирующих белки генах могут привести к катастрофическим последствиям, таким как мутации, вызывающие гемофилию или муковисцидоз.

Но эта общепринятая точка зрения делает видение ситуации научным сообществом несколько ограниченным. Тот факт, что белки и, как следствие, кодирующие белки гены жизненно важны, не подразумевает, что все остальное в геноме не имеет никакого значения. Тем не менее, именно такая теоретическая концепция главенствует вот уже в течение десятилетий. И это весьма странно, учитывая, что уже многие годы мы располагаем данными, подтверждающими, что одними только белками дело далеко не ограничивается.

Почему мы не избавляемся от лишнего

Пару десятилетий тому назад ученые установили, что программа развития «редактируются» клетками перед тем, как она будет передана «исполнителям». Происходит это благодаря интронам, с которыми мы познакомились в Главе 3. Они представляют собой последовательности, копирующиеся из ДНК в мРНК, а затем сплайсирующиеся, прежде чем матрица будет переведена в последовательность белка рибосомами. Интроны были обнаружены в 1975 году[123], и Нобелевская премия за их открытие была присуждена в 1993 году Ричарду Робертсу и Филлипу Шарпу.

Еще в далеких 1970-х ученые пытались сравнивать простые одноклеточные организмы и такие сложные творения как человек. Количество ДНК в их клетках оказалось, как это ни удивительно, сопоставимым, особенно если учесть их несхожесть. Это подразумевало, что некоторые геномы должны содержать множество незадействованных ДНК, что, в свою очередь, позволило сформировать идею «бесполезной ДНК»[124] — последовательностей хромосом, не выполняющих никаких значимых функций, поскольку они не кодируют белки. Приблизительно в то же время в нескольких лабораториях были получены доказательства того, что многие геномы млекопитающих содержат в себе последовательности ДНК, которые повторяются снова и снова и не кодируют белки (повторяющаяся ДНК). Поскольку эти ДНК не кодируют белки, был сделан вывод, что никакой роли они в клетках и не играют. Выглядело это так, как будто они существуют сами по себе[125][126]. Френсис Крик и группа исследователей для описания этих областей придумали неологизм «эгоистичная ДНК». Эти две структуры, «бесполезная ДНК» и «эгоистичная ДНК», недавно с легкой иронией были охарактеризованы, как «неожиданное подтверждение того, что геном является структурой, сильно перенасыщенной всевозможным генетическим хламом и эволюционным мусором»[127].

Мы, люди, удивительные создания, обладающие триллионами клеток, сотнями типов клеток, многообразием тканей и органов. Давайте сравним себя (возможно, несколько самодовольно) с нашим дальним родственником, микроскопическим круглым червем, нематодой Caenorhabditis elegans. С. elegans, как его обычно принято называть, достигает в длину всего лишь около одного миллиметра и живет в почве. Этот червь обладает многими органами, присущими высшим животным, такими как кишечник, рот и гонады, но его организм состоит где-то из 1000 клеток, примечателен тем, что благодаря ему ученые получили возможность точно узнать, как развивается каждая из его клеток.

Крошечный червь представляет собой прекрасный экспериментальный инструмент, поскольку может служить дорожной картой клеточного и тканевого развития. Исследователи могут менять экспрессию какого-либо гена, а затем с предельной точностью изучать последствия, к которым при нормальном развитии приводит мутация этого гена. Более того, С. elegans заложил базу для такого числа открытий и научных прорывов в биологии развития, что в 2002 году Нобелевский комитет присудил свою премию в области физиологии и медицины Сиднею Бреннеру, Роберту Хорвицу и Джону Салстону именно за работы, проведенные с этим организмом.

И хотя трудно переоценить пользу, которую С. elegans принес науке, мы все же должны признать, что он представляет собой значительно менее сложный организм, чем мы с вами. Но зачем в нас столько сложностей? Учитывая важность белков для функционирования клеток, исходное допущение было таковым, что такие сложные организмы как млекопитающие обладают большим количеством кодирующих белки генов, нежели такие простые существа как С. elegans. Это была абсолютно разумная гипотеза, но ей суждено было разбиться о феномен, описанный Томасом Генри Хаксли. Яростный сторонник Дарвина, Хаксли еще в XIX веке заявил, что «вечная трагедия науки в том, что уродливые факты убивают красивые гипотезы».

По мере того как технологии секвенирования становились все дешевле и эффективнее, многочисленные лаборатории по всему миру начали исследовать последовательность геномов у самых разнообразных организмов. Ученые пользовались самыми современными компьютерными программами, стремясь определить способных к кодировке белков гены в этих разных геномах. Но то, что они узнали, оказалось поистине удивительным. Выяснилось, что кодирующих белки генов значительно меньше, чем предполагалось. Прежде, чем был расшифрован геном человека, ученые полагали, что таких генов должно насчитываться свыше 100000. Теперь нам известно, что их реальное количество колеблется между 20000 и 25000[128]. Еще более странным выглядит то, что у С. elegans около 20200 генов[129] — разница между ним и нами не слишком бросается в глаза.

И дело не только в том, что у нас и С. elegans приблизительно одинаковое число генов; значительно любопытнее то, что эти гены кодируют практически те же самые белки. Под этим мы подразумеваем, что, если мы будем анализировать последовательность какого-либо гена в человеческих клетках, то сможем найти ген с приблизительно подобной последовательностью и у червя нематоды. Получается, что фенотипические различия между червями и людьми вызваны не тем, что у Homo sapiens больше генов, или эти гены другие, или они чем-то «лучше».

Не приходится сомневаться в том, что более сложные организмы сплайсируют свои гены более разнообразно, чем это делают простые существа. Если мы еще раз используем в качестве аналогии наш пример слова CARDIGAN из Главы 3, то можно сказать, что С. elegans создает только белки DIG и DAN, тогда как у млекопитающих клетки способны синтезировать не только эти два белка, а также CARD, RIGA, CAIN и CARDIGAN.

Несомненно, что это дает возможность организму человека воспроизводить значительно большее разнообразие белков, чем червю длиною в один миллиметр, но тогда перед нами возникает новая проблема. Каким образом более сложные организмы регулируют свои более сложные схемы сплайсинга? Такая регулировка, теоретически, могла бы контролироваться исключительно белками, но это влечет за собой новые сложности. Чем больше клетке требуется регулировать белков для обеспечения их сложного и отлаженного взаимодействия, тем их больше нужно клетке для осуществления этого процесса. Математические модели свидетельствуют, что это может быстро привести к ситуации, когда количество необходимых нам белков начнет превышать число белков, которыми мы реально обладаем, то есть складывается патовое положение.

Есть ли у нас альтернатива? Конечно, и она продемонстрирована на рисунке 10.1.

Рис. 10.1. Этот график демонстрирует, что сложность живых организмов в значительно большей степени определяется процентом генома, не участвующего в кодировании белков (черные колонки), нежели количеством пар оснований, кодирующих белки в геноме (белые колонки). Данные взяты из «Маттик, Дж. (2007),Эксп. Биол. 210: 1526-1547»

На одной границе шкалы у нас располагаются бактерии. У бактерий очень маленький и в высшей степени компактный геном. Их кодирующие белки гены насчитывают около 4 000 000 пар оснований, что составляет почти 90 процентов всего генома. Бактерии очень простые организмы и довольно инертные в плане контроля экспрессии генов, но ситуация меняется по мере того, как мы продвигаемся вверх по эволюционному древу.

Кодирующие белки гены С. elegans содержат почти 24 000 000 пар оснований, но это охватывает всего лишь около 25 процентов их генома. Остальные 75 процентов генов не кодируют белки. Анализируя те же показатели у человека, мы обнаруживаем, что кодирующие белки области составляют около 32 000 000 пар оснований, но это является лишь почти 2 процентами всего генома. Существуют различные способы подсчета кодирующих белки областей, но все они дают удивительно схожий конечный результат. Около 98 процентов генома человека не участвуют в кодировании белков. Весь наш геном, за исключением каких-то 2 процентов, является «бесполезным».

Другими словами, ни количество генов, ни их размеры не определяют сложность организма. Единственная отличительная особенность генома, которая увеличивается по мере того, как организмы становятся более сложными, это его область, не кодирующая белки.

Тирания языка

Так чем же занимаются эти некодирующие области генома, и почему они так важны? Только начиная задумываться над этим, мы замечаем, насколько сильное влияние оказывает язык и терминология на мыслительную деятельность человека. Эти области называются некодирующими, но подразумеваем под этим мы лишь то, что они не кодируют белки, и это вовсе не значит, что они не кодируют вообще ничего.

В ученом мире бытует весьма интересная поговорка: отсутствие доказательства это не то же самое, что доказательство отсутствия. Например, как только в астрономии были изобретены телескопы, способные обнаруживать инфракрасное излучение, ученые смогли открыть тысячи звезд, остававшихся прежде «невидимыми». Эти звезды и раньше были там, но мы не могли быть абсолютно уверены в их существовании, пока не появились инструменты для получения доказательств. В качестве более часто встречающегося примера можно привести сигналы мобильных телефонов. Эти сигналы постоянно окружают нас, но убедиться в этом мы не сможем, если у нас нет мобильного телефона. Иначе говоря, то, что мы находим, в большой мере зависит от того, как мы ищем.

Ученые идентифицируют гены, которые экспрессируются в определенных типах клеток, с помощью анализа молекул РНК. Для этого вся РНК извлекается из клеток, а затем подвергается всестороннему анализу с использованием разнообразных техник, позволяющих создать базу данных всех имеющихся молекул РНК. Когда в 1980-х годах исследователи только начинали определять, какие гены экспрессируются в данных типах клеток, инструментарий, которым они располагали, был относительно нечувствительным. Их приборы были также предназначены для идентификации только молекул мРНК, поскольку именно они считались наиболее важными. Эти методики были хороши для определения активно экспрессирующихся мРНК, но оказывались довольно неэффективными при поиске последовательностей с менее бурной экспрессией. Еще одним недостатком было то, что программы, применявшиеся для анализа мРНК, были написаны таким образом, что игнорировали сигналы, поступавшие от повторяющейся, то есть «бесполезной» ДНК.

Эти техники хорошо послужили нам профилирования мРНК, которая всех так интересовала, т. е. анализа молекул мРНК, кодирующих белки. Но, как мы уже убедились, они составляют всего лишь около 2 процентов нашего генома. И только тогда, когда новые технологии исследований получили в свое распоряжение резко возросшие мощности компьютеров, мы начали в полной мере осознавать, что в оставшихся 98 процентах, в той самой некодирующей части нашего генома, происходит нечто очень интересное.

Вооружившись усовершенствованными методиками исследований, ученый мир постепенно стал понимать, что в участках генома, не кодирующих белки, на самом деле идут мощные процессы транскрибирования. Сначала они были отметены как некие «транскрипционные помехи». Выдвигались предположения, что существует общий фоновый шум, возникающий как результат экспрессии со всего генома, когда эти участки ДНК периодически продуцируют молекулы РНК, достигающих порога их обнаружения. Согласно этой теории, мы могли выявлять эти молекулы при помощи нового, более чувствительного оборудования, но биологической ценности они собой не представляли.

Словосочетание «транскрипционные помехи» предполагает некое случайное, беспорядочное явление. Однако схемы экспрессии этих некодирующих белки РНК оказались разными для различных типов клеток, а это заставляло предположить, что их транскрипция далеко не случайна[130]. Например, такая экспрессия в больших масштабах была зафиксирована в головном мозге. Теперь мы знаем, что в разных участках головного мозга схемы экспрессии различны[131]. И этот феномен оказывается воспроизводимым, когда мы сравниваем различные регионы мозга разных индивидуумов. А это совсем не то, чего следовало ожидать, если бы эта низкоуровневая транскрипция РНК представляла собой исключительно беспорядочный процесс.

Постепенно становится все более очевидным то, что эта транскрипция с генов, не участвующих в кодировании белков, в действительности является крайне важной для функционирования клеток. Но, как ни странно, мы по-прежнему остаемся в плену лингвистической ловушки собственного изготовления. РНК, продуцируемая в этих областях, РНК, которой прежде мы уделяли настолько пристальное внимание, так и продолжает называться некодирующей РНК (нкРНК). Это довольно неточное наименование, так как на самом деле мы имеем в виду, что это не кодирующая белки РНК. В действительности же нкРНК кое-что кодирует — она кодирует саму себя, функциональную молекулу РНК. В отличие от зрелой мРНК, служащей лишь промежуточным звеном между РНК и белком, нкРНК сама по себе является конечным результатом.

Новое определение «строительного мусора»

Это и есть смена парадигмы. На протяжении 40 с лишним лет молекулярные биологи и генетики сосредоточивались почти полностью на генах, кодирующих белки, и на самих белках. Случались, конечно, и исключения, но мы склонны были рассматривать их как строительный мусор на крыше здания. Наконец наступает тот момент, когда некодирующие РНК стали по праву занимать свое законное место в одном ряду с белками как полностью функциональные молекулы. Другие, но равные по значимости.

Эти нкРНК встречаются по всему геному. Одни из них продуцируются из интронов. Раньше считалось, что сплайсированные от интронов частички мРНК разрушаются клетками. Теперь же представляется более вероятным, что, по крайней мере, некоторые из них (если не большинство) в действительности обрабатываются клеткой и становятся полноправными функциональными нкРНК. Другие накладываются на гены, часто транскрибируемые с противоположной цепочки кодирующей белки мРНК. Третьи присутствуют в областях, где вообще нет кодирующих белки генов.

В предыдущей главе мы познакомились с двумя нкРНК — Xist и Tsix, которые необходимы для подавления хромосомы X. Обе эти нкРНК очень длинные и состоят из нескольких миллионов оснований. По существующим на настоящий момент оценкам, в клетках высших млекопитающих присутствуют тысячи таких молекул, причем более 30 000 «длинных» нкРНК (определяемых как имеющие длину свыше 200 оснований) обнаружено у мышей[132]. Длинные нкРНК могут даже превышать по численности кодирующие белки мРНК.

Как выясняется, помимо участия в подавлении хромосомы X, длинные нкРНК, играют важную роль в импринтинге. Многие области импринтинга содержат участок, кодирующий длинную нкРНК, которая подавляет экспрессию соседних генов. Происходит приблизительно то же, что мы наблюдаем при воздействии Xist. Кодирующие белки мРНК подавляются на копии хромосомы, которая экспрессирует длинную нкРНК. Например, нкРНК под названием Air экспрессируется в плаценте исключительно с унаследованной от самца мыши хромосомы 11. Экспрессия нкРНК Air репрессирует соседний ген Igf2r, но только на той же хромосоме[133]. Этот механизм гарантирует, что Igf2r будет экспрессироваться только с унаследованной от матери хромосомы.

Благодаря нкРНК Air ученые смогли разобраться в том, как эти длинные нкРНК подавляют экспрессию генов. нкРНК остается локализованной в определенной области пучка импринтинговых генов и действует подобно магниту, притягивающему эпигенетический фермент под названием G9a. G9a накладывает репрессирующую метку на белки гистона H3 в нуклеосомах этой области ДНК. Такая гистоновая модификация создает репрессивную хроматиновую среду, подавляющую гены.

Это открытие оказалось чрезвычайно важным, поскольку оно позволило приоткрыть завесу тайны над вопросом, давно озадачивавшим эпигенетиков. Каким образом модифицирующие гистоны ферменты, которые накладывают или убирают эпигенетические метки, локализуются на определенных участках генома? Если ферменты, модифицирующие гистоны, неспособны непосредственно определять конкретные последовательности ДНК, то, как они оказываются в нужном месте генома?

Схемы гистоновых модификаций привязаны к различным генам в разных типах клеток, а это приводит к исключительно отлаженной и жестко регулируемой экспрессии генов. Например, фермент, известный как EZH2, метилирует аминокислоту под названием лизин в позиции 27 на гистоне H3, но в клетках других типов его мишенью оказываются другие молекулы гистона H3. Проще говоря, он может метилировать белки гистона H3, расположенного на гене А в лейкоцитах, но не в нейронах. Или он может метилировать белки гистона H3, находящегося на гене Б в нейронах, но не в лейкоцитах. В обоих типах клеток это один и тот же фермент, но направления его действий различны.

Существуют и другие свидетельства того, что, по меньшей мере, некоторые направления эпигенетических модификаций могут быть объяснены взаимодействиями с длинными нкРНК. Джинни Ли с коллегами недавно проводила исследования длинных нкРНК, связанных с определенным комплексом белков. Этот комплекс под названием PRC2 вызывает репрессивные модификации на гистонах. PRC2 включает в себя несколько белков, и одним из них, взаимодействующим с длинными нкРНК, по всей видимости, является, EZH2. Исследователи обнаружили, что в эмбриональных стволовых клетках мышей комплекс PRC2 связан, без преувеличения, с тысячами разных молекул длинных нкРНК[134]. Эти длинные нкРНК могут действовать подобно приманке. Они остаются привязанными к той области генома, где были продуцированы, и притягивают к себе репрессивные ферменты для подавления экспрессии генов.

Это происходит по той причине, что в комплексах репрессивных ферментов содержатся белки, подобные EZH2, которые способны связываться с ДНК.

Ученые любят выстраивать теории, и одна из них, весьма привлекательная, была предложена и для длинных нкРНК. Выдвигалась гипотеза, что они связываются с областями, с которых транскрибируются, и подавляют экспрессию генов на этой же самой хромосоме. Но если мы вернемся к нашей аналогии, с которой начиналась эта глава, то должны будем признать, что уже построили маленький симпатичный домик и нагромоздили на его крышу довольно много мусора.

Есть такое примечательное семейство генов, которые называются генами НОХ. Когда у плодовых мушек эти гены мутируют, то в результате появляются невероятные фенотипы, например с лапками, растущими на голове[135]. Одна из длинных нкРНК под названием HOTAIR регулирует область генов, известную как пучок НОХ-D. Подобно длинной нкРНК, которую исследовала Джинни Ли, HOTAIR связывается с комплексом PRC2 и создает хроматиновый регион, отмеченный репрессивными гистоновыми модификациями. Но HOTAIR не транскрибируется с позиции НОХ-D на хромосоме 12. На самом деле она кодируется в другом пучке генов, называемом НОХ-С, на хромосоме 2[136]. И никому не известно, как и почему HOTAIR связывается с позицией HOX-D.

Подобная загадка существует и в отношении Xist — наиболее изученной из всех длинных нкРНК. нкРНК Xist распространяется почти по всей репрессированной хромосоме X, но нам неизвестно, каким образом она это делает. Молекулы РНК обычно не обволакивают хромосомы. Нет никаких очевидных причин, по которым РНК Xist могла бы таким образом связаться с хромосомой, но нам известно, что это не имеет никакого отношения к последовательности хромосомы. Эксперименты, о которых рассказывалось в предыдущей главе (где Xist могла подавить всю аутосому при условии, что она обладала центром репрессии X), подтвердили, что Xist, оказавшись на хромосоме, просто продолжает перемещаться по ней. Ученые в большинстве своем по-прежнему недоумевают по поводу таких фундаментальных характеристик этой наиболее полно изученной из всех нкРНК.

А вот и еще один удивительный факт. До самого недавнего времени ученые считали, что все нкРНК подавляют экспрессию генов.

В 2010 году профессор Рамин Шикхаттар из Института Уистара в Филадельфии идентифицировал в некоторых типах клеток человека свыше 3 000 длинных нкРНК. Эти длинные нкРНК демонстрировали различные схемы экспрессии в разных типах клеток, а это заставляло предположить, что им отведены особые роли. Профессор Шикхаттар с коллегами исследовали небольшое количество длинных нкРНК с целью определения их функций. Они воспользовались проверенными и надежными экспериментальными методиками для подавления экспрессии тестируемых нкРНК, а затем проанализировали экспрессию соседних с ними генов. Предполагаемые и реальные результаты этого эксперимента показаны на рисунке 10.2.

Рис. 10.2. Считалось, что нкРНК подавляют экспрессию генов-мишеней. Если бы эта гипотеза была верна, то понижение экспрессии определенной нкРНК привело бы к повышению экспрессии этого гена, так как его репрессия уменьшилась. Это продемонстрировано в центре схемы. Однако, как выяснилось, большое число нкРНК в действительности усиливают экспрессию своих генов-мишеней. Это подтверждается экспериментами, в ходе которых понижение экспрессии нкРНК привело к результатам (см. на рис. справа)

Протестировав двенадцать нкРНК, в семи случаях ученые получили результаты, показанные справа. Это противоречило ожиданиям, поскольку, как оказалось, около 50 процентов длинных нкРНК могут на самом деле повышать экспрессию соседних генов, а не понижать ее[137].

Авторы статьи, в которой описывались эти эксперименты, однозначно заявили: «Точный механизм, с помощью которого наши нкРНК способны усиливать экспрессию генов, неизвестен». И с этим мнением трудно не согласиться. Оно заслуживает уважения, так как недвусмысленно дает понять, что на настоящий момент мы просто не представляем себе, как это происходит. Работа Рамина Шикхаттара убедительно продемонстрировала, что о длинных нкРНК наука знает еще очень мало, поэтому не следует спешить с принятием новых теорий.

Чем меньше, тем лучше

Не менее осмотрительны должны мы быть и в предположении, что все решает размер и что чем он больше, тем лучше. Несомненно, что длинные нкРНК играют важную роль в функциях клетки, но есть и другой, не менее важный класс нкРНК, оказывающий на клетку существенное влияние. Принадлежащие к этому классу нкРНК короткие (длиною обычно в 20-24 основания), и их мишенями являются не ДНК, а молекулы мРНК. Впервые они были обнаружены у уже полюбившихся нам червей С. elegans.

Как мы уже говорили, С. elegans представляет собой очень удобную системную модель, потому что нам точно известно, как должны развиваться все его клетки. Временные рамки и последовательность различных стадий развития очень жестко отрегулированы. Одним из ключевых регуляторов является белок под названием LIN-14. Ген LIN-14 экспрессируется очень активно (продуцируя белок UN-14 в больших количествах) на самых ранних стадиях эмбрионального развития, но подвергается понижающей регуляции, когда из личиночной стадии 1 червь переходит в личиночную стадию 2. Если ген LIN-14 мутирует, нарушаются временные рамки прохождения различных стадий развития. Если белок LIN-14 продолжает вырабатываться слишком долго, червь начинает повторять ранние стадии развития. Если продукция белка UN-14 прекращается слишком рано, червь преждевременно переходит на более поздние личиночные стадии. В любом случае, его нормальное развитие становится невозможным.

В 1993 году две работавшие независимо друг от друга лаборатории продемонстрировали, как контролируется экспрессия LIN-14[138][139]. К всеобщему удивлению оказалось, что ключевым фактором этого процесса было связывание короткой нкРНК с молекулой мРНК LIN-14. Это показано на рисунке 10.3. Это пример посттранскрипционного сайленсинга (глушения) гена, при котором мРНК вырабатывается, но не может продуцировать белок. Это совершенно иной способ контроля экспрессии генов в отличие от того, каким пользуются длинные нкРНК.

Рис. 10.3. Схематическое изображение того, как экспрессия микроРНК на определенных стадиях развития можетрадикально изменить экспрессию гена-мишени

Важность этой работы заключается в том, что она заложила фундамент для совершенно новой модели регуляции экспрессии генов. Короткие нкРНК, как нам теперь известно, являются механизмом, которым пользуются организмы всего растительного и животного мира для контроля экспрессии генов. Существуют разнообразные виды коротких нкРНК, но мы уделим внимание в основном микроРНК (миРНК).

В клетках млекопитающих идентифицировано, по меньшей мере, 1 000 различных миРНК. В длину миРНК насчитывают около 21 нуклеотида (основания), иногда они могут быть чуть длиннее или короче, и большинство из них выступают, как представляется, в роли посттранскрипционных регуляторов экспрессии генов. Они не останавливают продукцию мРНК — вместо этого они регулируют ее «поведение». Обычно для этого они связываются с нетранслируемой областью 3’ (3’ НТР) молекулы мРНК. Эта область показана на рисунке 10.3. Она присутствует в зрелой мРНК, но не кодирует никакие аминокислоты.

Когда геномная ДНК копируется для продукции мРНК, оригинальный транскрипт обычно бывает очень длинным, поскольку он содержит в себе и экзоны (которые кодируют аминокислоты), и интроны (которые аминокислоты не кодируют). Как мы узнали из главы 3, интроны удаляются во время сплайсинга для продукции мРНК, кодирующей белок, но при описании этого процесса в главе 3 мы кое-что опустили. На РНК есть такие участки — в ее начале (называемый 5’ НТР) и в конце (3’ НТР), — которые не кодируют аминокислоты, но также и не сплайсируются, подобно интронам. Напротив, эти некодирующие области сохраняются на зрелой мРНК и действуют как регуляторные последовательности. Одна из функций 3’ НТР, в частности, состоит в том, чтобы связывать регуляторные молекулы, включая миРНК.

Как миРНК связывается с мРНК, и что происходит после этого? миРНК и 3’ НТР мРНК взаимодействуют только в том случае, если узнают друг друга. Для этого они пользуются спариванием оснований, довольно подобным тому, что мы встречали на двойных цепочках ДНК. Г может связаться с Ц, А может связаться с У (место Т в РНК занимает У). Хотя длина миРНК обычно составляет 21 основание, совсем не обязательно весь ее набор из 21 нуклеотида должен соответствовать мРНК. Ключевая область на миРНК занимает положение от 2 до 8.

Иногда соответствие на позициях от 2 до 8 оказывается не идеальным, но достаточно близким для того, чтобы две молекулы образовали пару. В таких случаях связывание миРНК препятствует трансляции мРНК в белок (именно это и произошло в ситуации, показанной на рис. 10.3). Если же соответствие полное, связывание миРНК с мРНК инициирует разрушение мРНК ферментами, прикрепленными к миРНК[140]. Пока нам еще не ясно, влияют ли позиции с 9 по 21 на миРНК менее непосредственным образом на то, как эти маленькие молекулы определяют свои мишени и к чему оно приводит. Однако мы знаем совершенно точно, что единственная миРНК может регулировать более чем одну молекулу мРНК. Из Главы 3 мы узнали, что один ген способен кодировать множество различных молекул белка, меняя способы сплайсирования матричной РНК. Единственная миРНК может одновременно оказывать влияние на многие из этих по-разному сплайсированных версий. Кроме того, единственная миРНК способна влиять и на совершенно неродственные белки, закодированные разными генами, но имеющие похожие последовательности 3’ НТР.

Все это существенно усложняет точное определение истинной роли миРНК в клетке, так как результаты ее деятельности варьируются в широких пределах в зависимости от типа клетки и других генов (кодирующих и не кодирующих белок), которые экспрессирует клетка в каждый момент времени. Проникновение в эти тайны имеет не только огромное экспериментальное значение, но и важные последствия для понимания природы самых разных заболеваний. Например, в ситуациях, присутствует аномальное число хромосом, меняется не только количество кодирующих белок генов. Здесь наблюдается и аномальная продукция нкРНК (длинных и коротких). Так как миРНК, в частности, способна регулировать множество других генов, то последствия нарушений в количестве копий миРНК могут быть очень разнообразными.

Пространство для маневра

Тот факт, что 98 процентов человеческого генома не кодирует белки, заставляет предположить, что эволюция приложила колоссальные силы для разработки сложных регуляторных процессов, протекающих с помощью нкРНК. Некоторые авторы заходят настолько далеко, что выдвигают гипотезы о том, что именно нкРНК являются генетическими факторами, предопределившими появление и развитие главной отличительных характеристик Homo sapiens — наших высших мыслительных процессов[141].

Геном шимпанзе, наших ближайших родственников, был описан в 2005 году[142]. Не существует какой-либо единственной и универсальной цифры, которую мы могли бы привести, чтобы продемонстрировать, насколько близки геномы шимпанзе и человека. Обобщить статистические данные невероятно сложно, потому что необходимо принимать во внимание различные области генома (например, повторяющиеся участки и единственная копия кодирующего белок гена), которые по-разному влияют на статистические показатели. Однако есть два фактора, в которых мы можем быть совершенно уверены. Первый из них заключается в том, что белки человека и шимпанзе удивительно похожи. Около трети всех белков абсолютно одинаковы у нас и наших длинноруких собратьев, а остальные отличаются лишь одной или двумя аминокислотами. Вторая наша общая отличительная черта состоит в том, что свыше 98 процентов наших геномов не кодируют белки. Это говорит о том, что оба вида используют нкРНК для создания сложных регуляторных сетей, которые управляют экспрессией гена и белка. Но между людьми и шимпанзе есть и существенное отличие, которое может иметь очень большое значение. Заключается оно в том, как обходятся с нкРНК клетки человека и шимпанзе.

Связано это с процессом, который называется редактированием. Складывается впечатление, что клетки человека просто не могут жить спокойно, особенно когда дело касается нкРНК[143]. Как только нкРНК начинает продуцироваться, клетки тут же начинают всячески модифицировать ее с помощью самых разнообразных механизмов. В частности, они часто меняют основание А на основание, которое называется И (инозин). Основание А может соединяться с Т в ДНК или с У в РНК. А основание И способно составлять пары и с А, и с Ц, и с Г. Это меняет последовательности, с которыми может соединяться нкРНК.

Мы, люди, в значительно большей степени редактируем свои молекулы нкРНК, нежели какие-либо другие виды. Даже другие приматы не могут сравниться с нами в этом[144]. Особенно активно редактирование производится в головном мозге. Это заставляет предположить, что именно процессами редактирования нкРНК можно объяснить, почему мы настолько сильно отличаемся в мыслительных способностях от своих ближайших родственников-приматов, даже несмотря на удивительное подобие наших матриц ДНК.

В некотором смысле, в этом и заключается прелесть нкРНК. Они предоставляют организмам относительно безопасный инструмент изменения разнообразных аспектов регуляции клеток. Эволюция отдала предпочтение этому механизму, наверное, просто по той причине, что пытаться повысить функциональность путем изменения белков слишком рискованно. Белки, видите ли, это для клеток, совсем как Мэри Поппинс для своих учеников, они также — «само совершенство».

Все молотки, в принципе, похожи друг на друга. Они могут быть большими, они могут быть маленькими, но, что касается устройства, то вряд ли вы сможете внести в молоток какие-либо изменения, которые сделали бы его существенно лучше. Это же справедливо и в отношении белков. Белки наших организмов эволюционировали на протяжении миллиардов лет. Давайте обратимся всего лишь к одному примеру. Гемоглобин — это пигмент в эритроцитах, переносящий кислород по нашему организму. Он прекрасно приспособлен к тому, чтобы собирать кислород из легких и выпускать его в тканях, где в нем существует потребность. Никому и никогда не удавалось в лабораторных условиях создать измененную версию гемоглобина, которая справлялась бы с этой работой лучше, чем натуральный белок.

К сожалению, создать молекулу гемоглобина хуже природной на удивление легко и просто. В действительности, именно это и происходит при таких нарушениях как серповидно-клеточная анемия, когда в результате мутаций вырабатываются бедные гемоглобином белки. И то же самое можно сказать о подавляющем большинстве белков. Так что, если условия окружающей среды не меняются кардинальным образом, какие-либо изменения белка могут привести только к худшему. Большинство белков и без того хороши настолько, насколько это можно себе представить.

Так как же эволюция решила задачу создания более сложных и совершенных организмов? В первую очередь, изменением регуляции белков, а не изменением самих белков. А этого можно достичь с помощью разветвленной сети молекул нкРНК, определяющих, как, когда и до какой степени должны экспрессироваться конкретные белки, и мы располагаем доказательствами того, что все происходит именно так.

миРНК играют главные роли в регуляции плюрипотентности клеток и их дифференциации. Если изменить культуральные условия среды, то ЭС клетки можно стимулировать к дифференциации в клетки других типов. Когда они начинают дифференцироваться, крайне важно, чтобы ЭС клетки подавили экспрессию генов, которые в обычных условиях позволяют им продуцировать дополнительные ЭС клетки (самообновление). В этом процессе репрессии важное место занимает семейство миРНК под названием let-7[145].

Одним из механизмов, которым пользуется для этого семейство let-7, является понижающая регуляция белка под названием Lin28. Отсюда следует, что Lin28 является белком, способствующим поддержанию плюрипотентности, поэтому не приходится удиатяться тому, что Lin28 может действовать как фактор Яманаки. Чрезмерная экспрессия белка Lin28 в соматических клетках повышает шансы перепрограммирования их в iPS клетки[146].

С другой стороны, существуют и иные семейства миРНК, которые помогают ЭС клеткам оставаться плюрипотентными и самообновляющимися. В отличие от let-7, эти миРНК сохраняют состояние плюрипотентности. В ЭС клетках ключевые факторы плюрипотентности, такие как Oct4 и Sox2, связанные с промоторами этих миРНК, активируют их экспрессию. Когда ЭС клетки начинают дифференцироваться, промоторы миРНК утрачивают эти факторы, которые перестают индуцировать их экспрессию[147]. Как и белок Lin28, эти миРНК также способствуют перепрограммированию соматических клеток в iPS клетки[148].

Когда мы сравниваем стволовые клетки с их дифференцировавшимися потомками, то обнаруживаем, что они экспрессируют самые разные «популяции» молекул мРНК. На первый взгляд, этому есть веские причины, так как стволовые и дифференцированные клетки экспрессируют разные белки. Но некоторым мРНК для распада в клетке требуется относительно много времени. Это значит, что когда стволовая клетка начинает дифференцироваться, в течение некоторого времени она все еще содержит в себе многие мРНК стволовой клетки. К счастью, уже в самом начале дифференциации стволовая клетка активизирует новый набор мРНК, который направляется на остаточные мРНК стволовой клетки и ускоряет их разрушение. Быстрое уничтожение первичных мРНК гарантирует, что клетка перейдет в дифференцированное состояние необратимо и как можно скорее[149].

Это важная защитная характеристика. Для клеток совсем неполезно сохранять совершенно неуместные для них признаки стволовой клетки — это повышает шансы того, что они могут направиться по пути развития раковых клеток. Этот механизм еще более активно используется у видов, отличающихся стремительным эмбриональным развитием, таких как дрозофилы или полосатые данио. У этих видов, когда оплодотворенная яйцеклетка превращается в плюрипотентную зиготу,[150] именно благодаря этому процессу унаследованные по материнской линии через яйцеклетку транскрипты мРНК быстро уничтожаются.

миРНК также жизненно необходимы для важнейшей фазы импринтингового контроля — формирования первичных половых клеток. Ключевой стадией в продукции первичных половых клеток является активация белка Blimp1, с которым мы встречались в Главе 8.

Экспрессия белка Blimp1 контролируется сложным взаимодействием активности Lin28 и let-7[151]. Белок Blimp1 также регулирует, метилирующий гистоны фермент и класс белков PIWI. Белки PIWI, в свою очередь, связаны с другим типом коротких нкРНК, которые называются РНК PIWI[152]. нкРНК и белки PIWI, по-видимому, не играют большой роли в соматических клетках, но они требуются для продукции мужской эмбриональной линии клеток[153]. P1WI это аббревиатура словосочетания «Р element induced w/mpy testis» («индуцированная по родительской линии ослабленная мужская половая железа»). Если нкРНК PIWI и белки PIWI не взаимодействуют должным образом, половые железы у плода мужского пола не могут сформироваться.

Мы продолжаем встречать все больше и больше случаев пересечений и взаимодействий между нкРНК и эпигенетическими явлениями. Вспомните, что «генетические контрабандисты», ретротранспозоны, обычно метилируются в эмбриональной линии, что препятствует их активации. И PIWI принимают активное участие в определении мишеней этого метилирования ДНК[154][155]. Значительное количество эпигенетических белков способны взаимодействовать с РНК. Связывание некодирующих РНК с геномом может являться общим механизмом, позволяющим направлять эпигенетические модификации на нужную хроматиновую область в определенном типе клеток[156].

Недавно нкРНК нашли свое место в теории Ламарка, в основе которой лежит концепция передачи унаследованных характеристик. В одном из экспериментов в оплодотворенные мышиные яйцеклетки были введены миРНК, мишенью которых был ключевой ген, отвечающий за рост ткани сердца. У мышей, развившихся из этих яйцеклеток, оказались увеличенные сердечные мышцы (кардиальная гипертрофия) вследствие того, что введение миРНК на ранних стадиях развития нарушило его нормальные процессы. Примечательно, что потомство этих мышей также продемонстрировало высокий процент кардиальной гипертрофии. Вероятно, это было вызвано тем, что аномальная экспрессия миРНК была восстановлена в процессе вырабатывания сперматозоидов у этих мышей. Изменений кода ДНК у них не наблюдалось, так что это был явный случай эпигенетического наследования при помощи миРНК[157].

Закон Мэрфи (если беде быть, то ее не миновать)

Но раз нкРНК настолько важны для функционирования клеток, мы, несомненно, сможем обнаружить целый ряд заболеваний, связанных с нарушением их деятельности. Разве не должны окружать нас многочисленные примеры того, что отклонения в производстве и экспрессии нкРНК ведут к клиническим расстройствам, отличным от болезней, связанных с импринтингом или репрессией хромосомы X? И да, и нет. Так как эти нкРНК являются в первую очередь регуляторными молекулами, действующими в сети, насыщенной компенсаторными механизмами, то их дефекты могут проявляться лишь в относительно легкой степени. Проблема, вытекающая из этого для исследователей, состоит в том, что большинство генетических экспериментов эффективны для идентификации явных фенотипов, вызываемых мутациями белков, но они оказываются менее пригодными для выявления менее очевидных отклонений.

Есть такая короткая нкРНК под названием ВС1, которая экспрессируется у мышей в определенных нейронах. Когда исследователи из университета Мюнстера в Германии удалили у мышей эту нкРНК, те продолжали выглядеть вполне здоровыми. Затем ученые перевели животных-мутантов из строго контролируемых лабораторных условий в более естественную для них среду. И тогда обнаружилось, что мутанты сильно отличаются от своих обычных родственников. Животные с большой неохотой исследовали территорию и демонстрировали сильное беспокойство[158]. Если бы ученые просто оставили их в клетках, то мы бы никогда и не узнали, что утрата нкРНК ВС1 в действительности оказывает огромное влияние на поведение. Это еще одно подтверждение уже известной нам истины: то, что мы видим, зависит от того, как мы на это смотрим.

Связь нкРНК с клиническими состояниями постепенно становится все более очевидной, подтверждением чему являются, по крайней мере, некоторые примеры. Есть такая порода овец, которая называется тексель, и наиболее ласковой характеристикой ее представительниц будет определение «коренастые». Овцы породы тексель славятся обилием мышечной массы, что делает честь животным, предназначенным для того, чтобы стать пищей. Своей мускулистостью эта порода обязана, по меньшей мере отчасти, изменению места присоединения миРНК к 3’ НТР определенного гена. Белок, кодируемый этим геном, называется миостатин, и обычно он замедляет рост мышечной ткани[159]. Результат, полученный при изменении единственного основания, показан на рисунке 10.4. Для наглядности размер овцы тексель намеренно преувеличен.

Рис. 10.4. Точечная мутация участка гена миостатина, не кодирующего белок, тем не менее оказывает мощное влияние на фенотип овцы породы тексель. Замена основания Г на А в миостатиновой мРНК приводит к связыванию двух определенных микроРНК. Это меняет экспрессию миостатина, в результате чего у овцы начинается бурный рост мышечном массы

Синдром Туретта является расстройством центральной нервной системы, при котором тикообразные подергивания мышц лица, шеи и плеч и непроизвольные движения губ и языка сочетаются с частым покашливанием и оплевыванием. При исследовании двух независимых пациентов, страдающих этим нарушением, обнаружилось одинаковое изменение единственного основания в 3’ НТР гена под названием SLITRKP[160]. Ген SLITRK1 необходим, следовательно, для нормального неврологического развития. Изменение основания у больных синдромом Туретта происходило на участке связывания с короткой нкРНК, которая называется miR-189. Это позволяет нам предполагать, что в критические моменты развития экспрессия SLITRK1 могла быть аномально понижена на этом участке связывания. Подобное изменение наблюдается всего лишь в нескольких случаях синдрома Туретта, но оно заставляет сделать вывод, что и у других пациентов, вероятно, происходило нарушение регуляции участков связывания миРНК на иных нейронных генах.

Ранее в этой главе мы упоминали теорию, согласно которой нкРНК могут играть решающую роль в формировании и развитии у человека сложнейших мозговых функций. Если эта теория верна, то мы можем предположить, что мозг будет крайне восприимчив к любым нарушениям в активности и функциональности нкРНК. Действительно, синдром Туретта, описанный в предыдущем абзаце, может служить подтверждением такой точки зрения.

При другом заболевании, которое называется синдромом Ди Джорджи, в одной из двух копий хромосомы 22 утрачивается участок, включающий в себя около 3 000 000 оснований[161]. В этом участке содержится более 25 генов. Вероятно, не приходится удивляться тому, что у пациентов, страдающих этим расстройством, оказываются пораженными самые разнообразные системы органов, в том числе мочеполовая, сердечнососудистая и скелетная. У 40 процентов больных синдромом Ди Джорджи наблюдаются эпилептические припадки, а у 25 процентов взрослых пациентов развивается шизофрения. Также среди них довольно широко распространено слабоумие в слабых и средних формах. Один из этих генов называется DGCR8, а белок DGCR8 необходим для нормальной продуции миРНК. В лабораторных условиях были выведены генетически модифицированные мыши, имевшие только одну функциональную копию Dgcr8. У этих мышей наблюдались когнитивные расстройства, особенно ярко проявлявшиеся в обучении и пространственном восприятии[162]. Эти факты подтверждают гипотезу о том, что продукция миРНК является важным фактором неврологической деятельности.

Мы знаем, что нкРНК необходимы для контроля плюрипотентности клетки и их дифференциации. Отсюда рукой подать до предположения, что миРНК могут играть важную роль в развитии рака. Рак представляет собой заболевание, при котором клетки могут разрастаться путём новообразований, что характерно также для стволовых клеток. Кроме того, при раке опухоли часто выглядят под микроскопом относительно недифференцированными и неорганизованными. Это разительно отличает их от полностью дифференцированных и строго организованных клеток нормальной, здоровой ткани. Сейчас мы располагаем довольно весомыми доказательствами, что нкРНК играет важную роль в развитии рака. Эта роль может заключаться в утрате одних миРНК или повышенной экспрессии других миРНК, как показано на рисунке 10.5.

Рис. 10.5. Понижение уровней одних микроРНК или повышение уровней других микроРНК может в итоге одинаково негативно сказаться на экспрессии генов. Конечным результатом может стать увеличение экспрессии генов, переводящих клетки в состояние активного разрастания, что повышает опасность развития рака

Самой распространенной разновидностью лейкемии у человека является хроническая лимфоцитарная лейкемия. Приблизительно в 70 процентах случаев этого вида рака[163] у больных обнаруживается отсутствие нкРНК, которые называются miR-15a и miR-16-1. Рак представляет собой многоступенчатое заболевание, и довольно много нарушений должно возникнуть в отдельной клетке, прежде чем она станет раковой. Тот факт, что в столь высоком проценте этого вида лейкемии, самой распространенной у человека лейкемии, оказываются утраченными именно эти миРНК, заставляет предположить, что потеря этих последовательностей происходит на ранних стадиях развития заболевания.

Примером альтернативного механизма — чрезмерной экспрессии миРНК при раке — может являться пучок miR-17-92. Этот пучок экспрессируется слишком активно при целом ряде разновидностей рака[164]. В действительности, на настоящий момент уже опубликовано достаточно много сообщений об аномальной экспрессии миРНК при раке[165]. Кроме того, ген TARBP2 оказывается мутировавшим при некоторых видах рака, передаваемых по наследству[166]. Белок TARBP2 важен для нормального функционирования миРНК. Это еще больше убеждает нас в той решающей роли, которую играют миРНК в возникновении и развитии у человека определенных видов рака.

Надежда или разочарование?

Учитывая постоянно увеличивающееся количество свидетельств о ведущей роли миРНК в развитии рака, не приходится удивляться тому, что ученые начали исследовать возможности использования этих молекул для лечения рака. Идея заключалась в том, чтобы восполнить отсутствующие миРНК или подавить те, которые экспрессируются слишком бурно. Существовала надежда, что этого можно достичь, вводя больным раком дополнительные миРНК или их искусственные заменители. Эта методика также могла найти применение и в лечении других заболеваний, при которых экспрессия миРНК становится аномальной.

Крупные фармацевтические компании вкладывают значительные средства в эти исследования. Корпорации «Санофи-Авентис» и «ГлаксоСмитКляйн» заключили многомиллионные контракты на научные разработки с компанией «Регулус Терапевтике» из Сан-Диего. Они активно изучают возможности использования заменителей или подавителей миРНК для лечения самых разнообразных заболеваний — от рака и до аутоиммунных нарушений.

Существуют молекулы очень похожие на миРНК, которые называются малыми интерферирующими РНК (siRNA — small interfering RNA). Они пользуются во многом теми же самыми процессами, что и миРНК, для подавления экспрессии генов, особенно при разрушении мРНК. Малые интерферирующие РНК оказались очень удобным инструментом для проведения исследований, поскольку их легко можно ввести в клетки в культуре для репрессии какого-либо гена в экспериментальных целях. В 2006 году ученые, ставшими первооткрывателями этой технологии, Эндрю Файер и Крейг Мелло, были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Фармацевтические компании проявляли большой интерес к использованию малых интерферирующих РНК в качестве потенциальных лекарственных средств. Теоретически молекулы малых интерферирующих РНК могут применяться для подавления экспрессии любого белка, провоцирующего развитие того или иного заболевания. В тот же год, когда Файер и Мелло получили Нобелевскую премию, гигантский фармацевтический концерн «Мерк» заплатил свыше одного миллиарда долларов США за калифорнийскую компанию «Сирна Терапевтикс», занимающуюся исследованиями малых интерферирующих РНК. Другие крупные фармацевтические корпорации делали не менее существенные инвестиции в научные работы.

Но в 2010 году фармацевтическая промышленность стала проявлять первые признаки разочарования, и ее интерес к научным разработкам начал угасать. Крупнейший швейцарский фармацевтический концерн «Рош» объявил о замораживании программ исследования малых интерферирующих РНК, несмотря на то, что за три с лишним года в них было вложено свыше 500 миллионов долларов. Другая швейцарская корпорация, «Новартис», прекратила сотрудничество с компанией «Алнилам» из Массачусетса, занимающейся исследованиями малых интерферирующих РНК. Есть, правда, и много других компаний, по-прежнему остающихся в игре, но справедливости ради стоит заметить, что перспективы этой технологии сегодня представляются менее обещающими, чем еще несколько лет назад.

Одна из самых главных проблем, связанных с терапевтическим применением малых интерферирующих РНК, объясняется довольно просто. Нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК, очень сложно превратить в эффективные препараты. Большинство прекрасно зарекомендовавших себя лекарственных средств — ибупрофен, виагра, антигистамины — имеют некоторые общие характеристики, проглатывают, они проникают через стенки кишечника, распространяются по организму, не слишком быстро разрушаются печенью, захватываются клетками и оказывают свое воздействие на молекулы в клетках или на них. На первый взгляд все это выглядит довольно просто, но простота эта кажущаяся и требующая огромных капиталовложений при разработке новых лекарств. Компании затрачивают, по меньшей мере, десятки миллионов долларов для достижения такой простоты применения и эффективности лекарств, но, как это ни удивительно, и сегодня мы продолжаем пользоваться преимущественно методом проб и ошибок.

Эта проблема становится еще более серьезной при попытках создать лекарственные средства на основе нуклеиновых кислот. Отчасти она обусловлена их размерами. Молекула малой интерферирующей РНК в среднем более чем в 50 раз больше таблетки ибупрофена. При создании лекарств (особенно принимаемых орально, а не вводимых с помощью инъекций) действует общее правило — чем меньше, тем лучше. Чем больше лекарственная форма, тем сложнее доставить в организм пациента достаточно эффективные дозы препарата, которые бы сохраняли свои свойства там достаточно продолжительный срок. Возможно, в том числе и по этой причине в компании «Рош» пришли к мнению, что деньги можно более эффективно потратить где-нибудь в другом месте. Это не значит, что малые интерферирующие РНК никогда не будут применяться для лечения заболеваний; это означает только то, что инвестиции в них — слишком рискованное для бизнеса предприятие. С миРНК проблемы, по сути, те же самые, поскольку все нуклеиновые кислоты очень похожи друг на друга.

К счастью, и из тупика иногда можно найти выход, и в следующей главе мы узнаем, как лекарственные средства, воздействующие на эпигенетические ферменты, уже успешно применяются при лечении сложных разновидностей рака.

Глава 11. Война с внутренним врагом

Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — фраза, возвещающая о новых открытиях, — вовсе не «Эврика!», а «Вот забавно…».

Айзек Азимов

В науке существует множество примеров того, как случайное, казалось бы, событие приводило к великим открытиям. Наверное, наиболее известным среди этих примеров является история о том, как Александр Флеминг обнаружил, что плесенный грибок, случайно оказавшийся в экспериментальной чашке Петри, убил культивируемые там бактерий. Это и стало тем случайным событием, которое привело к открытию пенициллина и последующему появлению антибиотиков. В результате этого выдающегося, но сделанного совершенно случайно открытия, были спасены жизней миллионов людей.

В 1945 году Александр Флеминг был удостоен Нобелевской премии в области медицины вместе с Эрнстом Чейном и Говардом Флори, разработавшими способы промышленного получения пенициллина, что сделало возможным использовать антибиотик в терапевтических целях. Знаменитое высказывание Айзека Азимова, вынесенное в эпиграф настоящей главы, подсказывает нам, что Александр Флеминг был не просто счастливчиком, которому улыбнулась неожиданная удача. Его прозрение не было чистым везением. Очень маловероятным представляется то, что Флеминг был первым ученым, культуры бактерий которого оказались инфицированными плесенным грибком. Его открытие стало результатом понимания, что происходит нечто необычное, и осознания значимости этого явления. Благодаря своим знаниям и профессиональной подготовке Флеминг смог из случайного события сделать далеко идущие выводы. Он видел то, что, возможно, видели до него многие другие исследователи, но его мышление было совершенно другим.

Даже если мы согласимся с тем, что случайные события играют заметную роль в научных исследованиях, мы все же почувствуем себя увереннее, если будем считать, что наука обычно развивается по логическому и упорядоченному пути. Вот одна из тропинок, следуя которой, мы могли бы представить себе такой прогресс в эпигенетике…

Эпигенетические модификации контролируют судьбу клетки — это те самые процессы, благодаря которым клетки печени, например, остаются клетками печени, а не превращаются в другие типы клеток. Рак представляет собой резкий сбой в нормальном контролировании судьбы клетки, в результате которого клетки печени перестают быть самими собой и превращаются в раковые клетки, из чего следует, что при раке эпигенетическая регуляция становится аномальной. Следовательно, мы должны направить свои усилия на разработку препаратов, которые бы препятствовали нарушению эпигенетической регуляции. Такие лекарственные препараты оказались бы чрезвычайно полезны для лечения и профилактики рака.

Процесс этот требует тщательных разработок и больших затрат. Действительно, фармацевтические компании по всему миру на разработки эпигенетических лекарственных средств, способных помочь выполнению этой задачи затрачивают сотни миллионов долларов. Однако этот процесс представляется простым и понятным лишь в теории, тогда как на практике поиски лекарства от рака выглядят совсем иначе.

Уже существуют лицензированные препараты для лечения рака, принцип действия которых основан на подавлении эпигенетических ферментов. Эти соединения проявили себя как средства против раковых клеток прежде, чем их стали применять для подавления эпигенетических ферментов. В действительности, именно эффективность этих соединений пробудила интерес к эпигенетической терапии, как и ко всей эпигенетике в целом, хотя путь к успеху не был усыпан розами.

Эпигенетик волею случая

Когда-то давным-давно, в самом начале 1970-х, молодой южноафриканский ученый по имени Питер Джонс работал с химическим соединением под названием 5-азацитидин. Это соединение, о чем на тот момент уже было известно, обладало противораковым действием, поскольку было способно остановить деление раковых клеток при лейкемии, и демонстрировало обнадеживающие результаты при испытании его на больных лейкемией детях[167].

Сегодня Питер Джонс является признанным во всем мире первооткрывателем эпигенетических методик лечения рака. Высокий, худощавый, загорелый, с густым ежиком седых волос он, как магнит, притягивает к себе внимание участников крупных конференций. Подобно многим поистине великим ученым, с которыми мы уже познакомились на страницах этой книги, он посвятил десятилетия своей жизни исследованиям в только начинавшей развиваться области науки. Питер Джонс и сегодня остается в первых рядах тех, кто прикладывает все силы, чтобы понять влияние на здоровье эпигенетических факторов. Сейчас главные его усилия направлены на составление характеристик всех эпигенетических модификаций, присутствующих в широчайшем многообразии различных типов клеток и заболеваний. Теперь в его распоряжении находятся технологии, позволяющие его сотрудникам анализировать миллионы данных, получаемых с самого современного сложнейшего оборудования. Тогда же, в 1970-х, ученый сделал свое первое открытие исключительно благодаря собственной наблюдательности и старательности — просто необходимых настоящему ученому качеств.

Сорок лет назад никто до конца не понимал, как действует 5-азацитидин. По химическому строению он очень похож на основание Ц (цитидин) в ДНК и РНК. 5-азацитидин, как предполагалось, добавлялся в цепочки ДНК и РНК. Оказавшись там, он каким-то образом нарушал нормальное копирование ДНК и транскрипцию или активность РНК. Раковые клетки, подобные тем, что возникают при лейкемии, чрезвычайно активны. Им необходимо синтезировать в больших объемах белки, а это значит, что они должны транскрибировать большие количества мРНК. Так как делятся они очень быстро, им, кроме того, нужно стремительно воспроизводить свои ДНК. Но если в один или оба эти процесса вмешивался 5-азацитидин, то вещество, так или иначе, препятствовало росту и делению раковых клеток.

Питер Джонс с коллегами изучали воздействие 5-азацитидина на различные клетки млекопитающих. Выращивать множество типов клеток в лабораторных условиях, если брать их непосредственно у человека или животных — задача невероятно кропотливая. Даже если создать все необходимые условия для роста клеток, они могут вдруг перестать делиться после нескольких циклов и погибнуть, что случается довольно часто. Чтобы обойти эту проблему, Питер Джонс работал с клеточными линиями. Клеточные линии изначально получают от животных, включая человека, но в результате удачного стечения обстоятельств или экспериментальных манипуляций они способны расти в культуре при наличии необходимых питательных веществ, подходящей температуры и условий окружающей среды неограниченное время. Клеточные линии несколько отличаются от непосредственно клеток организма, тем не менее, они представляют собой вполне пригодную экспериментальную систему.

Типы клеток, которые исследовали Питер Джонс и его коллеги, обычно выращиваются в плоских пластиковых колбах, в чем-то похожих на лежащие на боку прозрачные плоские фляжки для виски или бренди. Клетки млекопитающих выращиваются на плоской внутренней поверхности таких фляжек. Они образуют единственный слой клеток, лежащих вплотную друг к другу, но никогда не растут слоями.

Однажды утром, после того как уже в течение нескольких недель клетки культивировались в вместе с 5-азацитидином, исследователи обнаружили в одной из колб с культурой странный комок. Для невооруженного глаза на первый взгляд он выглядел как грибковая инфекция. Большинство людей в такой ситуации вымыли бы колбу и дали себе слово впредь быть более аккуратными при культивировании клеток, чтобы подобное больше никогда не повторилось. Но Питер Джонс поступил иначе. Он тщательно исследовал этот комок и пришел к выводу, что тот был вовсе не грибком. Этот комок состоял из огромного количества клеток, слившихся в гигантские клетки с множеством ядер. Там были крошечные мышечные волокна, синцитиальные ткани, с которыми мы встречались при обсуждении процесса подавления хромосомы X. Как оказалось, эти микроскопические мышечные волокна иногда даже сокращались.[168]

Это было более чем странно. Хотя линия клеток изначально была получена от эмбриона мыши, ничего подобного мышечной клетке ранее обычно не формировалось. Как правило, она развивалась в клетки эпителия — тип клеток, выстилающих поверхности большинства наших органов. Работа Питера Джонса продемонстрировала, что 5-азацитидин способен менять потенциал этих эмбриональных клеток и вынуждать их становиться мышечными, а не эпителиальными, клетками. Но почему химическое соединение, убивающее раковые клетки, вероятно, подавлением продукции в них ДНК и мРНК, дало здесь такой неожиданный результат?

Переехав из Южной Африки в Университет Южной Калифорнии, Питер Джонс продолжил заниматься этой темой. Два года спустя он и работавшая под его руководством доктор философии Ширли Тейлор обнаружили, что клеточные популяции, обработанные 5-азацитидином, формируют не только мышечную ткань. Они могли создавать клетки других типов, в том числе жировые клетки (адипоциты) и клетки, которые называются хондроцитами. Эти клетки вырабатывают хрящевые белки, подобные тем, что выстилают поверхности суставов и позволяют двум плоскостям беспрепятственно скользить друг по другу.

Эти результаты показали, что 5-азацитидин не является каким-то особым ориентированным на мышцы фактором. В докладе, посвященном этой работе, профессор Джонс выдвинул удивительное по своей проницательности предположение, что «5-азацитидин… вызывает реверсию в более плюрипотентное состояние»[169]. Другими словами, это химическое соединение закатывало шарик немного вверх по склонам уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. После этого он опять начинал скатываться вниз по долинам среди его холмов, но останавливался уже совсем в другой конечной точке.

Однако по-прежнему не существовало теории о том, почему 5-азацитидин приводит к таким неожиданным результатам. В связи с этим Питер Джонс самокритично вспоминает чудную историю, ставшую поворотным пунктом в подходе к самой проблеме. Когда он стал работать в Университете Южной Калифорнии, то сначала получил назначение на факультет педиатрии, однако ему очень хотелось работать по совместительству и на факультете биохимии. Чтобы получить это место, ему предстояло пройти дополнительное собеседование, которое сам он считал абсолютно бессмысленным. В ходе интервью Питер Джонс, рассказав о своей работе с 5-азацитидином, отметил, что никому не известно, почему это химическое соединение воздействует на плюрипотентность клеток. Роберт Стеллваген, другой ученый из этого же университета, также принимавший участие в интервью, спросил: «А вы не думали о метилировании ДНК?» Наш кандидат признался, что не только не думал, но и никогда не слышал о нем[170].

Питер Джонс и Ширли Тейлор немедленно занялись метилированием ДНК и очень скоро продемонстрировали, что именно оно было причиной таких эффектов 5-азацитидина. Это соединение подавляло метилирование ДНК. Питер Джонс и Ширли Тейлор синтезировали ряд родственных ему химических соединений и протестировали их влияние на клеточную культуру. Те из них, что препятствовали метилированию ДНК, также вызывали изменения в фенотипе, которые осуществлял и 5-азацитидин. Соединения, не влиявшие на метилирование ДНК, не оказывали на фенотип никакого воздействия[171].

Метиляционный «тупик»

Цитидин (основание Ц) и 5-азацитидин очень похожи по химическому строению. Они показаны на рисунке 11.1, где для простоты продемонстрированы лишь самые главные компоненты их структуры (они называются цитозин и 5-азацитозин соответственно).

В верхней части диаграммы, которая очень похожа на рисунок 4.1, показано, что цитозин может быть метилирован метил-трансферазой ДНК (ДНМТ1, ДНМТ3А или ДНМТ3Б) для создания 5-метилцитозина. В 5-метилцитозине атом азота (N) заменяет ключевой атом углерода (С), который обычно и метилируется. Метилтрансферазы ДНК не могут добавлять метиловую группу к этому атому азота.

Рис. 11.1. 5-азацитозин может быть включен в ДНК во время копирования ДНК, которое происходит перед делением клетки. 5-азацитозин занимает место основания Ц, но так как в нем находится атом азота в позиции, где должен быть атом углерода, чуждое основание не может быть метилировано ДНМТ1 так, как это показано на рисунке 4.2

Давайте еще раз вернемся к главе 4 и представим себе метилированную область ДНК. При делении клетки она размыкает две цепочки двойной спирали ДНК и копирует каждую из них. Однако ферменты, копирующие ДНК, не могут самостоятельно копировать метилирование ДНК. Как следствие, в каждой новой двойной спирали есть одна метилированная цепочка и одна неметилированная. Метилтрансфераза ДНК под названием ДНМТ1 может узнать ДНК, у которой метилирование ДНК присутствует только на одной цепочке, и может восстановить его на другой цепочке, тем самым восстанавливая изначальную схему метилирования ДНК.

Но если делящиеся клетки обработаны 5-азацитидином, то это аномальное цитидиновое основание добавляется в новую цепочку ДНК при копировании генома. Так как в аномальном основании место атома углерода занимает атом азота, фермент ДНМТ1 не может восстановить отсутствующую метиловую группу. Если это явление повторяется в процессе деления клеток, метилирование ДНК начинает выхолащиваться.

При делении клеток под воздействием 5-азацитидина происходит еще что-то интересное. Теперь известно, что когда ДНМТ1 связывается с областью, в которой ДНК содержит 5-азацитидин вместо обычного цитидина, ДНМТ1 прилипает к нему[172]. Этот оказавшийся в тупике фермент затем отсылается в другую часть клетки и разрушается. По этой причине общие уровни фермента ДНМТ1 в клетке понижаются[173][174]. Уменьшение количества ДНМТ1 в сочетании с фактом, что 5-азацитидин не может быть метилирован, означает, что объемы метилирования ДНК в клетке продолжают падать. Через некоторое время мы еще вернемся к вопросу о том, почему такое снижение уровня метилирования ДНК оказывается эффективным для борьбы с раком.

Итак, 5-азацитидин является примером того, как противораковый агент неожиданно проявил свои эпигенетические свойства. Как это ни странно, но довольно похожая история произошла и с другим соединением, которое теперь уже стало лицензированным средством лечения рака[175].

Еще одна счастливая случайность

В 1971 году Шарлотта Френд продемонстрировала, что очень простое химическое соединение под названием ДМСО (полностью его имя звучит как диметилсульфоксид) оказывает неожиданно странное воздействие на раковые клетки мышей, больных лейкемией. Когда эти клетки обрабатывались ДМСО, они становились красными. Происходило это по той причине, что они активировали ген гемоглобина, пигмента, благодаря которому эритроциты имеют красный цвет[176]. Пораженные лейкемией клетки обычно никогда не активируют этот ген, и механизм этого явления был совершенно неизвестен.

Рональд Бреслоу из Колумбийского университета, а также Пол Маркс и Ричард Рифкинд из Мемориального ракового центра Слоуна-Кеттеринга, были весьма заинтригованы исследованиями Шарлотты Френд. Рональд Бреслоу тут же приступил к разработкам и созданию новых химических соединений, используя в качестве отправной точки строение ДМСО и кое-что добавляя или меняя в нем, как это делается при создании новых конструкций из деталей Лего. Пол Маркс и Ричард Рифкинд начали тестировать эти соединения на различных клеточных моделях. Некоторые из соединений оказывали на клетки иное, нежели ДМСО, воздействие. Они останавливали рост клеток.

После многочисленных экспериментов, дававших важную информацию о новых и все более усложнявшихся соединениях, ученые создали молекулу, получившую название САГК (субероиланилид гидроксамовая кислота). Это химическое соединение оказалось чрезвычайно эффективным препаратом для подавления роста и/или инициирования гибели клеток в популяции раковых клеток[177]. Однако ученым потребовалось еще целых два года, чтобы определить, что именно САГК делает в клетках. Ключевой момент в изысканиях произошел более чем через 25 лет после появления публикации Шарлотты Френд, когда Виктория Ричон из команды Пола Маркса прочла доклад группы исследователей из Токийского университета, датированный еще 1990 годом.

Японские ученые работали с соединением, которое называется Трихостатин А или ТСА. Как на тот момент уже было известно, ТСА препятствовал размножению клеток. Японские исследователи показали, что применение ТСА меняло пределы, в которых гистоновые белки присоединяли к себе ацетиловую химическую группу в популяции раковых клеток. Гистоновое ацетилирование — это одна из эпигенетических модификаций, с которой мы уже встречались в главе 4. Когда клетки обрабатывались ТСА, уровни гистонового ацетилирования повышались. Происходило это не потому, что это химическое соединение активировало ферменты, которые накладывают ацетиловые группы на гистоны. Причина была в том, что ТСА подавлял ферменты, удалявшие ацетиловые группы с этих хроматиновых белков. Эти белки называются гистондезацетилазами или, для краткости, ГДАЦ[178].

Виктория Ричон сравнила строение ТСА со строением САГК, которые показаны на рисунке 11.2.

Рис. 11.2. Строения ТСА и САГК. в которых схожие участки заключены в кружки. С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород.Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намеренно не показаны, однако они присутствуют там, где соединение изображено двойной чертой

Не нужно обладать ученой степенью по химии, чтобы заметить, что ТСА и САГК выглядят удивительно похоже, особенно участками, которые находятся справа в цепи. Виктория Ричон предположила, что, подобно ТСА, САГК также подавляет ГДАЦ. В 1998 году она вместе с коллегами опубликовала доклад, в котором подтвердила, что все именно так и обстоит[179]. САГК не дает ферментам ГДАЦ удалять ацетиловые группы с гистоновых белков, и в результате этого на гистонах оказывается много ацетиловых групп.

За пределами совпадений

Итак, 5-азацитидин и САГК оба подавляют разрастание раковых клеток и оба понижают активность эпигенетических ферментов. Казалось бы, мы имеем все основания считать, что это свидетельствует в пользу теории о том, что эпигенетические белки важны при развитии рака, но, возможно, мы делаем слишком поспешные выводы? Может быть, всего лишь случайным совпадением является то, что оба эти препарата воздействуют на эпигенетические белки? В конце концов, ферменты, которые являются мишенями для этих двух химических соединений, совершенно различны. 5-азацитидин подавляет ферменты ДНМТ, которые добавляют метиловые группы к ДНК. САГК, в свою очередь, подавляет семейство ферментов ГДАЦ, которые удаляют ацетиловые группы с гистоновых белков. На первый взгляд эти два процесса выглядят абсолютно разными. Может быть, не более чем совпадение то, что и 5-азацитидин, и САГК подавляют эпигенетические ферменты?

Эпигенетики считают, что о совпадении здесь не может быть и речи. Ферменты метилтрансферазы ДНК добавляют метиловую группу к цитидиновому основанию. Высокие концентрации этого основания присутствуют в длинных, насыщенных ЦГ цепочках ДНК, известных как островки CpG. Эти островки находятся выше генов, в областях промоторов, контролирующих экспрессию генов. Когда ДНК островка CpG оказывается сильно метилированной, ген, контролируемый этим промотором, подавляется. Другими словами, метилирование ДНК является репрессивной модификацией. Активность ДНМТ повышает метилирование ДНК и, соответственно, понижает экспрессию генов. Подавляя эти ферменты 5-азацитидином, мы можем повысить экспрессию гена.

Гистоновые белки также присутствуют в промоторах генов. Гистоновые модификации могут быть очень сложными, в чем мы уже убедились в главе 4. Но гистоновое ацетилирование является наиболее радикальным из них, если говорить о его воздействии на экспрессию генов. Если гистоны, находящиеся над геном, сильно ацетилированы, то этот ген будет активно экспрессироваться. Если гистоны недостаточно ацетилированы, то ген будет отключен. Гистоновое дезацетилирование является репрессивным изменением. Гистоновые дезацетилазы (ГДАЦ) удаляют ацетиловые группы с гистоновых белков и тем самым понижают экспрессию генов. Подавляя эти ферменты с помощью САГК, мы также можем усилить экспрессию генов.

Так что в обоих случаях действует один и тот же принцип. Оба наши ничем не связанные между собой химические соединения, контролирующие рост раковых клеток в культуре и теперь уже являющиеся лицензированными препаратами для лечения рака у человека, подавляют эпигенетические ферменты. Поскольку они повышают экспрессию генов, то возникает очередной вопрос: почему это так важно для лечения рака? Чтобы разобраться в этом, нам придется совершить небольшой экскурс в биологию рака.

Начальный курс биологии рака

Рак является результатом аномального и неконтролируемого разрастания клеток. Обычно клетки нашего организма делятся и размножаются в строго выверенном темпе. Этот процесс контролируется сложным уравновешивающим взаимодействием различных групп генов в наших клетках. Определенные гены способствуют разрастанию клетки. Иногда они называются протоонкогенами. Эти гены были обозначены значком «плюс» на диаграмме в предыдущей главе. Другие гены сдерживают клетку, препятствуя ее слишком активному разрастанию. Эти гены называются супрессорами новообразований. На той же диаграмме они были представлены знаком «минус».

Протоонкогены и супрессоры новообразований сами по себе не хорошие и не плохие. В здоровых клетках активность генов этих двух классов уравновешивает друг друга. Но когда в регуляции этого взаимодействия возникают какие-то неполадки, механизм пролиферации (то есть разрастания) клетки тоже может давать сбои.

Если протоонкогены становятся слишком активными, они могут подтолкнуть клетку к раковому состоянию. С другой стороны, если супрессоры новообразований оказываются репрессированными, они не могут больше препятствовать делению клетки. В обоих случаях результат одинаков — клетка может начать пролиферировать слишком быстро.

Однако рак не является всего лишь следствием излишне активной пролиферации клеток. Если клетки делятся слишком быстро, но по всем прочим параметрам остаются нормальными, то они образуют структуры, которые называются доброкачественными опухолями. Они могут быть неприглядными, они могут доставлять неудобства, но если они не давят на жизненно важный орган и не препятствуют его деятельности, то сами по себе практически не являются смертельно опасными. При полностью развившемся раке клетки не просто делятся слишком быстро, а сами становятся аномальными и начинают вторгаться в другие ткани.

Примером доброкачественных опухолей может служить родинка. К ним также относятся и небольшие наросты на внутренней поверхности толстой кишки, которые называются полипами. Ни родинки, ни полипы как таковые опасности не представляют. Проблема в том, что чем больше у человека родинок или полипов, тем выше вероятность того, что одно из этих образований сделает следующий шаг и разовьется в аномалию, которая подтолкнет его еще дальше по пути к возникновению полномасштабного рака.

Под этим подразумевается некий важный вывод, который неоднократно был подтвержден многими экспериментами. Рак — не одномоментное явление. Это многоступенчатый процесс, при котором каждый новый этап ведет клетку все дальше по пути превращения ее в злокачественную. Это утверждение справедливо даже в тех случаях, когда человек наследует очень сильную предрасположенность к раку. Примером этого может быть предклимактерический рак груди, передающийся в некоторых семьях от поколения к поколению. Женщины, унаследовавшие мутировавшую копию гена под названием BRCA1, подвергаются очень высокой опасности раннего развития тяжелой формы рака груди, плохо поддающегося лечению. Но даже эти женщины не рождаются с активной формой рака груди. На развитие ему требуются многие годы, поскольку для этого должны аккумулироваться и другие нарушения.

Итак, клетки, аккумулируя отклонения, постепенно приближаются к тому, чтобы превратиться в раковые. Эти дефекты должны передаваться от материнской клетки дочерним клеткам, потому что в противном случае они бы утрачивались каждый раз при делении клетки. Эти дефекты должны быть наследуемыми, чтобы привести к развитию рака. Не удивительно, что многие годы внимание ученого сообщества было сосредоточено на выявлении мутаций в генах, задействованных в развитии рака. Исследователи искали изменения в генетическом коде, в основополагающей схеме. Особенный интерес они проявляли к супрессорам новообразований, поскольку именно эти гены обычно подвержены мутациям при наследуемых видах рака.

Человек обычно располагает двумя копиями каждого гена-супрессора новообразований, как и большинства других, находящихся на аутосомах. По мере того, как клетка превращается в раковую, обе копии ключевых генов-супрессоров обычно подавляются (инактивируются). Во многих случаях это происходит по той причине, что ген мутирует в раковых клетках. Это явление называется соматической мутацией — она происходит в клетках организма в какой-то момент жизни, когда человек еще полностью здоров. Такие мутации называются соматическими, чтобы отличать их от генетических мутаций, передающихся от родителя ребенку. Мутации, инактивирующие две копии супрессора новообразований, могут быть самыми разнообразными. В некоторых случаях ими могут быть изменения в последовательности аминокислоты, приводящие к тому, что ген становится неспособен продуцировать функциональный белок. B других ситуациях это может быть утрата важной части хромосомы в становящихся раковыми клетках. У отдельного человека одна копия определенного супрессора новообразований может нести на себе мутацию, меняющую последовательность аминокислоты, тогда как на другой копии может отсутствовать часть хромосомы.

Совершенно ясно, что такие явления имеют место, причем происходят они довольно часто, но не менее часто оказывается крайне сложно точно определить, как именно мутировал супрессор новообразований. В последние пятнадцать лет мы начали понимать, что существует и другой способ, которым могут репрессироваться гены-супрессоры новообразований. Ген может подавляться эпигенетически. Если ДНК у промотора становится сильно метилированной или на гистоны накладываются репрессивные модификации, то супрессоры новообразований отключаются. Ген, таким образом, инактивируется без внесения изменений в базовую схему.

Эпигенетический рубеж рака

В разных лабораториях были определены виды рака, при которых имеет место именно этот процесс. Одной из первых в их числе называлась одна из разновидностей рака почки — гипернефроидная опухоль почки. Ключевым моментом при развитии этот вида рака является подавление особого гена-супрессора новообразований VHL. В 1994 году группа исследователей, возглавляемая известным ученым Стивеном Бэйлином, из Медицинского института Джонса Хопкинса в Балтиморе проанализировала островок CpG, расположенный перед геном VHL. В 19 процентах исследованных ими случаев гипернефроидной опухоли почки ДНК этого островка была гиперметилированной. В результате экспрессия этого ключевого гена-супрессора новообразований оказалась подавлена, что практически наверняка и стало главной причиной развития рака у исследованных учеными пациентов[180].

Метилирование промотора отнюдь не ограничивается лишь супрессором новообразований VHL и гипернефроидной опухолью почки. На следующем этапе работы профессор Бэйлин с коллегами проанализировали ген-супрессор новообразований BRCA1 при раке груди. Они исследовали случаи, при которых в роду у пациентов не было предков, страдавших этим заболеванием, а само оно не было вызвано мутацией BRCA1, которую мы обсуждали несколькими абзацами выше. В 13 процентах этих спорадических случаях рака груди островок CpG на BRCA1 оказался гиперметилированным[181]. Более широкий спектр аномалий в метилировании ДНК при раке был продемонстрирован Жаном-Пьером Исса из Андерсоновского ракового центра в Хьюстоне, работавшим в сотрудничестве со Стивеном Бэйлином. В результате совместно проведенных исследований они обнаружили, что более чем в 20 процентах случаев рака толстой кишки имеют место высокие уровни метилирования промотора ДНК одновременно на многих разных генах[182].

Последующие работы показали, что метилирование ДНК не является единственным фактором, претерпевающим изменения при раке. Существуют прямые свидетельства того, что гистоновые модификации также ведут к подавлению генов-супрессоров новообразований. Например, гистоны, связанные с геном-супрессором новообразований под названием ARHI, при раке груди отличаются низкими уровнями ацетилирования[183]. Подобное явление происходит и с супрессором новообразований PER1 при развитии одной из разновидностей рака легкого, которая называется немелкоклеточной карциномой легкого[184]. В обоих случаях наблюдается взаимосвязь между уровнями гистонового ацетилирования и экспрессией супрессора новообразований — чем ниже уровни ацетилирования, тем слабее экспрессия гена. Поскольку эти гены оба являются супрессорами новообразований, их пониженная экспрессия ведет к тому, что клетке становится труднее сдерживать пролиферацию.

Понимание того, что гены-супрессоры новообразований часто подавляются эпигенетическими модификациями, оказалось сродни свету в конце тоннеля, поскольку оно указывало путь для поиска нового способа лечения рака. Если бы удалось снова активировать один или несколько генов-супрессоров в раковых клетках, то появлялись бы реальные шансы обуздать безумную пролиферацию этих пораженных клеток. Возможно, уходящий поезд можно было бы не только остановить, но и повернуть обратно.

Когда ученые думали, что супрессоры новообразований подавляются вследствие мутаций или делеций, они не располагали широким выбором возможностей для повторного включения этих генов. В настоящее время проводятся исследования, которые должны дать ответ на вопрос, можно ли решить эту задачу с помощью генной терапии. При определенных условиях генная терапия может оказаться чрезвычайно эффективной, но говорить, что она станет решением проблемы, было бы пока слишком преждевременно. Генная терапия уже неоднократно и небезуспешно применялась при самых разных заболеваниях. Однако обычно крайне сложно доставить гены в нужные клетки, а затем заставить их активироваться, когда они окажутся на месте. Даже когда нам удается сделать это, часто организм отторгает кажущиеся ему лишними гены, и вся предварительная кропотливая работа оказывается сделанной впустую. Имели место и такие относительно редкие случаи, когда генная терапия сама инициировала развитие рака, так как имела непредсказуемые последствия, вызывавшие повышенную пролиферацию клеток. Но научное сообщество не оставляет надежд на генную терапию, и в определенных случаях именно она предлагает выход из тупиковых ситуаций[185]. Однако при таких заболеваниях как рак, когда в лечении нуждаются многие и многие люди, она оказывается слишком дорогой и сложной.

Вот почему вокруг разработки эпигенетических препаратов для лечения рака наблюдается такой ажиотаж. По определению, эпигенетические изменения не затрагивают базовый код ДНК. Как мы уже убедились, у некоторых пациентов одна копия супрессора новообразований бывает подавлена воздействием на нее эпигенетических ферментов. У этих больных код нормального белка супрессора новообразований не поражен мутацией. Значит, есть надежда, что лечение этих пациентов соответствующими эпигенетическими препаратами может изменить аномальную схему метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Если мы сможем добиться этого, то нормальный ген-супрессор новообразований будет снова активирован, что поможет организму вернуть себе контроль над раковыми клетками.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами (УПЛ) уже выдало лицензии на клиническое применение для лечения рака в США двум препаратам, подавляющим фермент ДНМТ1. Это 5-азацитидин (торговая марка «Видаза») и родственный ему 2-аза-5’-деоксицитидин (торговая марка «Дакоген»). Лицензии получили и два препарата, подавляющие ГДАЦ. Ими стали САГК (торговая марка «Золинза»), с которым мы уже встречались выше, и молекула под названием ромидепсин (торговая марка «Истодакс»), которая по химическому строению сильно отличается от САГК, но также подавляет ферменты ГДАЦ.

Не довольствуясь почестями и лаврами успеха, достигнутого им в раскрытии молекулярных функций 5-азацитидина, работы Питера Джонса, Стивена Бэйлина и Жан-Пьера Исса на протяжении последних тридцати лет сыграли просто огромную роль в продвижении этого химического соединения, пройдя долгий путь от лабораторных до клинических испытаний, что позволили стать ему лицензированный лекарственный препаратом. Не менее важную роль сыграла и Виктория Ричон в аналогичном процессе при создании лекарственного препарата САГК.

Лицензирование этих четырех химических соединений, направленных против двух различных видов ферментов, стало началом нового витка в развитии всей отрасли эпигенетической терапии. Однако они не стали универсальными чудо-препаратами, теми серебряными пулями, которыми можно было бы поразить любые разновидности рака.

Не стоит рассчитывать на чудо

И это не было сюрпризом ни для кого, кто работает в области исследования и лечения рака. Временами складывается впечатление, что некоторые журналисты бульварных изданий буквально пребывают под непреодолимым гнетом навязчивой идеи сообщить всему миру об открытии лекарства от рака. Нужно сказать, что вообще ученые стремятся избегать категоричности в суждениях, однако если большинство из них и придерживается в чем-то единого мнения, так это в том, что какого-либо универсального лекарства от рака не будет создано никогда.

Дело в том, что рак многообразен. Существуют, возможно, свыше сотни разных заболеваний с этим названием. Если мы возьмем всего лишь один пример — скажем, рак груди, — то обнаружим, что только это конкретное заболевание насчитывает множество разновидностей. Одни из них развиваются в результате реакции на женский гормон эстроген. Другие наиболее резко реагируют на белок под названием эпидермальный фактор роста. Ген BRCA1 в одних случаях рака груди репрессируется или мутирует, а в других — нет. Некоторые виды рака груди не реагируют ни на какие известные нам факторы роста рака, но могут оказаться восприимчивы к другим сигналам, которые мы пока не способны идентифицировать.

Поскольку рак представляет собой многоступенчатый процесс, два пациента, симптомы болезни которых выглядят очень схожими, могут страдать от совершенно различных молекулярных процессов. Их заболевания могут быть следствием разных сочетаний мутаций, эпигенетических модификаций и других факторов, инициирующих рост и развитие опухолей. А это значит, что разным пациентам требуются разные виды и комбинации противораковых препаратов.

Однако даже с учетом этого результаты клинических испытаний ингибиторов ДНМТ и ГДАЦ оказались весьма удивительными. Ни один из них не проявил себя эффективно при массивных новообразованиях, к которым относятся рак груди, толстой кишки или простаты. Однако они оказались наиболее действенны при борьбе с видами рака, развивающимися из клеток, вырабатывающих лейкоциты, циркуляция которых по организму является частью нашей системы защиты от болезнетворных микроорганизмов. Такие разновидности рака называются гематологическими опухолями. Пока не ясно, почему существующие эпигенетические препараты оказываются неэффективными для противоборства с массивными новообразованиями. Возможно, причина этого в том, что в этих видах рака действуют иные молекулярные механизмы, отличные от механизмов гематологических опухолей. С другой стороны, существует вероятность и того, что лекарственные препараты не могут проникать в массивные новообразования в достаточно высокой концентрации, чтобы воздействовать на большую часть раковых клеток.

Но даже и при гематологических опухолях существует заметная разница в воздействии ингибиторных препаратов ДНМТ и ГДАЦ. Оба ингибитора ДНМТ были официально допущены к применению против заболевания, известного как миелодиспластический синдром[186][187]. Это аномалия в развитии спинного мозга.

Оба ингибитора ГДАЦ получили лицензии на использование их для лечения другого вида гематологических опухолей, который называется кожная Т-клеточная лимфома[188]. При этом заболевании кожа становится насыщенной пролиферирующими иммунологическими клетками, называемыми Т-клетками, образующими видимые бляшки и обширные поражения кожного покрова.

Далеко не на каждого пациента, страдающего миелодиспластическим синдромом или кожной Т-клеточной лимфомой, эти препараты оказывают одинаково эффективное воздействие. И даже у тех пациентов, которые демонстрируют реакцию на эти средства, ни одно из них не излечивает заболевание полностью. Если пациенты перестают принимать лекарства, болезнь возвращается. Создается впечатление, что ингибиторы ДНМТ1 и ГДАЦ всего лишь сдерживают рост раковых клеток, замедляя и подавляя его. Они скорее ослабляют развитие болезни, нежели избавляют от нее.

Однако даже такие результаты часто приносит пациентам существенное облегчение, возрождая в них надежду на долголетие и/ или повышая качество жизни. Например, многие больные кожной Т-клеточной лимфомой испытывают постоянные боли и страдания из-за непрекращающегося и мучительного зуда в пораженных участках. Ингибиторы ГДАЦ зарекомендовали себя как весьма эффективное средство для смягчения этих симптомов даже у тех пациентов, на продолжительность жизни которых они не оказали какого-либо заметного влияния.

Нужно признаться, что часто бывает очень сложно прогнозировать, каким больным принесет пользу то или иное новое противораковое средство. И это является одной из самых серьезных проблем, стоящих перед фармацевтическими компаниями, разрабатывающими новые эпигенетические способы лечения рака. Даже сегодня, через несколько лет после выдачи Управлением по контролю за продуктами и лекарствами первых лицензий 5-азацитидину и САГК, нам по-прежнему неизвестно, почему эти препараты оказываются намного более эффективными при борьбе с миелодиспластическим синдромом и кожной Т-клеточной лимфомой, чем с другими видами рака. Просто так случилось, что при первых клинических испытаниях на человеке пациенты, страдавшие именно этими заболеваниями, более активно реагировали на эти лекарственные препараты, чем больные другими видами рака. Как только проводящие испытания исследователи обратили на это внимание, они стали планировать последующие испытания таким образом, чтобы они были в первую очередь ориентированы на представителей этих групп.

На первый взгляд, тут нет никакой серьезной проблемы. Казалось бы, фармацевтические компании могут продолжать разрабатывать разнообразные лекарства, а затем, тестируя их на пациентах, страдающих разными видами рака, и используя во всевозможных комбинациях с другими противораковыми препаратами, на практике определять, как можно использовать их наилучшим образом.

Главное препятствие такому развитию событий состоит в высокой стоимости затрат. Если мы зайдем на сайт Национального института раковых заболеваний, то сможем узнать о количестве испытаний, которые проходит тот или иной препарат в настоящий момент. В феврале 2011 года, например, проводилось 88 тестирований САГК[189]. Сложно дать точную оценку стоимости клинических испытаний, однако, основываясь на данных 2007 года, можно говорить, что, по самым скромным подсчетам, она составляет 20 тысяч долларов на каждого пациента[190]. Учитывая, что в каждом испытании участвуют двадцать пациентов, мы можем сделать вывод, что только клинические испытания САГК обходятся Национальному институту раковых заболеваний в сумму свыше 35 миллионов долларов. И это наверняка нижняя граница возможных расходов.

Исследователи из Колумбийского университета и Ракового центра Слоуна-Кеттеринга, первыми разработавшие САГК, тут же получили патент на свое открытие. Затем они заключили договор с компанией под названием «Атон Фарма» на создание из САГК лекарственного препарата. В 2004 году, когда это средство продемонстрировало первые обнадеживающие результаты в лечении кожной Т-клеточной лимфомы, «Атон Фарма» была приобретена гигантским фармацевтическим концерном «Мерк» за сумму, превышающую 120 миллионов долларов. Не приходится сомневаться в том, что «Атон Фарма» затратила миллионы долларов на доведение САГК до стадии лекарственного средства. Разработка лекарственных препаратов — весьма дорогостоящее занятие. Две компании, выпустившие на рынок ингибиторы ДНМТ1, относительно недавно были куплены более серьезными фармацевтическими фирмами, причем стоимость каждой сделки составили почти 3 миллиарда долларов[191]. Если компания затрачивает астрономические суммы денег на разработку или приобретение нового лекарственного препарата, то она вряд ли станет вести себя подобно пьяному матросу, когда дело дойдет до клинических испытаний.

Конечно, значительно большего прогресса можно было бы достичь, если бы мы могли проводить клинические испытания, заранее представляя себе, на борьбу с какими видами рака ориентировано то или иное средство, чем продолжать действовать, полагаясь на слепую удачу. К сожалению, большинство исследователей сходятся во мнении, что испытания противораковых препаратов на животных не позволяют в полной мере судить о том, насколько эти же средства окажутся эффективными при лечении рака у людей. Если говорить до конца откровенно, то это относится не только к противораковым препаратам, нацеленным на эпигенетические ферменты, но и практически ко всей онкологической фармации.

В стремлении обойти эту проблему исследователи как теоретических, так и практических областей пытаются сейчас найти следующее поколение эпигенетических мишеней в онкологии. ДНМТ1 принадлежит к числу ферментов относительно широкого поля деятельности. Метилирование ДНК это, скорее, все или ничего — подлежит ли CpG метилированию или нет? Не проявляют особую избирательность обычно и ГДАЦ. Если им удается получить доступ к ацетилированному лизину на отростке гистона, они удаляют эту ацетиловую группу. На отростке гистона обычно присутствует много лизинов — на гистоне H3, например, их семь. САГК способны подавлять, по меньшей мере, десять различных ферментов ГДАЦ. Вполне вероятно, что каждый из этого десятка способен дезацетилировать любой из семи лизинов на отростке H3, а это вряд ли можно назвать примером точной настройки.

Легких побед не бывает

Вот почему фармакологические исследования сейчас направлены на изучение различных эпигенетических ферментов, которые значительно более ограничены в своей деятельности, чтобы определить, какие из них играют важную роль в развитии разных видов рака. Главная причина этого в том, что проще будет понять клеточную биологию ферментов относительно ограниченного поля деятельности, а это, в свою очередь, поможет определить, какие лекарственные средства окажутся наиболее эффективными для борьбы с тем или иным видом рака.

Первая проблема в осуществлении этих планов выглядит довольно обескураживающей. Какие именно белки нужно исследовать? Существует, пожалуй, не меньше сотни ферментов, накладывающих или удаляющих гистоновые модификации («писателей» и «ластиков» эпигенетического кода). Наверное, не уступают им в численности и белки, считывающие эпигенетический код. Наша задача еще более усложняется тем, что многие из этих «писателей», «ластиков» и «читателей» активно взаимодействуют друг с другом. Как же нам приступить к определению наиболее подходящих кандидатов на главные роли в новых программах по разработке лекарственных средств?

В нашем распоряжении нет таких химических соединений как 5-азацитидин и САГК, на которые мы могли бы опереться в своих исследованиях, поэтому нам остается только рассчитывать на собственные относительно неполные знания рака и эпигенетики. Одна из тем, обещающих принести плоды, состоит в изучении того, как гистоновые и ДНК модификации действуют в тандеме.

Наиболее сильно репрессированные участки генома отличаются высокими уровнями метилирования ДНК и чрезвычайной компактностью. ДНК в них становится предельно туго закрученной и практически недостижимой для ферментов, транскрибирующих гены. Но наибольшую важность представляет вопрос о том, как эти области подвергаются жесткой репрессии. Модель этого процесса продемонстрирована на рисунке 11.3.

Рис. 11.3. Схематические изображение того, как различные виды эпигенетических модификаций взаимодействуют друг с другом, постепенно создавая все более жестко репрессированный и туго закрученный участок хромосомы, в результате чего клетке становится чрезвычайно сложно экспрессировать гены с этого участка

На этой модели показана последовательная цепочка событий, приводящих клетку во все более репрессивное состояние. В соответствии с этой моделью, репрессивные гистоновые модификации притягивают метилтрансферазы ДНК, которые осуществляют метилирование ДНК в области этих гистонов. Это метилирование, в свою очередь, притягивает больше модифицирующих репрессивные гистоны ферментов, в результате чего возникает неизменный цикл, что, в свою очередь, приводит к формированию все более неблагоприятного для экспрессии генов участка.

Данные экспериментов подтверждают, что во многих случаях эта модель соответствует действительности. Репрессивные гистоновые модификации могут выступать в роли «наживки» для привлечения метилирования ДНК к промотору гена-супрессора новообразований. Одним из наиболее ярких примеров этого является эпигенетический фермент, который мы уже встречали в предыдущей главе, под названием EZH2. Белок EZH2 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта аминокислота известна как H3K27. К — это однобуквенный код лизина (L — код другой аминокислоты, которая называется лейцин).

Метилирование H3K27 само по себе может подавить экспрессию гена. Однако, по меньшей мере в некоторых типах клеток млекопитающих, это гистоновое метилирование привлекает метилтрансферазы ДНК к тому же самому участку хроматина[192][193]. В число метилтрансфераз ДНК входят ДНМТ3А и ДНМТ3Б. Это важно, поскольку ДНМТ3А и ДНМТ3Б способны осуществлять процесс, известный как независимое метилирование ДНК. Иначе говоря, они могут метилировать необработанную ДНК и создавать совершенно новые участки чрезвычайно репрессированного хроматина. В результате, клетка получает возможность превратить относительно непостоянную репрессивную метку (метилирование H3K27) в более стабильное метилирование ДНК.

Не менее важны и другие ферменты. Фермент под названием LSD1 удаляет метиловые группы с гистонов — это «ластик» эпигенетических модификаций[194]. Особенно активно он делает это в позиции 4 на гистоне H3 (H3K4). H3K4 представляет собой противоположность H3K27, так как когда H3K4 свободен от метиловых групп, гены обычно остаются подавленными.

Неметилированный H3K4 может связывать белки, и один из них называется DNMT3L. Пожалуй, не должно вызывать удивления то, что он родственен ДНМТ3А и ДНМТ3Б. DNMT3L сам не метилирует ДНК, но притягивает ДНМТ3А и ДНМТ3Б к неметилированному H3K4. В этом состоит еще один способ наложения стабильного метилирования ДНК на прежде девственный участок[195].

По всей вероятности, многие гистоны, расположенные у промоторов генов-супрессоров новообразований, способны нести на себе обе эти репрессивные гистоновые метки — метилирование H3K27 и неметилирование H3K4, — которые, действуя одновременно, влияют на метилтрансферазы ДНК еще активнее.

И EZH2, и LSD1 способны активировать гены при определенных видах рака, и их экспрессия согласуется с тяжестью заболевания и уровнем смертности пациентов[196][197]. По общему правилу, чем более активны эти ферменты, тем ниже шансы пациентов на благоприятный исход.

Итак, пути воздействия гистоновых модификаций и метилирования ДНК постоянно пересекаются. Это может объяснить, по крайней мере отчасти, одну из загадок современной эпигенетической терапии. Почему такие химические соединения как 5-азацитидин и САГК всего лишь контролируют раковые клетки, а не уничтожают их полностью?

В предложенной нами модели при помощи 5-азацитидина можно подавлять метилирование ДНК, лишь пока пациент принимает этот препарат. К несчастью, многие противораковые лекарственные средства обладают весьма опасными побочными эффектами, и ингибиторы ДНМТ не являются исключением. Постепенно эти побочные эффекты могут превратиться в настолько серьезную проблему, что пациенты оказываются вынужденными прекратить прием лекарств. Однако раковые клетки больных по-прежнему могут сохранить гистоновые модификации у супрессоров новообразований. Как только пациент перестает принимать 5-азацитидин, эти гистоновые модификации практически немедленно снова начинают притягивать ферменты ДНМТ, восстанавливая стабильную репрессию экспрессии генов.

Некоторые исследователи проводят клинические испытания, одновременно применяя САГК и 5-азацитидин, и пытаются вмешаться в этот цикл, разрушая механизмы эпигенетического подавления ДНК и гистонов. Пока неясно, окажутся ли их усилия успешными. В случае неблагоприятного исхода можно будет предположить, что в восстановлении метилирования ДНК низкие уровни гистонового ацетилирования играют далеко не главную роль. Возможно, для этого более важны некие особые гистоновые модификации, подобные тем, которые мы только что описали. Но мы пока не имеем лекарственных средств для подавления каких-либо других эпигенетических ферментов, так что на настоящий момент мы зашли в тупик, где мы просто лишены возможности выбора.

В будущем, возможно, нам вовсе не придется пользоваться ингибиторами ДНМТ. Связь между метилированием ДНК и гистоновыми модификациями при раке не абсолютна. Если островок CpG метилирован, то расположенный под ним ген подавлен. Но существуют и гены-супрессоры новообразований, которые располагаются под неметилированными островками CpG, как и такие, которые вообще не имеют островков CpG. Эти гены также могут быть подавлены, но исключительно благодаря гистоновым модификациям[198]. Это продемонстрировал Жан-Пьер Исса из Андерсоновского Ракового центра Хьюстона, сделавший огромный вклад в клиническое применение методик эпигенетической терапии. В таких случаях, если нам удастся обнаружить подходящие эпигенетические ферменты, на которые следует направить ингибиторы, у нас, возможно, получится возобновить экспрессию супрессоров новообразований, и тогда нас уже перестанет волновать вопрос метилирования ДНК.

Шаткое перемирие

Есть ли что-то особенное в генах-супрессорах новообразований, которые подавляются эпигенетическими модификациями? На этот счет существуют две взаимоисключающие теории. Согласно первой из них, эти гены не представляют собой ничего из ряда вон выходящего, и этот процесс абсолютно случаен. По этой теории, время от времени те или иные супрессоры новообразований случайно подвергаются эпигенетическим модификациям. Если в результате этого происходит изменение экспрессии гена, то это может означать, что клетки с такой эпигенетической модификацией начинают расти чуть быстрее и чуть лучше, чем их соседи. Это дает клеткам преимущество в росте, и они перерастают окружающие их клетки, постепенно аккумулируя все больше эпигенетических и генетических изменений, в результате чего они трансформируются в раковые.

Другая точка зрения заключается в том, что супрессоры новообразований, подавляемые эпигенетически, являются каким-то образом выбранными для этого процесса мишенями. Это не просто случайное стечение неблагоприятных обстоятельств, так как на самом деле риск именно этих генов подвергнуться эпигенетической репрессии превышает среднестатистические показатели.

В последние годы — когда в нашем распоряжении появились технологии для составления все более точных профилей эпигенетических модификаций в самых разнообразных типах клеток — мы начинаем склоняться в сторону второй позиции. Существует целый ряд генов, которые, как представляется, более других уязвимы для репрессии эпигенетическими механизмами.

На первый взгляд это может показаться полностью противоречащим здравому смыслу. Как, ради всего святого, могло случиться, что в результате миллиардов лет эволюции мы оказались обладателями клеточного механизма, делающего нас уязвимыми перед канцерогенными изменениями? Однако это следует рассматривать в контексте. Большинство эволюционных процессов неразрывно связаны со стремлением индивидуума оставить после себя как можно более многочисленное потомство. Для человека, достигающего репродуктивного возраста, крайне важно, чтобы его раннее развитие протекало максимально продуктивно. В конце концов, о каком воспроизводстве можно говорить, не пройдя благополучно эмбриональную стадию развития? Но как только мы достигаем репродуктивного возраста и получаем возможность продолжить род, то, с эволюционной точки зрения, нам совсем необязательно продолжать жить после этого еще несколько десятилетий.

Именно по этой причине в ходе эволюции предпочтение отдавалось совершенствованию клеточных механизмов, обеспечивающих эффективные рост и развитие на ранних стадиях, включая и производство многочисленных и разнообразных типов тканей. Многие из этих типов тканей содержат в себе запасы стволовых клеток, специфических для каждой ткани. Эти клетки необходимы организмам для роста тканей в процессе нашего взросления и для регенерации тканей после травм. Назначения и отличительные особенности этих специфических для разных тканей стволовых клеток контролируются отлаженными механизмами эпигенетических модификаций. Пользуясь эпигенетическими модификациями для контроля экспрессии генов, клетки сохраняют некоторую гибкость. Например, они имеют возможность превращаться в более специализированные клетки. Возможно, когда мы говорим о раке, еще более важно то, что эпигенетические модификации также позволяют клеткам делиться и создавать новые стволовые клетки. Поэтому мы никогда не будем испытывать недостатка в клетках кожи или клетках костного мозга, даже если проживем сотню лет.

Это требование к схемам экспрессии генов, которые отнюдь не высечены в камне, возможно, и является той причиной, по которой эпигенетическая репрессия генов-супрессоров новообразований не может быть случайным процессом. Невозможно идти сразу двумя маршрутами. Регуляторные системы, придающие клеткам гибкость, одновременно являются и системами, позволяющими им сбиваться с верного пути. С эволюционной точки зрения, это та плата, которую нам приходится вносить за то, чтобы чувствовать себя Машенькой из сказки про трех медведей. Согласно эпигенетическим сценариям, некоторые из наших клеток не полностью плюрипотентные или окончательно дифференцированные. Напротив, они, не принадлежа ни к тем, ни к другим, колеблются где-то у самой вершины уоддингтоновского эпигенетического ландшафта, готовые в любой момент скатиться вниз.

Питер Лэйрд, работающий, как и Питер Джонс, в Университете Южной Калифорнии, продемонстрировал, как действует эффект домино этой системы в раковых клетках. Его сотрудники сделали анализ схем метилирования ДНК в раковых клетках, обращая особое внимание на промоторы генов-супрессоров новообразований. Как оказалось, гены-супрессоры новообразований, гистоны которых были метилированы комплексом EZH2 в ЭС клетках, в двенадцать раз чаще демонстрировали аномально высокие уровни метилирования ДНК, нежели гены, которые не стали мишенью для EZH2. Питер Лэйрд очень элегантно охарактеризовал этот эффект, заявив, что «обратимая репрессия генов заменена их бессрочным сайленсингом, обрекающим клетку на вечное пребывание в состоянии самообновления и тем самым делающим ее предрасположенной к последующим злокачественным преобразованиям»[199]. Это вполне согласуется с идеей, что раку присущ аспект стволовых клеток. Если клетки закольцованы в состоянии стволовых клеток, в котором они не способны дифференцироваться в клетки на дне эпигенетического ландшафта, то они становятся очень опасными, поскольку в любой момент могут начать делиться, чтобы образовать как можно больше себе подобных клеток.

Жан-Пьер Исса назвал гены, которые эпигенетически подавляются при раке толстой кишки, «сторожами». Это те гены, обычная функция которых заключается в том, чтобы препятствовать самообновлению клеток и подталкивать их к полному превращению в дифференцированные клеточные типы. Подавление этих генов при раке блокирует клетки в присущем стволовым клеткам состоянии постоянного самообновления. В результате создается совокупность клеток, которые способны к делению, к аккумулированию дальнейших эпигенетических изменений и мутаций и к постепенному сползанию в полновесное раковое состояние[200].

Когда мы представляем себе клетки на уоддингтоновском ландшафте, то очень трудно вообразить такие клетки, которые могут задержаться где-нибудь недалеко от его вершины. Мешает нам в этом интуитивное понимание того, что склон — не слишком подходящее место для постоянного пребывания. Если шарик начал катиться по наклонной плоскости, то он будет продолжать катиться по ней, пока какое-нибудь препятствие его не остановит. Но даже если он и остановится, всегда остается шанс, что он возобновит свое движение к подножию холма.

Что же удерживает клетки в таком шатком положении? В 2006 году группа ученых из Института Броуда в Бостоне, работавших под руководством Эрика Ландера, дала, по крайней мере, часть ответа на этот вопрос. Ключевой набор генов в ЭС клетках, тех самых плюрипотентных клетках, которые нам на данный момент известны, как обнаружилось, обладал весьма странной схемой гистоновых модификаций. Это были гены, крайне важные для контролирования того, остаются ли ЭС клетки плюрипотентными, или становятся дифференцированными. У этих генов был метилирован гистон H3K4, который обычно ассоциируется с активацией экспрессии генов. Также метилирован оказался и H3K27. Он обычно ассоциируется с отключением экспрессии генов. Ну, и какая модификация будет иметь при этом решающее значение? Будут ли гены активированы или же репрессированы?

Ответ — и то, и другое. Или ни то, ни другое, в зависимости от того, с какой стороны мы будем изучать этот вопрос. Эти гены находятся в состоянии, которое называется «уравновешенным». Чуть-чуть подтолкните их — измените условия в культуре, чтобы заставить клетки выбрать путь, например, дифференциации, — и одно из этих метилирований будет утрачено. Ген окажется полностью активирован или полностью подавлен, в зависимости от эпигенетической модификации[201].

При раке это имеет огромное значение. Стивен Бэйлин оказался третьим ученым, наряду с Питером Джонсом и Жаном-Пьером Исса, сделавшим колоссальный вклад в то, чтобы эпигенетическая терапия стала реальностью. Он показал, что эти уравновешенные гистоновые модификации присутствуют в ранних раковых стволовых клетках и что именно они играют решающую роль в установлении схем метилирования ДНК в раковых клетках[202].

Разумеется, что происходят и другие процессы. У многих людей рак не развивается, сколько бы лет они ни прожили. Что-то особенное должно происходить с людьми, заболевшими раком, нечто такое, что заставляет нормальные стволовые клетки сбиваться с пути истинного и становиться на путь неконтролируемого, агрессивного и аномального разрастания. Мы знаем, что окружающая среда оказывает огромное влияние на уровень риска заболевания раком (достаточно вспомнить о том, насколько велика опасность рака легких для курильщиков), но нам не до конца понятно, как и в чем пересекаются условия окружающей среды с эпигенетическими процессами.

Нельзя не учитывать и такой аспект как банальное невезение для людей, заболевших раком. У каждого из нас, вероятно, случаются внезапные колебания в уровнях, активности и локализации белков, нацеленных на наши эпигенетические коды и способных считывать, интерпретировать и стирать их. А ведь есть еще и некодирующие РНК.

На 3’ НТР в мРНК как ДНМТ3А, так и ДНМТ3Б есть места связывания для семейства миРНК под названием miR-29. Обычно эти миРНК связываются с молекулами ДНМТ3А и ДНМТ3Б и подавляют их. При раке легкого уровни этих миРНК падают, а вследствие этого повышается экспрессия мРНК ДНМТ3А и ДНМТ3Б и белка. В результате этого увеличивается независимое метилирование чувствительных промоторов супрессоров новообразований[203].

Вполне вероятно, что существуют и петли обратной связи между миРНК и эпигенетическими ферментами, которые они контролируют, возникающие, если один компонент в цепочке дает сбои. Это усиливает аномальные механизмы контроля в клетке, приводя к очередному порочному циклу, как это показано на рисунке 11.4. В этом примере миРНК регулирует особый эпигенетический фермент, который, в свою очередь, модифицирует промотор миРНК. В данном случае этот эпигенетический фермент создает репрессивную модификацию.

Рис.11.4. Положительная петля обратной связи, постоянно понижающая экспрессию микроРНК. которая обычно контролирует экспрессию эпигенетического фермента, создающего репрессивное состояние хроматина

Еще очень и очень многое нам предстоит понять, прежде чем мы сможем успешно разработать следующее поколение эпигенетических препаратов для лечения раковых больных. Нам нужно определить, какие лекарственные средства более эффективны при тех или иных разновидностях рака, и для каких пациентов они окажутся наиболее полезными. И нам следует решить эти задачи заблаговременно, чтобы потом, в ходе бесконечных клинических испытаний, не пришлось зависеть от слепой удачи. По крайней мере, 5-азацитидин и САГК придали нам уверенность в том, что эпигенетическая терапия возможна при раке, хотя она еще очень нуждается в совершенствовании.

Как мы узнаем из следующей главы, эпигенетические задачи не ограничиваются одним лишь раком. Но, как ни печально признаваться в этом, мы все еще очень далеки от понимания того, как применить эпигенетическую терапию для удовлетворения одной из самых насущных потребностей западного мира — лечения психиатрических заболеваний.

Глава 12. Все сосредоточено в мозге

Мозг человека — истинный творец, и он способен из ада сделать рай, из рая — ад.

Джон Мильтон. «Потерянный рай»

Одним из наиболее примечательных литературных направлений последнего десятилетия стали неуклонно набирающие все большую популярность «страдальческие мемуары». Работающие в этом жанре авторы предлагают нам воспоминания о суровых годах своего детства и рассказывают о том, как им удалось преодолеть все невзгоды и стать благополучными и преуспевающими членами общества. Этот жанр можно подразделить на две категории. К первой из них принадлежат повествования о бедных, но счастливых, о том, что «у нас не было ничего, кроме любви». Вторая, в которой также может фигурировать нищета, объединяет куда более печальные истории. Душераздирающие сочинения этой категории повествуют о детстве, которое было отмечено равнодушием или насилием со стороны родителей, и иногда воспоминания именно такого рода пользуются наибольшим признанием у публики. Пожалуй, самая популярная из этой категории книга «Ребенок, о котором говорили “оно”» Дэйва Пельцера, более шести лет продержалась в списке бестселлеров «Нью-Йорк Таймс».

Причина привлекательности подобной литературы для читающей публики лежит, вероятно, в том, что герой в конечном итоге берет верх над обстоятельствами. Сопереживая персонажам таких книг, читатели, кроме того, заряжаются от них верой в то, что, начав жизнь в самых неблагоприятных условиях, все же возможно стать впоследствии человеком успешным и счастливым. Мы восторженно аплодируем тем, кто добился своего «вопреки всему и несмотря ни на что».

Из этого мы вправе сделать некоторые важные выводы. Как члены общества, мы осознаем, что происходящие в детстве события оказывают чрезвычайно глубокое влияние на нашу взрослую жизнь. Кроме того, мы понимаем, что преодолеть последствия полученной в этом возрасте травмы зачастую бывает очень сложно. Как читатели же, мы восторгаемся достигнутым героями успехом, поскольку понимаем, что в действительности такое случается далеко не всегда.

И эти наши предположения и оценки вполне справедливы, так как приобретенный в детстве негативный опыт на самом деле может стать одной из главных причин драматических событий во взрослой жизни. Существуют самые разнообразные способы оценки такой взаимосвязи, и точные цифры, полученные в разных исследованиях, могут различаться. Однако определенные общие тенденции, тем не менее, прослеживаются. Взрослые, прошедшие в детстве через насилие или равнодушие, в среднем в три раза чаще, чем остальные, совершают попытки самоубийства. Люди, подвергавшиеся в детстве насилию, по меньшей мере, на 50 процентов чаще, чем остальное население, страдают в зрелом возрасте от тяжелых депрессий, и вылечить эти расстройства значительно сложнее. Взрослые, испытавшие на себе в детстве безразличное или жестокое обращение, также подвержены значительно более высокому риску развития и других серьезных заболеваний, в том числе шизофрении, расстройства пищевого поведения, изменения личности, биполярная болезнь (маниакальная депрессия) и постоянное чувство страха. Кроме того, они в большей степени предрасположены к наркомании и алкоголизму[204].

Среда, отличительными особенностями которой в детском возрасте являются жестокое обращение или равнодушное отношение со стороны взрослых, несомненно представляет собой одно из главных условий для развития впоследствии невропатологических и психиатрических заболеваний. Мы, как члены общества, настолько убеждены в справедливости этого тезиса, что обычно даже не задаемся вопросом, по какой причине это происходит. Нам это кажется самоочевидным. Однако это не так. Как могут события, продолжавшиеся, скажем, в течение двух лет, иметь для человека столь разрушительные последствия несколько десятилетий спустя?

Одно из объяснений этого, которое наиболее часто приходится слышать, сводится к тому, что такой ранний жизненный опыт наносит детям «психологическую травму». Это так, но это объяснение ничего не объясняет. И бесполезно оно по той причине, что словосочетание «психологическая травма» является вовсе не объяснение а описанием. Звучит оно довольно убедительно, но на самом де. не дает нам никакой значимой информации.

Любой ученый, занимающийся этой проблемой, непременно захочет исследовать это описание на качественно ином уровне. Какие молекулярные явления лежат в основе таких психологических травм? Что происходит в мозге детей, подвергавшихся бездушному или насильственному обращению, делающее их в зрелом возрасте настолько уязвимыми для психических расстройств?

Иногда у представителей других дисциплин, оперирующих иными системами понятий, могут возникать возражения против такого подхода. И это выглядит довольно странно. Если мы не согласимся с тем, что у биологического следствия должна быть молекулярная причина, то с чем же мы останемся? Религиозный человек, скорее всего, предпочтет рассуждения о душе, а последователь теорий Фрейда — о психике. Но оба они будут апеллировать к теоретическим построениям, не имеющим под собой определенной физической базы. Увлечение такой модельной системой, в которой невозможно построение экспериментально проверяемых гипотез, являющихся краеугольным камнем любого научного исследования, глубоко претит серьезным ученым. Мы предпочитаем исследовать механизмы, имеющие под собой физический базис, а не слепо доверять сценариям, при которых нечто, как предполагается, является частью нас, но остается при этом неосязаемым и спорным с точки зрения своего материального существования.

Это может привести к культурному конфликту, но причина его лишь в недопонимании. Ученый предполагает, что любые наблюдаемые явления должны иметь физическое обоснование. Что же касается темы настоящей главы, то предлагаемая нами гипотеза заключается в том, что тяжелый опыт раннего детства меняет определенные физические аспекты мозга в процессе ключевого для развития периода. Это, в свою очередь, повышает вероятность нарушения психического здоровья в зрелом возрасте. Это механистическое объяснение. В нем, разумеется, недостает деталей, но с некоторыми из них мы познакомимся уже в этой главе. Механистические объяснения часто негативно воспринимаются общественным мнением, потому что кажутся уж слишком детерминистическими. Механистические объяснения — при часто присущем им неверном толковании — предполагают, что люди по сути своей являются не более чем роботами, лишенными свободы воли и запрограммированными выполнять строго определенные действия в ответ на конкретные раздражители.

Но это совершенно не так. Если система достаточно гибка, то один раздражитель вовсе необязательно должен приводить к одному и тому же результату. Далеко не каждый ребенок, прошедший через равнодушие и насилие, становится несчастным и неблагополучным взрослым. Этот феномен должен иметь механистический фундамент, но не быть при этом детерминистическим.

Мозг человека наделен достаточной гибкостью, чтобы в зрелом возрасте вызывать различные реакции на одинаковый детский опыт. В нашем мозге насчитывается сто миллиардов нервных клеток (нейронов). Каждый нейрон создает связи с десятью тысячами других нейронов, в результате чего образуется невероятная в своей сложности трехмерная решетка. В этой решетке, таким образом, присутствует тысяча триллионов, то есть 1 000 000 000 000 000 (квадрильон), соединений. Такую величину трудно вообразить, поэтому давайте представим каждое соединение в виде диска толщиной в 1 миллиметр. Если мы сложим квадрильон таких дисков один на другой стопочкой, то эта колонна сможет трижды дотянуться до Солнца (которое находится от Земли на расстоянии девяноста трех миллионов миль) и вернуться обратно.

Что уж говорить, соединений действительно много, так что совсем несложно согласиться с тем, что наш мозг обладает завидной гибкостью. Но все соединения образуются не случайным образом. Внутри этой гигантской решетки присутствуют определенные сети клеток, которые стремятся соединиться друг с другом, а не с чем-то еще. Именно в результате комбинации предельной гибкости с ее ограничениями, накладываемыми определенными группировками клеток, и создается система, являющаяся механистической, но не целиком детерминистической.

Ребенок есть (эпигенетический) родитель взрослого человека

Причина, по которой ученые предположили, что взрослый человек испытывает последствия перенесенного им в детстве насилия, так как в его основе, возможно, лежит некий эпигенетический фактор, объясняется тем, что мы сталкиваемся с условиями, при которых это событие, являющиеся «триггером», продолжает оказывать на человека влияние, хотя уже само по себе давно закончилось. Долгосрочные последствия полученной в детском возрасте травмы очень похожи на многие явления, обусловленные эпигенетическими системами. Мы уже рассмотрели некоторые примеры этого ряда. Дифференцированные клетки помнят, к какому типу клеток они принадлежат, даже через очень много времени после прекращения действия сигнала, побудившего их стать клетками почки или клетками кожи. Одри Хепберн всю жизнь отличалась слабым здоровьем из-за голода, который ей пришлось пережить в подростковом возрасте во время Голландской голодной зимы. Импринтинговые гены подавляются на определенных стадиях развития и остаются в таком состоянии на протяжении всей жизни человека. В самом деле, эпигенетические модификации являются единственным известным механизмом, поддерживающим клетки в определенном состоянии исключительно долгие периоды времени.

Гипотеза, являющаяся главенствующей среди эпигенетиков, гласит, что полученная в раннем детстве травма вызывает изменения в экспрессии генов в мозге, и эти изменения запускаются или поддерживаются (или и то, и другое) эпигенетическими механизмами. Эти эпигенетически обусловленные аномалии в экспрессии генов являются ответственными за то, что взрослые люди попадают в группу повышенного риска развития психических заболеваний.

В последние годы ученые собрали многочисленные данные, свидетельствующие о том, что эта привлекательная гипотеза имеет под собой серьезные основания. Как оказалось, эпигенетические белки играют заметную роль в программировании последствий детской травмы. И не только — они также важны при развитии депрессивных состояний, привыкания к наркотикам и «нормальной» памяти.

Главным объектом внимания в таких исследованиях стал гормон под названием кортизол. Он вырабатывается в надпочечных железах, расположенных, как следует из их наименования, над почками. Кортизол вырабатывается в ответ на стресс. Чем большее напряжение мы испытываем, тем больше кортизола вырабатывают наши надпочечники. Средний уровень продукции кортизола оказался выше у взрослых, которые перенесли травмы в детском возрасте, даже в тех случаях, если эти люди были совершенно здоровы на момент проведения исследований.[205][206] Это свидетельствует о том, что взрослые, прошедшие в детстве через насилие или равнодушие, обладают более высокими фоновыми стрессовыми уровнями, чем их более удачливые сверстники. Они находятся в состоянии хронического стресса. Развитие психических расстройств во многих случаях, вероятно, отчасти подобно развитию рака. Самые разные и многочисленные факторы должны дать сбой на молекулярном уровне, чтобы у человека развилось клиническое состояние заболевания. Уровни хронического стресса взрослых, переживших в детстве насилие, подталкивают их ближе к этому критическому порогу, повышая их предрасположенность к заболеванию.

Каким образом происходит повышенная экспрессия кортизола? Это следствие явлений, происходящих довольно далеко от области почек, а именно в мозге. В этом процессе задействована целая сигнальная система. Химические вещества, вырабатываемые в одном участке мозга, воздействуют на другие его участки. Эти участки, в свою очередь, вырабатывают в ответ другие химические вещества, и процесс продолжается. В конце концов, некое химическое вещество покидает мозг, отдает команду надпочечным железам, и те вырабатывают кортизол. В период неблагополучного детства эта сигнальная система ведет себя очень активно. У многих взрослых, переживших в детстве психическую травму, она продолжает сигнализировать о необходимости продукции кортизола, как будто человек постоянно находится в травмировавшей его ситуации. Это можно сравнить с системой центрального отопления, на которой сломался термостат, и котел продолжает гнать горячую воду в батареи в августе, «помня» о погоде, которая стояла в минувшем феврале.

Этот процесс начинается в участке мозга, который называется гиппокамп. Этот термин позаимствован из древнегреческого языка и переводится как «морской конек», поскольку своей формой он несколько напоминает это существо. Гиппокамп действует как рубильник, определяющий, насколько активно функционирует система продукции кортизола (см. рис. 12.1). Плюсами на нем обозначены случаи, когда одно событие влечет за собой активацию следующего звена в цепочке. Минусы представляют противоположные явления, когда одно событие понижает уровень активности следующего события в цепочке.

Рис. 12.1. Сигнальная система в ответ на стресс инициирует целую цепочку событий в конкретном участке мозга, которая в конечном итоге приводит к высвобождению стрессового гормона кортизола из надпочечных желез. В нормальных обстоятельствах эта система контролируется набором отрицательных петель обратной связи, которые приглушают и сдерживают реакции на стресс

Из-за изменений в активности гиппокампа, происходящих в ответ на стресс, гипоталамус вырабатывает и выделяет два гормона, кортикотропин-высвобождающий гормон и вазопрессин. Эти два гормона стимулируют гипофиз, вырабатывающий в ответ на это вещество под названием адренокортикотропный гормон, которое попадает в кровеносную систему Когда клетки надпочечной железы поглощают этот гормон, они выделяют кортизол.

В эту систему встроен очень умный механизм. Кортизол циркулирует в кровеносной системе по всему организму, и часть его возвращается в мозг. В каждом из трех отделов мозга, показанных на нашем рисунке, есть рецепторы, распознающие кортизол. Когда кортизол связывается с этими рецепторами, возникает сигнал, призывающий эти отделы успокоиться. Особенно важно это для гипоталамуса, поскольку именно он способен рассылать сигналы, подавляющие активность всех прочих участников этой системы. Это и есть классическая отрицательная петля обратной связи. Кортизол возвращается в различные ткани и в конечном итоге его продукция снижается. Именно это и позволяет нам избегать постоянного состояния повышенного напряжения.

Но нам известно, что взрослые, пережившие в детстве психическую травму, всегда испытывают чрезмерное напряжение. У них вырабатывается слишком много кортизола, и процесс этот протекает непрерывно. Значит, что-то должно быть неладно с их петлей обратной связи. Недавно проведенные исследования с группой людей подтвердили это предположение. В ходе экспериментов изучались уровни кортикотропин-высвобождающего гормона в жидкости, омывающей головной и спинной мозг. Как и предполагалось, уровни кортикотропин-высвобождающего гормона оказались выше у людей, перенесших в детстве психическую травму, по сравнению с теми, кому посчастливилось избежать этого. Это было свойственно даже тем людям, которые на момент проведения эксперимента были совершенно здоровы.[207][208] Поскольку довольно сложно углубленно исследовать эти взаимосвязи у людей, многие кардинальные открытия в этой области были сделаны при использовании животных моделей определенных состояний и при последующем соотнесении их, где это было возможно, с аналогичными состояниями у людей.

Расслабленные крысы и спокойные мыши

Одна из полезных моделей основывалась на изучении последствий материнской заботы, проявляемой крысами. В первую неделю жизни маленькие крысята остро нуждаются в том, чтобы мать вылизывала их и демонстрировала прочие знаки любви и внимания. Одни самки от природы наделены этим даром в большей степени, другие — в меньшей. Если у крысы развит материнский инстинкт, она в равной мере проявляет его по отношению ко всему своему потомству. И наоборот, если мать пассивна в уходе за своими малышами, то недостаток ласки испытывает весь помет.

Наблюдая за повзрослевшим и ставшим самостоятельным потомством матерей этих двух противоположных групп, ученые получили интересные результаты. Если теперь уже вполне взрослые крысы оказывались в умеренно стрессовой ситуации, то наиболее спокойными в ней оставались те из них, кто в детстве испытал заботу и ласку матери. Те же крысы, которые были относительно обделены «материнской любовью», крайне остро реагировали даже на самый незначительный стресс. То есть, чем больше внимания уделяла мать своим новорожденным крысятам, тем более спокойными становились эти крысы в зрелом возрасте.

Ученые проводили эксперименты, в ходе которых новорожденных крысят «плохих» матерей переводили к матерям «хорошим», и наоборот. Эти эксперименты показали, что устойчивость перед стрессовыми ситуациями взрослых крыс полностью и абсолютно зависит от любви и ласки, которые они получают в первую неделю своей жизни. Малыши, рождавшиеся у пассивных в проявлении любви самок, становились в зрелом возрасте вполне уравновешенными особями, если их вскармливали и воспитывали заботливые приемные матери.

Исследуя поведение взрослых крыс, воспитывавшихся в любви и ласке, при воздействии на них умеренных раздражителей, ученые зафиксировали у этих животные пониженные стрессовые уровни. Кроме того, отслеживались и их гормональные уровни, и результаты этих анализов оказались вполне ожидаемыми. Устойчивые к раздражителям крысы продемонстрировали пониженные уровни кортикотропин-высвобождающего гормона в гипоталамусе, как и пониженные уровни гормона адренокортикотропина в крови. Уровни кортизола у них также были ниже, чем у крыс, детство которых прошло в менее благоприятных условиях.

Ключевым молекулярным фактором, понижавшим реакции на стресс у крыс со «счастливым детством», была экспрессия рецептора кортизола в гиппокампе. У этих животных экспрессия этого рецептора оказалась очень активной. В результате, клетки гиппокампа чрезвычайно эффективно улавливали даже самые незначительные количества кортизола и использовали его как спусковой механизм для подавления выделения гормонов, создавая отрицательную петлю обратной связи.

Данные исследования подтвердили, что уровни рецептора кортизола оставались высокими в гиппокампе даже через много месяцев после завершения этого важнейшего для крысят периода материнской заботы. По сути, события, имевшие место лишь в течение семи дней сразу после рождения, продолжали оказывать свое влияние на протяжении практически всей жизни взрослых крыс.

Причина того, что это воздействие оказалось настолько продолжительным, заключается в том факте, что исходный раздражитель — ласка и забота со стороны матери — дал начало цепочке явлений, которые привели к эпигенетическим изменениям гена рецептора кортизола. Эти изменения происходят на самых ранних этапах развития, когда мозг еще наиболее «пластичен». Под пластичностью мы подразумеваем такое его состояние, когда легко и просто могут быть модифицированы схемы экспрессии генов и клеточная активность. Когда животные становятся старше, эти схемы уже не поддаются изменениям. Вот почему первая неделя жизни так важна для крыс.

Происходящие на этом этапе развития изменения показаны на рисунке 12.2. Если мать подолгу вылизывает и выхаживает свое потомство, у юных крысят вырабатывается серотонин — одно из химических веществ в мозге млекопитающих, связанных с ощущением благополучия. Серотонин стимулирует экспрессию эпигенетических ферментов в гиппокампе, что в конечном итоге приводит к понижению метилирования ДНК на гене рецептора кортизола. Низкие уровни метилирования ДНК способствуют высокому уровню экспрессии генов. Как следствие, в гиппокампе очень активно экспрессируется рецептор кортизола, обеспечивающий крысятам чувство комфорта.[209]

Рис. 12.2. Активная забота матери о потомстве инициирует цепочку молекулярных явлений, в результате которых повышается экспрессия рецептора кортизола в головном мозге. Такое повышение экспрессии позволяет мозгу очень эффективно реагировать на присутствие кортизола и понижать реакцию на стресс с помощью отрицательной петли обратной связи, показанной на рисунке 12.1.

Это очень наглядная модель, объясняющая, как происходившие в раннем детстве события, могут влиять на поведение живого существа на протяжении всей жизни. Однако представляется весьма маловероятным, что всего лишь одно эпигенетическое изменение—даже такое значимое, как уровни метилирования ДНК очень важного гена в очень ответственном участке мозга — является исчерпывающей причиной этого явления. Через пять лет после проведения описанного выше эксперимента другой коллектив ученых опубликовал свой доклад, в котором также была продемонстрирована значимость эпигенетических изменений, но уже иного гена.

Эта группа исследователей изучала влияние на мышей стресса, перенесенного в раннем возрасте. В ходе экспериментов ученые в течение первых десяти дней жизни новорожденных мышат забирали их у матерей на три часа ежедневно. Подобно крысятам, не пользовавшимся особым вниманием и заботой матерей, эти мышата, повзрослев, становились очень подверженными стрессам животными. Как и у обделенных материнской лаской крысят, у них резко повышались уровни кортизола, особенно в ответ на незначительные раздражители.

Исследователи, работавшие с мышами, изучали ген аргинин-вазопрессин. Этот ген выделяется гипоталамусом и стимулирует секрецию гипофиза. Он показан на рисунке 12.1. Подвергаемые стрессам мыши, те, которых отлучали от матерей в первые дни их жизни, демонстрировали пониженные уровни метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессин, что приводило к повышению продукции аргинин-вазопрессина, стимулировавшего реакцию на стресс[210].

Эксперименты с крысами и мышами позволяют сделать два важных вывода. Во-первых, когда события начальных периодов жизни приводят к стрессам в зрелом возрасте, то в этом процессе, вероятно, задействовано больше одного гена. И ген рецептора кортизола, и ген аргинин-вазопрессина вносят свой вклад в этот фенотип у грызунов.

Во-вторых, исследования также показали, что определенный класс эпигенетических модификаций сам по себе не является хорошим или плохим. Значение имеет то, где происходит модификация. В случае с крысами, понижение метилирования ДНК гена рецептора кортизола является благоприятным фактором, стимулирующим повышение продукции этого рецептора и, в конечном итоге, подавление реакции на стресс. У мышей понижение метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессина произвело противоположный эффект, вызывавшим повышение экспрессии этого гормона и стимуляцию реакцию на стресс.

Понижение метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессина у мышей происходит по иной схеме, нежели та, что наблюдается у крыс при активации гиппокампом гена рецептора кортизола.

В экспериментах с мышами отлучение их от матери побуждало активность нейронов в гипоталамусе. Это запускало сигнальную систему, воздействующую на белок МеСР2. Белок МеСР2, с которым мы уже встречались в главе 4, связывается с метилированной ДНК и способствует подавлению экспрессии генов. Это также тот самый ген, который мутирует при синдроме Ретта, тяжелом неврологическом расстройстве. Эдриан Берд показал, что белок МеСР2 чрезвычайно активно экспрессируется в нейронах[211].

Обычно белок МеСР2 связывается с метилированной ДНК гена аргинин-вазопрессин. Но у новорожденных мышей в стрессовой ситуации сигнальная система, упомянутая в предыдущем абзаце, добавляет к белку МеСР2 небольшую химическую группу под названием фосфат, и вследствие этого белок МеСР2 отсоединяется от гена аргинин-вазопрессина. Одно из важнейших предназначений МеСР2 состоит в привлечении других эпигенетических белков к области, где он связывается с геном. Это те белки, которые, взаимодействуя между собой, добавляют все больше и больше репрессивных меток к данному участку генома. Когда фосфорилированный МеСР2 отсоединяется от гена аргинин-вазопрессина, он теряет способность привлекать эти разнообразные эпигенетические белки. Как следствие, хроматин утрачивает свои репрессивные метки. Вместо этого на него накладываются активирующие модификации, такие как высокие уровни гистонового ацетилирования. В конечном итоге, даже метилирование ДНК утрачивается безвозвратно.

Самое удивительное то, что все это происходит у мышей в течение первых десяти дней после рождения. Через десять дней нейроны, по большому счету, теряют свою пластичность. Схема метилирования ДНК, устанавливающаяся к концу этого периода, становится в этом участке стабильной. Если уровни метилирования ДНК низкие, это обычно связано с аномально высокой экспрессией гена аргинин-вазопрессина. В этом случае события раннего периода жизни инициируют эпигенетические изменения, которые оказываются «зафиксированными». По этой причине животное остается в состоянии высокого напряжения, сопровождаемого аномальным производством гормонов, в течение длительного времени после завершения вызвавшего стресс события. Эта реакция сохраняется долгое время даже после того, как животное перестанет «переживать» отсутствие матери. В конце концов, мыши, как известно, не принадлежат к числу тех, кто всеми силами стремится ухаживать за своими стареющими родителями.

В глубинах

Исследователи постепенно накапливают сведения, подтверждающие, что некоторые изменения, обнаруженные у грызунов на ранних этапах развития, могут быть присущи и человеку. Как уже отмечалось выше, существует множество различных, и в первую очередь этических препятствий, не позволяющих проводить подобные исследования на людях. Однако, несмотря на это, ученым все же удалось обнаружить некие интригующие взаимосвязи.

Описанные выше эксперименты с крысами первым провел профессор Майкл Мини из университета Макгилла в Монреале. Затем работавшая под его руководством группа ученых провела в высшей степени интересные исследования образцов человеческого мозга, полученных у людей, как это ни прискорбно, покончивших жизнь самоубийством. Исследователи проанализировали уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе этих образцов. Согласно полученным ими результатам, метилирование ДНК оказалось выше в образцах мозга тех людей, которые в раннем детстве испытали на себе равнодушное отношение или жестокое обращение. И, напротив, уровни метилирования ДНК этого гена были относительно низкими у тех покончивших с собой людей, которые избежали в детстве психологических травм[212]. Высокие уровни метилирования ДНК у жертв насилия понижали экспрессию гена рецептора кортизола, что делало отрицательную петлю обратной связи менее эффективной и повышало уровни циркуляции кортизола. Эти результаты вполне соотносятся с выводами, сделанными на основе экспериментов с крысами, когда у подверженного стрессам потомства «равнодушных» матерей обнаруживались высокие уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе.

Разумеется, психические заболевания развиваются не только у тех людей, которые в детстве подвергались жестокому обращению со стороны взрослых. Глобальные цифры говорят о том, что депрессия приобретает просто устрашающий размах. По оценкам Всемирной организации здравоохранения свыше 120 миллионов человек в мире подвержены депрессиям. Ежегодно в мире регистрируется около 850 тысяч случаев самоубийств, обусловленных депрессиями. По прогнозам это расстройство к 2020 году займет второе место в мире среди наиболее распространенных заболеваний[213].

Огромный шаг вперед в эффективном лечении депрессий был сделан в начале 1990-х годов, когда Управление по контролю за продуктами и лекарствами выдало в США лицензию на производство серии препаратов под названием СИОЗС — селективный ингибитор обратного захвата серотонина. Серотонин является нейротрансмиттерной молекулой — он передает сигналы от одного нейрона к другому. Серотонин выделяется в мозг в ответ на приносящие удовольствие раздражители; это та самая «молекула счастья», которую мы уже встречали у довольных жизнью крысят.

У людей, страдающих депрессией, уровни серотонина в головном мозге низкие. Лекарственные препараты СИОЗС повышают уровни серотонина в мозге.

В идее, что средства, повышающие уровни серотонина, могут быть полезны при лечении депрессии, присутствует здравый смысл. Однако в их действии наблюдается нечто странное. Уровни серотонина в мозге повышаются довольно быстро, когда пациенты принимают препараты СИОЗС, однако обычно требуются не менее четырех-шести недель, чтобы ужасные симптомы тяжелой депрессии начали проходить.

Это заставляет предположить, что депрессия не обусловлена лишь снижением в мозге уровней единственного химического вещества, что, впрочем, и не удивительно. Не бывает так, чтобы депрессия поражала человека мгновенно; это не грипп, с которым можно слечь за одну ночь. На сегодняшний день мы располагаем внушительным количеством фактов, подтверждающих, что при развитии депрессии в мозге происходят весьма растянутые во времени изменения. В их число входят и изменения в количестве контактов, которые осуществляют между собой нейроны. А это, в свою очередь, непосредственно зависит от уровней химических веществ, которые называются нейротрофическими факторами[214]. Эти химические вещества поддерживают здоровье и функциональность клеток мозга.

Исследователи, занимающиеся изучением депрессии, отошли от простой модели, основанной на уровнях нейротрансмиттеров, предпочтя ей более сложную сетевую систему. Она включает в себя сложную взаимозависимость между активностью нейронов и целым рядом других факторов. В их число входят стресс, продукция нейротрансмиттеров, их воздействие на экспрессию генов и долгосрочное влияние на нейроны, равно как и взаимодействие всех этих факторов между собой. Пока эта система находится в равновесии, мозг работает нормально. Если система выходит из равновесия, эта сложнейшая сеть начинает распадаться, вследствие чего в мозге происходит сбой биохимических и функциональных процессов, вызывая расстройства и болезни.

Ученые, работающие в этой области, постепенно все больше внимания начинают обращать на эпигенетику благодаря тому богатому потенциалу, которым она располагает для создания и поддержания долгосрочных схем экспрессии генов. Грызуны представляют собой наиболее распространенные модельные системы для таких исследований. Поскольку мыши или крысы не могут рассказать нам, как они себя чувствуют, ученые разрабатывают определенные поведенческие тесты, используемые для моделирования различных аспектов депрессии у человека.

Все мы понимаем, что разные люди реагируют на стресс по-разному. Одни, как представляется, способны справляться с ним достаточно уверенно. Другие крайне тяжело воспринимают те же самые стрессовые ситуации, в результате чего у них и развивается депрессия. Мыши, принадлежащие к разным инбредным линиям, ведут себя во многом точно так же. Ученые воздействовали на две различные линии мышей раздражителем, вызывающим умеренный стресс. После моделирования стрессовой ситуации исследователи анализировали поведение мышей с помощью тестов, имитирующих определенные аспекты депрессии у человека. Одна линия оставалась относительно спокойной, тогда как другая проявляла относительную озабоченность. Исследователи условно обозначили эти линии как В6 и BALB, но мы для удобства будем называть их «спокойными» и «нервными» соответственно.

Главным объектом исследований ученые выбрали участок головного мозга, который называется прилежащее ядро. Этот участок играет важную роль в функциях мозга, связанных с проявлением эмоций, таких как агрессия, страх, удовольствие и удовлетворение. Исследователи проанализировали экспрессию различных нейро-трофических факторов в прилежащем ядре. Наиболее интересным с точки зрения полученных результатов стал ген под названием Gdnf (от английского glial cell-derived neurotrophic factor, то есть глиальный клеточный нейротрофический фактор).

Стресс вызывал повышение экспрессии гена Gdnf у спокойных мышей. У нервных мышей он же становился причиной снижения экспрессии того же гена. Далее, различные инбредные линии мышей могут иметь разные коды ДНК, поэтому ученые проанализировали область промотора, который контролирует экспрессию Gdnf. Последовательность ДНК на промоторе Gdnf оказалась идентичной как у мышей «спокойной», так и «нервной» линий. Но когда исследователи изучили эпигенетические модификации этого промотора, то здесь были выявлены определенные отличия. Гистоны нервных мышей имели меньше ацетиловых групп, нежели гистоны спокойных животных. Как мы уже знаем, низкие уровни ацетилирования гистонов ассоциируются с низкими уровнями экспрессии генов, так что это вполне соответствовало снижению экспрессии Gdnf у нервных мышей.

Эти данные заставили ученых задуматься, что же произошло в нейронах прилежащего ядра. Почему уровни ацетилирования гистонов в гене Gdnf нервных мышей понизились? Когда исследователи проанализировали уровни ферментов, присоединяющих ацетиловые группы к гистонам или удаляющих их, то обнаружили только единственное различие между двумя линиями мышей. Некая гистондеацетилаза (принадлежащая к классу белков, удаляющих ацетиловые группы) под названием Hdac2 намного активнее экспрессировалась в нейронах нервных мышей[215] по сравнению с теми же показателями у спокойных мышей.

Другая группа исследователей изучала мышей в другой модели депрессии под названием «социальное унижение». В ходе этих экспериментов мыши ставились в условия, «принижающие их статус». Их помещали в среду, где они не имели возможности скрыться от крупной, угрожавшей их безопасности мыши, однако ученые всегда освобождали мышей, прежде чем дело успевало дойти до физической расправы. Для одних мышей такая ситуация оказывалась очень стрессовой, другие переживали ее с кажущимся безразличием.

В этих экспериментах взрослые мыши подвергались «социальному унижению» на протяжении десяти дней. По окончании этого срока психика животных классифицировались как восприимчивая или устойчивая, в зависимости от того, насколько тяжело или легко мышам удавалось пережить этот опыт. Две недели спустя поведение мышей тщательно анализировалось. У мышей с устойчивой психикой определяли нормальные уровни кортикотропин-высвобождающего гормона. Это химическое соединение, выделяемое гипоталамусом и являющееся тем веществом, которое в конечном итоге стимулирует продукцию кортизола, гормона стресса. Восприимчивые мыши демонстрировали высокие уровни кортикотропин-высвобождающего гормона и низкие уровни метилирования ДНК на промоторе этого гена. Эти данные согласовывались с высокими уровнями экспрессии гена. У них также оказались пониженные уровни Hdac2 и повышенные уровни ацетилирования гистонов, что опять же полностью соответствовало активной экспрессии кортикотропин-высвобождающего гормона[216].

Может показаться странным, что в одной модельной системе уровни Hdac2 у восприимчивых мышей повышались, тогда как в другой — понижались. Но, имея дело с разнообразными эпигенетическими явлениями, всегда необходимо помнить об их совокупном влиянии. Не существует какого-либо единственного способа, которым могли бы контролироваться уровни Hdac2 (как и уровни любого другого эпигенетического гена, если уж на то пошло). Контроль над ними зависит от участка мозга и точности действия сигнальных систем, активируемых в ответ на раздражитель.

Лекарства работают

Существуют и другие весомые доказательства ключевой роли эпигенетики в реакциях на стресс. Обычно нервные мыши категории В6 демонстрируют повышенную экспрессию Hdac2 в прилежащем ядре и пониженную экспрессию гена Gdnf. Мы можем давать этим мышам САГК, ингибитор гистондеацетилазы. Присутствие в организме САГК ведет к повышению ацетилирования промотора Gdnf что в свою очередь, способствует повышению экспрессии гена Gdnf. В результате применения этого препарата мыши перестают нервничать и успокаиваются[217], т. е. изменение уровней гистонового ацетилирования гена влияет на поведение мышей. Это может служить полноценным подтверждением теории о том, что ацетилирование гистонов имеет действительно большое значение для формирования реакции этих мышей на стресс.

Один из тестов, которыми пользуются для определения степени депрессии, испытываемой мышами в стрессовых ситуациях, называется тестом сахарозного предпочтения. В обычных условиях мыши любят подслащенную воду, однако в состоянии депрессии эта наклонность проявляется у них в значительно меньшей степени. Такое снижение реакции на приятный раздражитель называется ангедонией. Именно она, как представляется, может служить одним из основных соответствий между последствиями депрессий у животных и человека[218]. Большинство людей, испытывающих тяжелые депрессии, жалуются на утрату интереса ко всему, что делало их жизнь радостной и яркой до заболевания. Когда подверженным стрессам мышам давали антидепрессанты СИОЗС, их интерес к подслащенной воде постепенно начинал возвращаться, но если им давали САГК — ингибитор ГДАЦ, то их влечение к любимому напитку восстанавливалось значительно быстрее[219].

Ингибиторы гистондеацетилазы, способные изменить поведение животных, влияют не только на нервных или спокойных мышей. Они же актуальны и для новорожденных крысят, обделенных любовью и лаской своих матерей и растущих в состоянии хронического стресса, при котором наблюдается сверхактивное производство кортизола. Если эти «нелюбимые» матерями малыши получают ТСА, первый из обнаруженных ингибиторов гистондеацетилазы, то оказывается, что они значительно меньше подвержены стрессам и на раздражители реагируют практически так же, как животные, воспитывавшиеся в материнской любви. Уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе снижаются, в результате чего повышается экспрессия этого рецептора и улучшается чувствительность важнейшего фактора — отрицательной петли обратной связи. Считается, что это происходит вследствие перекрестного взаимодействия между схехмами гистонового ацетилирования и метилирования ДНК[220].

В исследованиях на мышиной модели «социального унижения» восприимчивые к стрессам животные получали антидепрессанты СИОЗС. Через три недели приема препарата их поведение уже в большей степени соответствовало поведению устойчивых к стрессам животных. Однако применение этих антидепрессантов приводило не только к повышению уровней серотонина в головном мозге. Результатом его становилось и увеличение метилирования ДНК на промоторе кортикотропин-высвобождающего гормона.

Все эти исследования в полной мере согласуются с моделью, согласно которой существуют перекрестные взаимодействия между мгновенными сигналами с нейротрансмиттеров и долгосрочным влиянием на клеточные функции эпигенетических ферментов. Когда испытывающие депрессию пациенты получают препараты СИОЗС, уровни серотонина у них в головном мозге начинают повышаться, и направляемые на нейроны сигналы становятся более мощными. Из экспериментов с животными, описанных в предыдущем абзаце, следует, что этим сигналам требуется несколько недель для запуска всех цепей, чтобы в конечном итоге привести к изменению схемы эпигенетических модификаций в клетках. Эта стадия необходима для восстановления нормального функционирования головного мозга.

Эпигенетика располагает также разумной гипотезой для объяснения и другой интересной, хотя и удручающей, особенности тяжелых депрессий. Если вы когда-либо страдали от депрессии, то у вас значительно больше шансов, чем в среднем, вновь испытать на себе в будущем это состояние. Вероятно, некоторые эпигенетические модификации чрезвычайно сложно обратить вспять, как и заставить нейроны быть менее восприимчивыми к следующему обострению болезни.

Вопрос остается открытым

С этим все понятно. Все выглядит вполне соответствующим нашей теории о том, что жизненный опыт, постоянно накапливаясь, оказывает долгосрочное влияние на наше поведение, и происходит все это по эпигенетическим причинам. Однако проблема вот в чем: эта область, иногда называемая нейроэпигенетикой, является, пожалуй, наиболее спорной из всех эпигенетических исследований.

Чтобы просто получить представление о том, насколько много здесь противоречий, задумайтесь над следующим фактом. В нашей книге мы уже встречались с профессором Эдрианом Бердом. Во всем мире он считается главным авторитетом в области метилирования ДНК. Другой ученый, репутация которого в вопросах метилирования ДНК тоже не подвергается ни малейшим сомнениям, это профессор Тим Бестор из Медицинского центра Колумбийского университета в Нью-Йорке. Эдриан и Тим практически ровесники, они принадлежат к схожим физическим типам, оба вдумчивы и сдержаны в высказываниях. И они не согласны друг с другом едва ли не по любому вопросу, касающемуся метилирования ДНК. Отправьтесь на любую конференцию, где они оба принимают участие в работе одной секции, и вы гарантированно станете свидетелями страстной и вдохновенной дискуссии между этими двумя учеными мужами. Однако есть, пожалуй, единственный вопрос, в котором они публично придерживаются общего мнения, и касается он их крайне скептического отношения к некоторым сообщениям об открытиях в области нейроэпигенетики[221].

Существуют три причины, по которым они, как и многие их коллеги, настроены столь скептически. Первая из них заключается в том, что многие эпигенетические изменения, которые были замечены, относительно невелики. Скептики очень сомневаются, что такие несущественные молекулярные изменения могут привести к появлению явно выраженных фенотипов. По их мнению, только лишь наличие изменений не говорит о том, что они обязательно должны привести к какому-то функциональному результату, и они сомневаются в том, что изменения в эпигенетических модификациях носят всего лишь коррелятивный, а не каузативный характер.

Ученые, исследующие поведенческие реакции в различных системах с участием грызунов, в ответ на это отмечают, что в молекулярной биологии вся работа строится на исключительно искусственных экспериментальных моделях, на которых изучаются распространённые молекулярные изменения и на основании их делаются очень категоричные заключения. Сторонники бихевиоризма утверждают, что в силу этого молекулярные биологи не способны достаточно верно интерпретировать эксперименты из реальной жизни, результаты которых оказываются более «смазанными» и склонными к большей вариативности.

Вторая причина скептицизма лежит в очень локализованной природе эпигенетических изменений. Стресс в младенческом возрасте воздействует на определенные участки мозга, такие как прилежащее ядро, оставляя другие нетронутыми. Эпигенетические метки меняются только на одних генах, но не на других. Это кажется менее веской причиной для скептицизма. Хотя обычно мы оперируем термином «мозг», на самом деле этот орган обладает множеством в высшей степени специализированных центров и участков, являющихся продуктом сотен миллионов лет эволюции. Так или иначе, все эти самостоятельные области формировались и совершенствовались в процессе эволюции, сохранив за собой способность разным образом реагировать на внешние раздражители. В равной степени это относится и ко всем нашим генам во всех наших тканях. Действительно, мы не до конца понимаем, каким образом эпигенетические модификации настолько точно определяют свои мишени и каким образом сигналы, поступающие от таких химических веществ как нейротрансмиттеры, достигают этих мишеней. Но мы знаем, что подобные специфические явления происходят в процессе нормального развития, — так почему бы им не иметь места в аномальные периоды стрессов или других средовых катаклизмов? Только то, что нам неизвестен механизм какого-либо явления, отнюдь не означает, что этого явления не существует. В конце концов, Джон Гердон не знал, как зрелые ядра перепрограммируются цитоплазмой яйцеклетки, но это не значит, что сделанные им во время экспериментов открытия были ошибочными.

Третья — и, пожалуй, наиболее важная — причина скептицизма непосредственно связана с самим метилированием ДНК. Метилирование ДНК генов-мишеней в мозге у грызунов происходит, возможно еще до рождения, но совершенно точно — уже в первый день жизни. А означает это то, что участвовавшие в экспериментах новорожденные мыши или крысы начинали свою жизнь уже с определенной базовой схемой метилирования ДНК гена рецептора кортизола в гиппокампе. Уровни метилирования ДНК на этом промоторе меняются через первую неделю жизни в зависимости от заботы и ласки, которые получают новорожденные крысята от матерей. Как мы видели, уровни метилирования ДНК оказались выше у обделенных любовью мышат, нежели у их пользующихся вниманием матери сверстников. Но причина этого не в том, что у «нелюбимых» малышей уровни метилирования ДНК повышаются. Напротив, дело в том, что уровни метилирования ДНК понижаются у тех юных грызунов, которых обласкивают матери. Это же справедливо и в отношении гена аргинин-вазопрессина у новорожденных мышат, отлученных от матерей. То же самое мы можем сказать и о гене кортикотропин-высвобождающего гормона у взрослых мышей, подвергнутых тесту «социального унижения».

Итак, то, что наблюдали ученые в каждом случае, было понижением уровней метилирования ДНК в ответ на раздражитель. И, с молекулярной точки зрения, именно в этом и состоит проблема, поскольку никому не известно, как это происходит. В главе 4 мы рассматривали, как копирование метилированной ДНК приводит к тому, что на одной цепочке оказываются метиловые группы, тогда как на другой они отсутствуют. Фермент ДНМТ1 движется вдоль только что синтезированной цепочки и добавляет к ней метиловые группы, восстанавливая схему метилирования и используя в качестве образца исходную цепочку. Мы можем предположить, что у наших экспериментальных животных наблюдался недостаток фермента ДНМТ1, и поэтому уровни метилирования на гене падали. Это явление называется пассивным деметилированием ДНК.

Проблема в том, что в случае с нейронами этот механизм не работает. Нейроны принадлежат к необратимо дифференцированным клеткам — они находятся на самом дне уоддингтоновского ландшафта и не способны к делению, поэтому не копируют свою ДНК, так как для этого просто нет причин, как следствие, нейроны не могут утратить метилирование ДНК описанным в главе 4 способом.

Существует возможность, что нейроны просто удаляют метиловую группу с ДНК. В конце концов, ведь гистондеацетилазы удаляют ацетиловые группы с гистонов. Однако метиловая группа на ДНК представляет собой нечто иное. С химической точки зрения ацетилирование гистонов можно приблизительно сравнить с добавлением маленького кирпичика Лего к более сложной конструкции. Снова разделить их на самостоятельные элементы довольно просто. При метилировании ДНК сделать это невозможно. Метилирование ДНК больше похоже на соединение двух элементов Лего в одно целое супермощным клеем.

Химическая связь между метиловой группой и цитозином в ДНК настолько сильна, что долгие годы она считалась абсолютно неразрывной. В 2000 году группа исследователей из Института Макса Планка в Берлине показала, что это не так. Ученые продемонстрировали, что у млекопитающих на самых ранних стадиях развития отцовский геном претерпевает экстенсивное деметилирование ДНК. Мы уже встречались с ним в главах 7 и 8. Тогда мы только упомянули, что это деметилирование происходит прежде, чем зигота начинает делиться. Другими словами, метилирование ДНК удаляется без какого-либо копирования ДНК[222]. Это называется активным деметилированием ДНК.

А это значит, что существует прецедент удаления метилирования ДНК в неделящихся клетках. Возможно, в нейронах действует подобный механизм. По-прежнему не умолкают споры о том, как именно происходит активное удаление метилирования ДНК, даже на хорошо изученных этапах раннего развития. Еще более существенные разногласия наблюдаются в вопросе, как это происходит в нейронах. Одна из причин, по которым это настолько сложно установить, заключается в том, что в процесс активного деметилирования ДНК вовлечены самые разнообразные белки, осуществляющие этот процесс поэтапно и в строгой последовательности. Все это предельно затрудняет воспроизведение всего процесса в лабораторных условиях, что является золотым стандартом для подобного рода исследований.

Подавление «глушителя»

Научные исследования, чему мы уже неоднократно были свидетелями, часто приводят к совершенно неожиданным открытиям, что и произошло в данном случае. Пока множество эпигенетиков искали фермент, удаляющий метилирование ДНК, одна из групп исследователей обнаружила ферменты, добавляющие нечто особенное к метилированной ДНК. Как это происходит, показано на рисунке 12.3. Самым удивительным стало то, что это явление привело практически к тем же последствиям, что и деметилирование нуклеиновой кислоты.

Рис. 12.3. Конверсия 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин.С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намерено не показаны, но они присутствуют в местах соединения двойными линиями

Маленькая молекула под названием гидроксил, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода, добавляется к метиловой группе, и в результате этого образуется 5-гидроксиметилцитозин. Эта реакция осуществляется ферментами ТЕТ1, ТЕТ2 или TET3[223].

Это имеет большое значение для вопроса о деметилировании ДНК, так как именно последствия метилирования ДНК делают эту трансформацию важной. Метилирование цитозина воздействует на экспрессию гена, поскольку метилированный цитозин связывает определенные белки, такие как МеСР2. МеСР2 во взаимодействии с другими белками подавляет экспрессию гена и вызывает другие репрессивные модификации, такие как деацетилирование гистонов. Когда какой-либо фермент, такой как ТЕТ1, добавляет гидроксильную группу к метилцитозину для образования молекулы 5-гидроксиметилцитозина, это меняет форму эпигенетической модификации. Если метилированный цитозин можно сравнить с виноградинкой на теннисном мяче, то 5-гидроксиметилцитозин условно похож на фасоль, приклеившуюся к виноградинке, прилипшей к теннисному мячу. Из-за такого изменения формы белок МеСР2 больше не может связываться с модифицированной ДНК. Таким образом, клетка «считывает» 5-гидроксиметилцитозин точно так же, как она считывает неметилированную ДНК.

Многие методы, применявшиеся до недавнего времени, были направлены на поиски присутствия метилирования ДНК, однако с их помощью часто нельзя было выявить различия между неметилированной ДНК и 5-гидроксиметилированной ДНК. Это значит, что многие доклады, в которых сообщалось о пониженном метилировании ДНК, возможно, содержали в себе ошибку, и ученые, сами того не подозревая, в действительности имели дело с повышенным 5-гидроксиметилированием. Хотя это на настоящий момент и не доказано, но, тем не менее, существует вероятность, что вместо фактического деметилирования ДНК, о котором сообщалось в некоторых докладах, посвященным исследованиям поведенческих реакций, на самом деле происходило преобразование нейронами 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин. Методики для изучения 5-гидроксиметилцитозина пока еще находятся в стадии разработок, но нам точно известно, что в нейронах содержатся более высокие уровни этого химического вещества, нежели в любых других типах клеток[224].

Помнить, помнить

Несмотря на все полемики и дебаты, исследования влияния эпигенетических модификаций для функций головного мозга активно продолжаются. Одной из областей, привлекающих к себе особое внимание, является память. Память представляет собой невероятно сложный феномен. В ней задействованы как гиппокамп, так и участок, называемый корой головного мозга, но выполняют они при этом различные функции. Гиппокамп, главным образом, отвечает за консолидирующую память — когда наш мозг сам решает, что ему следует запомнить. Гиппокамп довольно избирателен в способах, которыми он этого добивается, и складывается впечатление, что эти способы, управляемые совершенно особыми механизмами, связаны с кратковременными изменениями в метилировании ДНК. Кора головного мозга служит для долговременного хранения памяти. Когда воспоминания откладываются в коре головного мозга, в метилировании ДНК наблюдаются продолжительные изменения.

Кору головного мозга можно сравнить с жестким диском компьютера с объемом памяти в несколько гигабайт. Гиппокамп же скорее представляет собой микросхему ОЗУ (оперативного запоминающего устройства), где информация обрабатывается, прежде чем будет удалена или перемещена на жесткий диск для постоянного хранения. Наш мозг распределяет собственные различные функции между конкретными популяциями клеток в разных анатомических отделах. Вот почему потеря памяти редко бывает всеобъемлющей. Например, в зависимости от клинического состояния, может наблюдаться относительная утрата как кратковременной, так и долговременной память, или же и та и другая память может относительно не пострадать. То, что многочисленные и разнообразные функции головного мозга разделены между его разными отделами, имеет для нас огромное значение. Только представьте, какой стала бы наша жизнь, если бы мы помнили абсолютно все, что когда-либо случилось с нами — телефонный номер, который мы набрали однажды, каждое слово, которое услышали от случайного попутчика в поезде, или меню же в студенческой столовой в дождливую среду три года назад.

Сложность наших мнемонических систем и является одной из тех причин, по которым исследование памяти представляет собой весьма непростое занятие, поскольку довольно трудно поставить эксперимент, при котором мы были бы абсолютно уверены, какому именно аспекту памяти адресованы наши экспериментальные техники. Но нам совершенно точно известно, что в процессе памяти задействованы долговременные изменения экспрессии генов и способов, которыми нейроны создают между собой связи. И это в очередной раз заставляет нас выдвинуть гипотезу, что в этом свою немаловажную роль могут играть эпигенетические механизмы.

У млекопитающих и метилирование ДНК, и модификации гистонов участвуют в процессе запоминания и обучения. Исследования на моделях грызунов показали, что эти изменения могут быть направлены на очень специфические гены в обособленных участках головного мозга, что мы, собственно, и предполагали. Например, экспрессия белков ДНМТ3А и ДНМТ3Б метилтрансферазы ДНК повышается в гиппокампе взрослых крыс при определенных моделированиях процессов обучения и запоминания. Напротив, при введении тем же крысам ингибитора метилтрансферазы ДНК, такого как 5-азацитидин, формирование памяти блокируется, что отражается как в гиппокампе, так и в коре головного мозга[225].

При заболевании, которое называется синдромом Рубинштейна—Тэйби, у человека мутирует определенный ген гистон- ацетил-трансферазы (белка, добавляющего ацетиловые группы к гистонам). Частым симптомом этого расстройства является умственная отсталость. Мышам с мутировавшей версией этого гена, как мы и предполагали, также свойственны низкие уровни ацетилирования гистонов в гиппокампе. Кроме того, у них возникают серьезные проблемы при процессировании долговременной памяти в гиппокампе[226]. Когда этим мышам вводили САГК, ингибитор гистондеацетилазы, уровни ацетилирования в гиппокампе повышались, и способность к процессированию долговременной памяти улучшалась[227].

САГК способен подавлять многие различные гистондеацетилазы, однако в головном мозге одни из его мишеней представляются более важными, нежели другие. Двумя наиболее активно экспрессируемыми ферментами этого класса являются ГДАЦ1 и ГДАЦ2. Они различаются способами, которыми экспрессируются в головном мозге. ГДАЦ1 преимущественно экспрессируется в нейтральных стволовых клетках и во вспомогательных, защитных популяциях не-нейронов, которые называются глиальными клетками. ГДАЦ2 экспрессируется главным образом в нервных стволовых клетках[228], поэтому не приходится удивляться тому, что именно эта гистондеацетилаза наиболее важна для обучения и запоминания.

Мыши, нейроны которых сверхактивно экспрессируют Гдац2, отличаются слабой долговременной памятью, даже если обладают отличной кратковременной памятью. Мышам, нейроны которых не экспрессируют Гдац2 вообще, свойственна прекрасная память. Эти свидетельства указывают нам на то, что Гдац2 оказывает негативное влияние на хранение памяти. Нейроны, излишне активно экспрессирующие Гдац2, образуют значительно меньше связей, нежели нормальные, тогда как у нейронов, лишенных Гдац2, наблюдается противоположная ситуация. Это целиком соответствует нашей модели, согласно которой обусловленные эпигенетическими факторами изменения в экспрессии генов в конечном итоге приводят к изменению всего комплекса связей в головном мозге. САГК улучшает память мышей, активно экспрессирующих Гдац2, по той причине, что, очевидно, заглушает и нейтрализует его влияние на ацетилирование гистонов и экспрессию генов. САГК также способствует улучшению памяти и нормальных мышей[229].

В действительности, как представляется, повышение уровней ацетилирования в головном мозге непосредственно ассоциируется с улучшением памяти. Способности к обучению и запоминанию улучшались у мышей, содержавшихся в условиях, которые называются экологически многостимульными. Этот несколько витиеватый термин означает, что они имели доступ к двум «беличьим» колесам и даже к внутренней поверхности рулона туалетной бумаги. Уровни ацетилирования гистонов в гиппокампе и коре головного мозга повышались у мышей, живших в среде, где у них было больше возможностей для развлечений. Даже у этих мышей уровни ацетилирования гистонов и способности к запоминанию становились еще выше, если им давали САГК[230].

Как мы видим, здесь прослеживается определенная закономерность. В различных и многообразных модельных системах способности к обучению и запоминанию повышаются, когда животные получают ингибиторы метилтрансферазы ДНК и, в первую очередь, ингибиторы гистондеацетилазы. Из предыдущей главы мы узнали, что уже существуют лицензированные лекарственные препараты в обоих этих классах, такие как 5-азацитидин и САГК соответственно. Было бы очень любопытно проверить эффективность этих противораковых препаратов в состояниях, где потеря памяти является основной клинической проблемой, таких как болезнь Альцгеймера. Возможно, мы могли бы использовать их и как общее средство улучшения памяти в более широких масштабах.

К сожалению, подобные эксперименты сопряжены с серьезными проблемами. Эти препараты обладают такими побочными эффектами как резкий упадок сил, тошнота и высокий риск инфекций. Эти побочные эффекты считаются приемлемыми, если альтернативой им является неизбежная и скоропостижная смерть от рака, однако они будут рассматриваться как менее допустимые при лечении ранних стадий слабоумия, когда качество жизни пациентов относительно удовлетворительное. И, конечно же, подобные побочные эффекты ни в коем случае не приемлемы при лечении большинства групп людей.

Есть и другая проблема. Многие из этих препаратов довольно сложно доставить в головной мозг. В экспериментах с грызунами эти средства обычно вводятся непосредственно в мозг, часто в строго определенный его участок, такой как гиппокамп. Для людей такой способ едва ли можно назвать подходящим.

Существуют лишь несколько видов ингибиторов гистондеацетилазы, которые можно доставить в мозг. Препарат под названием натрий вальпроат уже на протяжении десятилетий применяется для лечения эпилепсий, а для этого он непременно должен проникнуть в мозг. Совсем недавно мы поняли, что это химическое соединение также является и ингибитором гистондеацетилазы. Было бы чрезвычайно заманчиво попытаться применить эпигенетические препараты для лечения болезни Альцгеймера, но, к сожалению, натрий вальпроат очень слабо подавляет гистондеацетилазы. Все эксперименты на животных, касающиеся способностей к обучению и запоминанию, свидетельствуют, что сильные ингибиторы действуют значительно продуктивнее слабых при выполнении поставленных перед ними задач.

Если нам удастся создать эффективные лекарственные средства, то эпигенетическая терапия окажется чрезвычайно эффективной отнюдь не только для лечения таких состояний как болезнь Альцгеймера. От 5 до 10 процентов людей, регулярно употребляющих кокаин, испытывают непреодолимую тягу к этому наркотику, поскольку у них развивается кокаиновая зависимость. Подобный эффект наблюдается и у грызунов, получающих неограниченный доступ к этому препарату. Привыкаемость к стимуляторам, таким как кокаин, представляет собой классический пример образования аномальных связей в мозге между воспоминанием и вознаграждением. Такие аномальные адаптации регулируются долгосрочными изменениями экспрессии генов. Формированию привыкаемости способствуют изменения в метилировании ДНК и в том, как это метилирование прочитывается МеСР2. Это происходит в результате целого комплекса не до конца изученных взаимодействий между сигнальными факторами, модифицирующими ДНК и гистоны ферментами и микроРНК. Подобные схемы лежат и в основе привыкаемости к амфетаминам[231][232].

Если же вернуться к вопросу, с которого мы начинали эту главу, то все согласятся с тем, что одна из главных задач, стоящих перед нами, заключается в необходимости не допустить того, чтобы дети, пережившие травму, в зрелом возрасте подвергались существенно более высокому, чем в среднем, риску развития психических заболеваний. Было бы очень заманчиво считать, что мы можем воспользоваться эпигенетическими лекарственными препаратами для повышения их шансов на счастливую и качественную жизнь. К сожалению, одна из проблем лечения детей, испытавшим на себе жестокое обращение или равнодушное отношение, состоит в том, что мы не можем с достаточной вероятностью предугадать, кто из них в зрелом возрасте будет предрасположен к таким отклонениям, а на кого негативный детский опыт не окажет своего разрушительного влияния. В конце концов, ни один врач не имеет права назначать ребенку препарат, если он не абсолютно уверен, что ребенок нуждается в лечении. Кроме того, клинические испытания, призванные определить, действительно ли эти лекарственные средства быть реально эффективными, придется проводить в течение десятилетий, что делает их экономически невыгодными практически для любой фармацевтической компании.

Однако не хотелось бы заканчивать эту главу на минорной ноте. И потому я предложу вашему вниманию чудесную историю на тему связи эпигенетического события с поведением. Есть такой ген под названием Grb10, участвующий в разнообразных сигнальных схемах. Это импринтинговый ген, и в мозге экспрессируется только его унаследованная от отца копия. Если мы репрессируем эту отцовскую копию, в организме мышей перестанет вырабатывать белок Grb10, вследствие чего у животных развивается очень необычный фенотип. Они начинают выщипывать шерсть на мордочке и усики у других мышей, содержащихся с ними в одной клетке. Это своего рода агрессивная чистка сородичей, подобная порядку клевания у кур. Кроме того, при встрече с более крупной незнакомой мышью обладатели мутировавшего гена Grb10 не отступают, а отстаивают свою территорию[233].

Подавление гена Grb10 приводит к развитию у мыши довольно впечатляющей «наступательной» манере поведения. Может даже показаться странным, что в обычных условиях этот ген у них не задействован. Разве не стали бы мыши с подавленным Grb10 более «мужественными» и успешными представителями своего племени? Однако на самом деле они с куда большей вероятностью были бы теми мышами, которым доставались бы все шишки. В мире достаточно много мышей, и они, встречаясь, взаимодействуют довольно часто. И за несоблюдение субординации всегда приходится платить.

Когда ген Grb10 в головном мозге мыши подавлен, в жизни ее наступает черная полоса. Чтобы вам стало понятнее, в чем она выражается, давайте перенесем эту ситуацию в более привычный нам мир людей. Зайдя в пивной бар, вы только успели взять со стойки долгожданный бокал, как некто, вдвое превышающий вас размерами и целиком состоящий из бугрящихся мышц, случайно задевает вас плечом, и все ваше пиво выплескивается на пол. Когда ген Grb10 подавлен, вы словно слышите голос своего верного друга, который говорит: «Ну-ка, всыпь ему! Ты же настоящий мужчина, так что не давай ему спуску!» Нам всем хорошо известно, насколько плачевно завершаются истории, развивающиеся по такому сценарию. Так что лучше давайте закончим эту шаву словами благодарности в адрес импринтингового гена Grb10, любящего повторять: «Не обращай внимания, приятель, оно того не стоит».

Глава 13. Вниз по склону

Пожалуй, я не настолько боюсь постареть, насколько боюсь растолстеть и постареть.

Бенджамин Франклин

Время движется вперед, мы стареем. Это неизбежно. И по мере того, как мы становимся старше, наши тела меняются. Как только мы преодолеваем середину четвертого десятка — и многие из нас согласятся с этим, — нам становится все сложнее и сложнее поддерживать прежний уровень физической активности. И дело не только в том, как долго мы можем бежать и как быстро крутить педали велосипеда, прежде чем вынуждены будем сделать перерыв на отдых, или сколько времени нам потребуется для восстановления сил после бурно проведенной ночи. Чем старше мы становимся, тем все более сложными представляются нам реалии окружающего мира. У нас появляются новые боли и недомогания, и мы становимся более уязвимыми для небольших, но досаждающих инфекций.

Старение принадлежит к тем переменам, которые мы очень легко распознаем в окружающих нас людях. Совсем маленькие дети без труда видят разницу между молодыми и старыми, даже если не могут отнести к тем или другим представителей среднего возраста. Взрослые легко объяснят разницу между двадцатилетним и сорокалетним человеком, или же сорокалетним и шестидесятипятилетним. Мы подсознательно делим незнакомых нам людей на условные возрастные группы не потому, что они излучают некие радиосигналы, сообщающие нам о количестве лет, прожитых ими на земле, а благодаря выраженным у них физическим признакам старения. К ним, кроме всего прочего, относится и уменьшение жировой ткани под кожей, вследствие чего лица становятся менее «свежими», а их черты — заостренными. К этим признакам принадлежат морщины, ослабление мышечного тонуса, легкое искривление позвоночника.

Бурное и стремительное развитие косметической хирургии может служить ярким свидетельством того, насколько отчаянны наши попытки бороться с симптомами старения. Цифры социологического опроса, проведенного Международной Ассоциацией эстетической пластической хирургии в 2010 году, говорят, что в ведущих 25 странах в 2009 году было выполнено более восьми с половиной миллионов операций пластической хирургии и почти столько же нехирургических процедур, как например, инъекций «Ботокса» и лазерной дермабразии. Список возглавляют Соединенные Штаты, а за второе место соперничают Бразилия и Китай[234].

Хотя в целом общество довольно равнодушно воспринимает количество прожитых лет, но оно не может смириться с неизбежно сопровождающим старением физической деградацией. И это далеко не просто тривиальное недовольство. Одним из самых серьезных факторов риска для развития рака является именно старение. То же самое справедливо в отношении болезни Альцгеймера или инсульта.

Последние открытия и новейшие разработки в области здравоохранения значительно повысили как продолжительность, так и качество жизни. Отчасти это обусловлено прогрессом в борьбе со смертностью в младенческом возрасте. Вакцинации против таких тяжелых заболеваний как, например, полиомиелит значительно снизила показатели детской смертности (меньше детей стало умирать) и улучшили качество жизни у выживших (меньше детей остались инвалидами в результате полиомиелита).

Не прекращаются оживленные дискуссии и по вопросу продления срока жизни человека, под которым подразумевается увеличение продолжительности ее конечной стадии, преклонного возраста. Вероятность продления жизни основывается на концепции использования разного рода вмешательств, которые позволят нам жить дольше. Однако, затрагивая эту тему, мы вторгаемся в недостаточно исследованные как с социологической, так и с научной точки зрения области. Чтобы понять причины этого, нам следует разобраться в вопросах, что представляет собой старение и почему этот процесс является неотъемлемой частью долголетия.

Согласно одному из определений, «старение есть прогрессирующее функциональное ухудшение функций тканей, в конечном итоге приводящий к смерти»[235]. Именно этот функциональный спад, а не сам уход из жизни, и является для большинства людей наиболее угнетающим аспектом старения.

Собственно говоря, большинство из нас прекрасно понимают значимость не просто существования, а качества жизни. Так, в ходе проведенного 2010 году опроса из 605 взрослых австралийцев почти половина заявила, что они не станут принимать препараты против старения, если таковые будут изобретены. Свой выбор они обосновывали именно стремлением к качеству жизни. Эти респонденты не считали, что подобного рода лекарства способны продлить здоровую жизнь. Идея просто жить дольше казалась им малопривлекательной, если такая жизнь подразумевала постоянно ухудшающееся здоровье и беспомощность. Эти респонденты согласны были продлевать срок собственной жизни лишь в том случае, если бы в последние ее годы они чувствовали себя полностью здоровыми[236].

Таким образом, в любой научной дискуссии о старении присутствуют два разных аспекта. Это собственно продолжительность жизни и контроль над возрастными изменениями, сопутствующими старению. Неясной остается степень, до которой возможно или разумно разделять эти два аспекта, по крайней мере, при обсуждении продолжительности жизни человека.

Эпигенетике, несомненно, принадлежит особая роль в процессе старения. Она является хотя и не единственным, но, определенно, значимым его фактором. Поле деятельности эпигенетики, связанное со старением, в последние годы спровоцировало ожесточенные дебаты в фармацевтической промышленности, и в конце настоящей главы мы еще вернемся к этому вопросу.

Мы должны разобраться, почему, когда мы стареем, наши клетки начинают хуже справляться со своими обязанностями, в результате чего мы в большей степени подвержены риску развития таких заболеваний как рак, диабет 2 типа, сердечнососудистые болезни, слабоумие и еще многих и многих других. Одна из причин этого в том, что программа ДНК в клетках нашего организма меняется, причем не в лучшую сторону. В ДНК накапливаются случайные изменения последовательности. К ним относятся соматические мутации, влияющие на клетки тканей организма, но не на зародышевую линию. Многие виды рака приводят к изменениям последовательности ДНК, часто вызываемым довольно существенными перестановками хромосом, при которых генетический материал передается от одной хромосомы к другой.

Виновен по ассоциации

Однако, в чем мы уже убедились, наши клетки располагают многочисленными механизмами, предназначенными для того, чтобы сохранить схему ДНК максимально неприкосновенной. Где это только возможно, клеточные «настройки по умолчанию» всеми силами поддерживают геном в его исходном состоянии. Но с эпигеномом — другая история. По самой своей природе он более гибок и пластичен, чем геном. По этой причине нет ничего удивительного в том, что эпигенетические модификации у животного с возрастом меняются. Поскольку эпигеном значительно более изменчив и непостоянен, чем геном, он по мере старения организма становится куда в большей степени, нежели геном, предрасположенным к изменениям.

С некоторыми примерами этого мы уже встречались в главе 5, когда говорили о том, почему генетически идентичные близнецы по мере взросления становятся менее идентичными с точки зрения эпигенетики. Вопрос о том, как с возрастом меняется сам эпигеном, был исследован учеными, можно сказать, напрямую. В ходе экспериментов изучались две большие группы людей из Исландии и американского штата Юта, принимавшие участие в программе долгосрочных научных наблюдений. С периодичностью в одиннадцать и шестнадцать лет у этих людей брались образцы крови, из которых затем была выделена ДНК. В крови содержатся красные (эритроциты) и белые (лейкоциты) кровяные тельца. Эритроциты переносят по всему организму кислород и, по сути, представляют собой крошечные мешочки гемоглобина. Лейкоциты являются клетками, генерирующими иммунные реакции на инфекции. Эти клетки обладают ядрами и содержат ДНК.

Исследователи обнаружили, что абсолютные уровни метилирования ДНК в лейкоцитах некоторых образцов со временем меняются. Эти изменения не всегда были одинаковыми. У одних людей уровни метилирования ДНК с возрастом повышались, тогда как у других понижались. Направление изменений, как выяснилось, было однотипным в семьях. Это может означать, что связанные с возрастом изменения в метилировании ДНК были вызваны генетическими факторами или воздействием общей для семьи окружающей среды. Ученые также в деталях исследовали метилирование свыше 1500 отдельных участков CpG в геноме. Эти участки, главным образом, были связаны с кодирующими белки генами. На этих особых участках исследователи обнаружили те же тенденции, которые они зафиксировали при изучении абсолютных уровней метилирования ДНК. У одних исследуемых метилирование ДНК на особых участках оказалось повышенным, а у других пониженным. Уровни метилирования ДНК были повышены или понижены по меньшей мере на 20 процентов приблизительно у каждого десятого из всех, принимавших участие в исследованиях.

На основании данных, полученных в ходе экспериментов, ученые заявили, что «полученные ими результаты свидетельствуют в пользу предположения о том, что связанная с возрастом утрата привычных эпигенетических схем является механизмом, обусловливающим развитие распространенных возрастных заболеваний»[237]. Действительно, эти данные согласуются с моделью, в соответствии с которой возрастные ухудшения здоровья провоцируются эпигенетическими механизмами, однако в этом утверждении присутствуют оговорки, о которых мы не должны забывать.

В частности, подобного рода эксперименты обнаруживают важные взаимосвязи между эпигенетическими изменениями и возрастными заболеваниями, но они не доказывают, что одно событие является следствием другого. Люди наиболее часто тонут в периоды, когда растут объемы продаж лосьонов для загара. Из этого факта можно было бы сделать заключение, что лосьоны для загара каким-то образом воздействуют на людей, лишая их способности уверенно держаться на воде. Однако, как мы понимаем, объемы продаж лосьонов для загара повышаются в жаркую погоду, когда многие люди предпочитают проводить досуг у воды. Чем больше людей плавает, тем в среднем выше число утонувших. Это и есть очевидная взаимосвязь между двумя рассмотренными нами факторами (продажа лосьонов и смертность при купании), но ее присутствие не означает, что одно событие вытекает из другого.

Следовательно, хотя мы и знаем, что эпигенетические модификации со временем меняются, одно это не может служить доказательством, что такие изменения являются причинами заболеваний и ухудшения здоровья, ассоциирующимися с пожилым возрастом. Теоретически, эти изменения могут быть всего лишь случайными вариациями, не имеющими каких-либо функциональных последствий. Они могут быть только лишь изменениями эпигенетического фонового шума в клетке. Мы даже не знаем, приводят ли во многих клетках измененные схемы эпигенетических модификаций к изменениям в экспрессии генов. Ответ на этот вопрос был бы чрезвычайно важен, но получить его в отношении человека более чем затруднительно.

Виновен, более чем по ассоциации

Впрочем, существуют некоторые эпигенетические модификации, которые определенно играют свою роль в возникновении или развитии заболеваний. Наиболее ярким примером такого рода является рак, уже рассмотренный нами в главе 11. Свидетельством тому служат эпигенетические препараты, способные лечить некоторые специфические виды рака. Кроме того, подтверждением этому являются значительные массивы данных, полученных в различных экспериментальных системах. Они свидетельствуют, что изменение эпигенетической регуляции в клетке повышает вероятность ее перерастания в раковую клетку или способствует тому, что клетка, уже являющаяся раковой, становится более агрессивной.

Одним из вопросов, обсуждавшихся в главе 11, было увеличение метилирования ДНК, часто наблюдаемое на промоторах генов-супрессоров новообразований. Такое повышенное метилирование ДНК подавляет экспрессию генов-супрессоров новообразований. Как ни странно, увеличение метилирования ДНК на особых участках часто обнаруживается на общем фоне снижения уровня метилирования ДНК во многих других областях генома в той же раковой клетке. Это понижение метилирования может быть вызвано снижением экспрессии или активности деятельности метилтрансферазы ДНК, ДНМТ1. Такое глобальное падение уровня метилирования ДНК также может способствовать развитию рака.

Для исследования этого вопроса Руди Джениш создал линию мышей, в клетках которых белок Dnmt1 экспрессировался приблизительно лишь на 10 процентов. Уровни метилирования ДНК в их клетках были очень низкими по сравнению с аналогичными показателями обычных мышей. У этих мышей с мутировавшим геном Dnmt1, рождавшихся мелкими и слабыми, в возрасте между четвертым и восьмым месяцами развивались агрессивные новообразования иммунной системы (Т-клеточные лимфомы). Это было связано с перестановками определенных хромосом и, особенно, в дополнительной копии хромосомы 15 раковых клеткок.

Профессор Джениш предположил, что низкие уровни метилирования ДНК делают хромосомы очень нестабильными и подверженными разрывам. Вследствие этого, возрастает опасность того, что хромосомы могут соединиться неверно. Представьте, что вы разломали пополам розовую и зеленую карамельную конфету, получив в итоге четыре кусочка. Вы можете снова вернуть им первоначальный вид, склеив расплавленным сахаром, и тем самым получить новые две единицы способствующего развитию кариеса лакомства. Но, если вы будете заниматься этим в темноте, то возможно у вас получится некий «гибрид», в котором одна половинка будет зеленой, а другая розовой.

Конечным результатом повышения хромосомной нестабильности у мышей Руди Джениша стала аномальная экспрессия генов. Это, в свою очередь, повлекло за собой стремительное разрастание в высшей степени агрессивных клеток, что и привело к раку[238][239]. Эти данные и является одной из причин, по которым ингибиторы ДНМТ едва ли могут быть использованы для лечения каких-либо иных, кроме рака, заболеваний. Опасность их в том, что эти препараты могут вызвать снижение метилирования ДНК в здоровых клетках, а это может вызвать предрасположенность некоторых типов клеток к раку.

Эти данные свидетельствуют, что сам по себе уровень метилирования ДНК не является важным фактором. Куда большее значение имеет то, где именно в геноме происходят изменения в метилировании ДНК.

Общее снижение уровней метилирования ДНК, сопутствующее старению, было обнаружено не только у людей и мышей, но также и у представителей многих других видов, от крыс до горбуш[240]. Пока еще нет полной ясности в вопросе, почему низкие уровни метилирования ДНК ассоциируются с нестабильностью генома. Возможно, дело в том, что высокие уровни метилирования ДНК могли бы привести к очень компактному строению ДНК, которая структурно стала бы более стабильной. В конце концов, значительно легче перекусить кусачками одну жилу проволоки, чем несколько жил, сплетенных в прочный металлический жгут.

Важно представлять себе, какие титанические усилия прилагают клетки для заботы о своих хромосомах. Когда хромосома рвется, клетка, если это возможно, мгновенно «латает» разрыв. Если же такой возможности у нее нет, то она может запустить механизм саморазрушения, в конечном итоге приводящий к ее «самоубийству». Происходит это потому, что поврежденные хромосомы могут быть опасными. Лучше убить одну клетку, чем позволить ей выжить, неся в себе поврежденный генетический материал. Например, представьте себе, что в одной клетке рвется одна копия хромосомы 9 и одна копия хромосомы 22. Они могут быть починены надлежащим образом, но может случиться и так, что в результате этого ремонта часть хромосомы 9 соединится с частью хромосомы 22.

На самом деле подобная перестройка хромосом 9 и 22 случается относительно часто в клетках иммунной системы. Более того, она происходит настолько часто, что этот гибрид хромосомы 9 и хромосомы 22 стал обозначаться особым термином. Он называется филадельфийской хромосомой, в честь города, где был впервые описан. 95 процентов людей, больных разновидностью рака, которая называется хронической гранулоцитарной лейкемией, имеют в своих раковых клетках филадельфийскую хромосому. Эта аномальная хромосома вызывает такой вид рака в клетках иммунной системы по той причине, что разрыв и воссоединение хромосом происходит в определенном месте генома. Соединение двух хромосомных участков приводит к созданию гибридного гена под названием Bcr-Abl, который активно вызывает чрезвычайно быстрое деление клеток.

Таким образом, наши клетки сформировали очень сложные и безотлагательные способы немедленного восстановления разорвавшихся хромосом, призванные уберечь их от подобного рода аномальных слияний. А для этого клетки должны уметь распознавать свободные концы ДНК, которые образуются, когда хромосома распадается надвое.

Однако не все так просто. Каждая хромосома в наших клетках вполне естественным образом имеет два свободных конца ДНК, по одному с каждой стороны. И что-то должно не позволять восстановительной механике ДНК считать, что эти концы нуждаются в ремонте. Этим «чем-то» является узкоспециализированная структура, которая называется теломером. На каждом конце каждой хромосомы находится по одному теломеру, то есть в каждой клетке человека содержится по 92 теломера. Именно они блокирует механизм восстановления ДНК на концах хромосом.

Конечные участки

Теломеры играют решающую роль в борьбе со старением. Чем чаще делится клетка, тем мельче становятся ее теломеры. Таким образом, по мере старения организма теломеры становятся все короче. В конечном итоге они уменьшаются до такой степени, что оказываются не в силах функционировать должным образом. Клетки перестают делиться и могут даже активировать собственный механизм саморазрушения. Единственный тип клеток, не подчиняющийся такому развитию событий, это половые клетки, из которых образуются яйцеклетки или сперматозоиды. В этих клетках теломеры всегда остаются длинными, так что следующее поколение не оказывается ущемленным в долговечности. В 2009 году за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы. Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.

Поскольку теломеры настолько важны для процесса старения, имеет смысл рассмотреть, как они взаимодействуют с эпигенетической системой. Теломеры ДНК позвоночных состоят из сотен раз повторенной последовательности ТТАГГГ. На теломерах нет генов. Кроме того, эта последовательность говорит нам, что на теломерах нет мотивов CpG, следовательно, там не может быть метилирования ДНК. Если и существуют какие-либо эпигенетические эффекты, имеющие значение для теломеров, то они должны основываться на гистоновых модификациях.

Между теломерами и основной частью хромосомы располагаются участки ДНК, которые называются субтеломерными областями. В них содержатся множества цепочек повторяющейся ДНК. Эти повторения менее ограничены в последовательностях, нежели теломеры. В субтеломерных областях в незначительных количествах присутствуют гены. В них есть и некоторые мотивы CpG, так что эти области могут подвергаться не только гистоновым модификациям, но и метилированию ДНК.

Виды эпигенетических модификаций, обычно происходящих на теломерах и в субтеломерных областях, считаются высоко репрессивными. Так как в любом случае на этих участках генов очень мало, и эти модификации, вероятно, не предназначены для подавления отдельных генов. Вместо того, эти репрессивные эпигенетические модификации, скорее всего, участвуют в «сдавливании» концов хромосом. Эпигенетические модификации привлекают белки, обволакивающие концы хромосом, и помогают им оставаться настолько туго закрученными, плотными и неприступными, насколько это только возможно. Отчасти это похоже на то, как концы трубы обматывают изоляционной лентой.

Для клетки потенциальная опасность заключена в том, что все ее теломеры имеют одинаковую последовательность ДНК, так как идентичные последовательности в ядре проявляют тенденцию находить себе подобных и связываться с ними. Столь тесное соседство порождает риск того, что концы различных хромосом могут соединяться друг с другом, особенно когда они оказываются поврежденными и открытыми. Это может привести к самым разнообразным ошибкам, когда клетка, пытаясь рассортировать цепочки хромосом, станет создавать «смешанные» хромосомы, подобные той, что вызывает хроническую гранулоцитарную лейкемию. Обволакивание теломеров репрессивными модификациями, делающими концы хромосом действительно плотно упакованными, значительно снижает вероятность того, что разные хромосомы смогут ошибочно соединиться друг с другом.

Клетка, таким образом, оказывается перед дилеммой, представленной на рисунке 13.1.

Рис. 13.1. Аномальное укорачивание или удлинение теломеров в равной степени опасно для клетки

Если теломеры становятся слишком короткими, это может привести к отключению клетки. А если теломеры будут слишком длинными, повысится риск того, что различные хромосомы начнут соединяться друг с другом, создавая новые стимулирующие развитие рака гены. Репрессия клетки, вероятно, является защитным механизмом, сформировавшимся для снижения риска образования новых провоцирующих рак генов. Это и есть одна из причин, по которым весьма затруднительно будет создать лекарственные препараты, которые бы увеличивали продолжительность жизни, но не повышали бы при этом опасность развития рака.

Что происходит, когда мы создаем новые плюрипотентные клетки? Это может быть сделано с помощью переноса ядра соматической клетки, чему мы были свидетелями в главе 1, или при создании iPS клеток, в чем мы убедились в главе 2. Мы можем пользоваться этими техниками, создавая клонированных животных или человеческие стволовые клетки, предназначенные для лечения дегенеративных заболеваний. В обоих случаях нам необходимо создавать клетки, имеющие нормальную продолжительность жизни. В конце концов, нет никакого смысла создавать нового призового жеребца или клетки для пересаживания в поджелудочную железу больному диабетом подростку, если через короткий промежуток времени жеребец или клетки погибнут из-за «старения» теломера.

Это значит, что мы должны создавать клетки с теломерами, имеющими приблизительно ту же длину, что и теломеры в обычных эмбрионах. В естественных условиях это требование выполняется благодаря тому, что хромосомы в зародышевой линии клеток защищены от укорачивания теломеров. Но если мы создаем плюрипотентные клетки из относительно взрослых клеток, то мы имеем дело с ядрами, теломеры которых с большой долей вероятности уже относительно короткие, так как исходные клетки были взяты у взрослых, чьи хромосомы с возрастом стали короче.

К счастью, кое-что необычное происходит, когда мы создаем плюрипотентные клетки в лабораторных условиях. Когда создаются iPS клетки, они активируют экспрессию гена, который называется теломеразой. Теломераза обычно сохраняет и поддерживает требуемую длину теломеров. Но по мере того, как мы стареем, активность теломеразы в наших клетках начинает снижаться. Важно активировать теломеразу в iPS клетках, иначе в них будут очень короткие теломеры, и эти клетки не смогут создать достаточно много поколений дочерних клеток. Факторы Яманаки стимулируют экспрессию высоких уровней теломеразы в iPS клетках.

Но мы не можем прибегнуть к помощи теломеразы для того, чтобы обратить вспять или замедлить старение человека. Даже если бы нам удалось доставить этот фермент в клетки, воспользовавшись для этого, может быть, генной терапией, шансы провоцирования рака были бы при этом слишком велики. Система теломеров предельно точно уравновешена, как и альтернатива между старением и раком.

Ингибиторы гистондеацетилазы и метилтрансферазы ДНК повышают продуктивность факторов Яманаки. Это может быть в некоторой степени вызвано тем, что оба химических соединения частично удаляют репрессивные модификации на теломерах и субтеломерных регионах. Вследствие этого теломеразе становится проще строить теломеры, когда клетки перепрограммируются.

Рассмотрение взаимодействия эпигенетических модификаций с системой теломеров несколько отдалило нас от простого выявления взаимосвязи эпигенетики и процесса старения. Но вместе с тем оно и приблизило нас к модели, благодаря которой мы можем начать чувствовать уверенность, что эпигенетические механизмы могут действительно играть каузативную роль по меньшей мере в некоторых аспектах старения.

Не стареет ли ваше пиво?

Для более углубленного исследования вопроса старения ученые активно используют организм, с которым мы сталкиваемся ежедневно на протяжении всей жизни, когда едим хлеб или пьем пиво. Научным термином для обозначения этого модельного организма является латинское словосочетание Saccharomyces cerevisiae, но нам он знаком под более распространенным и привычным названием пивных дрожжей. Далее для краткости мы будем называть его просто дрожжами.

Хотя дрожжи являются простым одноклеточным организмом, они удивительно похожи на нас в некоторых действительно фундаментальных аспектах. В клетках у дрожжей есть ядра (у бактерий их нет), кроме того, они обладают многими белками и биохимическими связями из тех, что присущи таким высшим организмам, к которым относятся млекопитающие.

Так как дрожжи являются настолько простыми организмами, с ними очень легко работать в лабораторных условиях. Клетка дрожжей (мать) способна генерировать новые клетки (дочерей) относительно прямолинейным путем. Материнская клетка копирует свою ДНК. Новая клетка отпочковывается от материнской клетки.

Эта дочерняя клетка, содержащая необходимое количество ДНК, отделяется от материнской клетки и начинает существовать как совершенно независимый новый одноклеточный организм. Дрожжи делятся, образуя новые клетки, очень быстро, а это означает, что эксперименты с ними могут проводиться за несколько недель, а не занимать месяцы или годы, которые бы потребовались для опытов с высшими организмами и, в первую очередь, с млекопитающими. Дрожжи могут выращиваться в жидкой среде или в чашках Петри, что очень облегчает манипуляции с ними. Кроме того, это позволяет довольно легко вызывать мутации в интересующих нас генах дрожжей.

Дрожжам присущ особый признак, делающий их одной из излюбленных модельных систем в эпигенетике. Дрожжи никогда не метилируют свою ДНК, поэтому любые эпигенетические эффекты должны вызываться гистоновыми модификациями. У дрожжей есть и еще одна полезная характеристика. Каждый раз, когда материнская клетка дрожжей порождает дочернюю клетку, у матери на месте отделившейся почки остается шрам. Эта особенность позволяет легко определить, сколько раз делилась каждая клетка. У дрожжей существуют два типа старения, каждый из которых может быть сопоставлен со старением человека, как это показано на рисунке 13.2.

Рис. 13.2. Две модели старения дрожжей — для делящихся и неделящихся клеток

Наибольшее внимание при исследовании вопросов старения уделяется репликационному типу, когда ученые стремятся понять, почему клетки утрачивают свою способность делиться. Репликационное старение у млекопитающих непосредственно связано с некоторыми очевидными симптомами возрастных изменений. Например, в скелетной мышце находятся специфические стволовые клетки, которые называются сателлитными клетками. Они могут делиться лишь ограниченное число раз. Как только они лишатся этой способности, перестанут создаваться и новые мышечные волокна.

В понимании принципов репликационного старения у дрожжей был достигнут значительный прогресс. Один из ключевых ферментов, контролирующих этот процесс, называется Sir2 и является эпигенетическим белком. Он влияет на репликационное старение дрожжей двумя путями. Один из них кажется присущим исключительно дрожжам, тогда как другой обнаруживается и у многочисленных видов на эволюционном древе вплоть до человека.

Sir2 является гистондеацетилазой. Мутировавшие дрожжи, излишне активно экспрессирующие Sir2, отличаются репликационной продолжительностью жизни, которая, по меньшей мере, на 30 процентов превышает обычный срок жизни[241]. И напротив, для дрожжей, не экспрессирующих Sir2, характерна гораздо меньшая продолжительность жизни[242], уступающая обычной приблизительно на 50 процентов. В 2009 году профессор Шелли Бергер, удивительно трудоспособная исследовательница из Университета Пенсильвании, возглавляемый которой коллектив добился выдающихся успехов в области молекулярной эпигенетики, опубликовала результаты цикла поистине уникальных генетических и молекулярных экспериментов на дрожжах.

Ее исследования показали, что белок Sir2 влияет на старение, удаляя ацетиловые группы с гистоновых белков, и в этом заключается его единственное предназначение. [243]. Это был ключевой эксперимент, поскольку для Sir2, как и для многих гистондеацетилаз, характерна некоторая молекулярная распущенность. Он не просто удаляет ацетиловые группы с гистоновых белков, но и еще у 60-ти других белков клетки. Многие из этих белков не имеют никакого отношения к хроматину или экспрессии генов. Работа Шелли Бергер убедительно продемонстрировала, что Sir2 влияет на старение именно своим воздействием на гистоновые белки. Измененная эпигенетическая схема на гистонах, в свою очередь, влияет на экспрессию генов.

Эти данные, показывающие, что эпигенетические модификации гистонов действительно оказывают решающее влияние на старение, помогли занимающимся этой темой ученым понять, что они движутся в правильном направлении. И важность Sir2 не ограничивается лишь дрожжами. Если мы сильно повысим уровень экспрессии Sir2 в уже полюбившемся нам черве С. elegans[244], он проживет дольше. Продолжительность жизни дрозофил, активно экспрессирующих Sir2, увеличивается приблизительно на 57 процентов[245]. Может быть, этот ген так же важен и для процесса старения человека?

У млекопитающих существует семь разновидностей гена Sir2, от SIRT1 до SIRT7. Основное внимание при изучении старения у человека ученые уделяют гену SIRT6, представляющим собой довольно необычную гистондеацетилазу. Истинный прорыв в этой области был сделан в лаборатории молодого доцента Стэнфордскош центра долголетия Катрин Чуа, (которая приходится сестрой Эми Чуа, автора вызвавших в высшей степени оживленную полемику мемуаров «Боевая песнь матери-тигрицы»).

Катрин Чуа вывела линию мышей, которые никогда не экспрессируют белок Sirt6, даже в период собственного развития (они стали известны как нокаутные мыши по гену Sirt6). При рождении эти животные выглядели вполне нормальными, хотя и уступали в размерах обычным мышам. Но, начиная с двухнедельного возраста, они демонстрировали целый ряд признаков, присущих процессу старения. В их число входили утрата подкожного жира, искривление позвоночника и нарушение метаболизма. В возрасте одного месяца эти мыши умирали, тогда как обычные мыши в лабораторных условиях способны прожить до двух лет.

Большинство гистондеацетилаз крайне неразборчивы. Под этим мы подразумеваем, что они деацетилируют любой ацетилированный гистон, который смогут разыскать. Более того, как уже упоминалось выше, многие из них даже не ограничиваются только гистонами и удаляют ацетиловые группы с любых белков. Однако SIRT6 в этом плане просто уникален. Он удаляет ацетиловые группы исключительно с двух особых аминокислот — лизин 9 и лизин 56, которые обе находятся на гистоне H3. Этот фермент, как представляется, также предпочитает гистоны, расположенные на теломерах. Когда Катрин Чуа «нокаутировала» ген SIRT6 в человеческих клетках, она обнаружила, что теломеры этих клеток оказались поврежденными, и хромосомы в них начали соединяться. Клетки утратили способность делиться и прекратили выполнять подавляющую часть своих функций[246].

Отсюда следует, что клетки человека нуждаются в SIRT6 для сохранения нормальной структуры теломеров. Но это не единственная роль белка SIRT6. Ацетилирование гистона 3 на аминокислоте 9 связано с экспрессией генов. Когда SIRT6 удаляет эту модификацию, эта аминокислота может быть метилирована другими ферментами, присутствующими в клетке. Метилирование этой позиции на гистоне связано с репрессией генов. Катрин Чуа продолжила эксперименты, результаты которых подтвердили, что изменение уровней экспрессии SIRT6 меняет экспрессию отдельных генов.

Создавая комплекс с определенным белком, SIRT6 в качестве своей мишени избирает специфические гены. Если этот белок присутствует в этих генах, то SIRT6 участвует в петле обратной связи, способствующей подавлению экспрессии гена, включаясь в классический порочный круг. У мышей с нокаутированным геном SIRT6 уровни гистонового ацетилирования на этих генах остаются высокими, потому что петля обратной связи не может быть активирована. Благодаря этому экспрессия этих генов-мишеней у мышей с нокаутированным SIRT6 повышается. Генами-мишенями являются те, которые способствуют саморазрушению или вхождению клетки в состояние перманентного стаза, известного как одряхление. Такие результаты объясняют, почему нокаут гена SIRT6 вызывает преждевременное старение[247]. Дело в том, что гены, ускоряющие процессы, связанные со старением, активируются слишком рано или слишком бурно, и происходит это в молодом возрасте.

Представьте себе пронырливого ремесленника, который встраивает в свои изделия скрытый механизм, вызывающий преждевременный износ. Определенное количество лет это устройство должно бездействовать, иначе, если процесс износа запустится слишком рано, то мастер рискует приобрести репутацию производителя некачественного товара, и никто не станет приобретать его изделия. Нокаут SIRT6 в клетках отчасти похоже на программный сбой, активирующий запуск встроенного механизма износа через, скажем, один месяц вместо двух лет.

Другие гены-мишени SIRT6 связаны с провоцированием воспалительных и иммунных реакций. Это также имеет большое значение для старения, поскольку в результате повышения активности этих путей определенные состояния по мере старения становятся все более частыми. В их число входят специфические признаки определенные сердечнососудистых заболеваний и таких хронических нарушений как ревматоидный артрит.

Есть такое редкое генетическое заболевание, которое называется синдромом Вернера. Страдающие им люди начинают стареть значительно быстрее и гораздо раньше, чем их здоровые сверстники. Этот процесс вызывается мутацией гена, входящего в трехмерную структуру ДНК, где он способствует поддержанию ее правильной конфигураций и закрученности до необходимой для определенного клеточного типа степени сжатости[248]. Обычный белок связывается с теломерами. И делает он эго наиболее эффективно, когда гистоны на теломерах утрачивают ацетиловые группы на аминокислоте 9 гистона H3. Именно эта модификация удаляется ферментом SIRT6. Это еще более убеждает нас в значимости роли белка SIRT6 для контроля старения[249].

Учитывая, что SIRT6 является гистондеацетилазой, было бы интересно исследовать влияние на старение ингибитора гистондеацетилазы. Мы могли бы предположить, что он должен оказывать такое же воздействие, как и нокаут экспрессии фермента SIRT6, то есть ускорить процесс старения. А это, в свою очередь, заставит нас лишний раз задуматься, прежде чем мы станем лечить пациентов такими ингибиторами гистондеацетилазы как САГК. В конце концов, противораковое средство, заставляющее пациента стареть быстрее, едва ли может считаться эффективным.

К счастью, с точки зрения лечения раковых больных, SIRT6 принадлежит к особому классу ферментов гистондеацетилазы, которые называются сиртуинами. В отличие от ферментов, с которыми мы имели дело в главе 11, сиртуины не подвержены влиянию САГК или любых других препаратов-ингибиторов гистондеацетилазы.

Ешьте меньше — проживете дольше

И опять мы возвращаемся к вопросу о том, удалось ли нам хоть сколько-нибудь приблизиться к открытию средства, которое мы могли бы предложить людям, мечтающим жить дольше. Имеющиеся на сегодняшний день данные не выглядят многообещающими, особенно при учете того, что многие механизмы, лежащие в основе процесса старения, являются защитными приспособлениями против развития рака. Нет большого смысла в создании лекарственных средств, способных увеличить продолжительность жизни лет на 50, если они спровоцируют развитие новообразования, которое может убить нас уже через пять лет. Однако существует один способ увеличения продолжительности жизни, уже доказавший свою удивительную эффективность не только для дрожжей или дрозофил, но и для червей и млекопитающих. И называется он ограничением потребления калорий.

Если содержание калорий в рационе грызунов при свободном доступе к пище будет понижено до 60 процентов калорий, это окажет поразительный эффект на продолжительность их жизни и развитие возрастных заболеваний[250]. Чтобы результат был очевиден, такое ограничение следует начинать в самом раннем возрасте и придерживаться его на протяжении всей жизни. У дрожжей снижение количества глюкозы (пищи) с 2 до 0,5 процентов повышает продолжительность их жизни приблизительно на 30 процентов[251].

Не прекращаются оживленные дискуссии по поводу того, обусловлен ли эффект, вызванный снижением калорий, такими сиртуинами, как Sir2 у дрожжей, или вариантами Sir2 у других животных. Sir2 частично регулируется ключевым химическим веществом, уровень которого зависит от количества питательных веществ, поступающих в клетки. Это заставило некоторых авторов предположить наличие связей между этими двумя компонентами, и такая гипотеза выглядит привлекательной. Тот факт, что Sir2 действительно важен для продолжительности жизни, не подвергается сомнению. Ограничение калорий также играет очень важную роль. Вопрос в том, действуют ли эти два фактора совместно или раздельно. На этот счет пока нет единого мнения, а результаты экспериментов в большой степени зависят от используемых модельных систем. Они могут сводиться к углубленному исследованию деталей, которые на первый взгляд выглядят незначительными, таких как, например, природа штамма пивных дрожжей или точное определение количества глюкозы в питательном растворе.

Вопрос о том, как именно работает снижение калорий, может показаться менее значимым в сравнении с самим фактом его действенности. Однако этот механизм для нас чрезвычайно важен, если мы хотим определить стратегию борьбы со старением, поскольку вопрос ограничения калорий применительно к человеку сопряжен с определенными проблемами. Понятие питания включает в себя колоссальные социальные и культурные аспекты, так как потребляемые нами продукты для нас являются не только топливом. И кроме этих социологических и психологических барьеров, ограничение калорий обладает собственными побочными эффектами. К наиболее очевидным из них принадлежат мышечное истощение и утрата либидо. Поэтому не станет сюрпризом то, что на предложение прожить дольше, но при наличии этих побочных эффектов, большинство людей ответят отказом[252].

Это была одна из причин, почему опубликованная в 2006 году в журнале Natur статья Дэвида Синклера из Гарвардской медицинской школы вызвала столь небывалый фурор. Ученые исследовали состояние здоровья и продолжительность жизни мышей, на которых воздействовали химическим соединением под названием ресвератрол. Ресвератрол является мощным растительным антиоксидантом, содержащимся в семенах, кожице и листьях винограда. Он входит в состав красного вина. На момент написания статьи ресвератрол уже успел зарекомендовать себя как средство, увеличивающее продолжительность жизни дрожжей, С. elegans и дрозофил[253][254].

Профессор Синклер с коллегами «посадил» мышей на очень высококалорийную диету и на протяжении шести месяцев давал им ресвератрол. По истечении полугода ученые исследовали состояние здоровья подвергнутых эксперименту мышей. Все мыши, придерживавшиеся высококалорийной диеты, оказались толстыми, независимо от того, давали им ресвератрол или нет. Но те мыши, которые получали ресвератрол, отличались более крепким здоровьем, чем их лишенные ресвератрола сородичи. Их печень была не настолько ожиревшей, они более уверенно демонстрировали двигательные навыки и проявляли меньше симптомов диабета. К моменту достижения возраста 114 недель у мышей, получавших ресвератрол, уровень смертности был на 31 процент ниже, чем у тех мышей, которые содержались на той же диете, но не получали ресвератрол[255].

Без лишних слов понятно, почему эта статья привлекла к себе повышенное внимание. Если бы можно было достичь тех же результатов и у людей, то ресвератрол стал бы пропуском в жизнь без ожирения. Ешьте, сколько хотите, толстейте, насколько пожелаете, и живите долгую, здоровую и полноценную жизнь. Можно не оставлять на тарелочке третью часть каждого блюда и не беспокоиться о потере мышечного тонуса и либидо.

Как же ресвератролу удавалось добиться этого? В предыдущей статье той же группы ученых отмечалось, что ресвератрол активирует белок сиртуина, в данном случае Sirt1[256]. Считается, что Sirt1 очень важен для контроля сахарного и жирового обмена.

Профессор Синклер создал компанию под названием «Сиртрис Фармасьютикалс», которая продолжила работу над созданием новых соединений, в основе которых лежала структура ресвератрола. В 2008 году корпорация «Глаксо-Смит-Кляйн» заплатила 720 миллионов долларов за «Сиртрис Фармасьютикалс», чтобы получить доступ к ее теоретическим и практическим разработкам соединений для лечения сопутствующих старению заболеваний.

Многими экспертами стоимость этой сделки была признана завышенной, и это была не единственная связанная с ней проблема. В 2009 году группа ученых из конкурирующей фармацевтической компании «Амген» опубликовала свой доклад. Они утверждали, что ресвератрол не активирует Sirt1, а обнадеживающие результаты первоначальных экспериментов были вызваны техническими проблемами[257]. Вскоре после этого исследователи из компании «Пфайзер», еще одного фармацевтического гиганта, опубликовали статью, в которой поддержали мнение ученых «Амгена»[258].

На самом деле для крупных фармацевтических компаний очень нехарактерно публиковать работы, в которых всего лишь опровергаются открытия, сделанные другими компаниями. Поступки такого рода не приносят никакой выгоды. В конечном итоге о деятельности фармацевтических компаний судят по лекарственным препаратам, которыми тем удалось насытить рынок, поэтому критика конкурента на ранних этапах программы по разработке лекарственных средств не дает никаких коммерческих преимуществ. Тот факт, что «Амген» и «Пфайзер» выступили с публичным обнародованием своих мнений, лишний раз свидетельствует о том, насколько полемичной стала история с ресвератролом.

Имеет ли значение, как действует ресвератрол? Не более ли важен тот факт, что он демонстрирует действительно поразительные результаты? Если вы пытаетесь разработать новое лекарство для лечения заболеваний человека, ответы на поставленные выше вопросы, к сожалению, имеют огромное значение. Регулирующие органы, выдающие лицензию на производство нового препарата, более благосклонны в своих суждениях, если представляют себе, как действуют эти средства. Отчасти это обусловлено тем, что в этом случае значительно облегчается процесс отслеживания побочных эффектов, поскольку заранее известно, чего от этих препаратов можно ожидать. Однако другой стороной медали является то, что сам по себе ресвератрол, возможно, не является идеальным веществом, которое можно было бы использовать в качестве лекарственного средства.

Эта проблема часто свойственна таким продуктам естественного происхождения как ресвератрол, которые получают из растений. В природные химические соединения приходится вносить определенные изменения, существенные или незначительные, чтобы они лучше циркулировали по организму и не оказывали нежелательных побочных действий. Например, артемизинин является химическим соединением, которое получают их китайской полыни и используют для лечения малярии. Сам по себе артемизинин плохо воспринимается человеческим организмом, поэтому исследователям пришлось разработать соединения, с вариантами химической струкгуры исходного натурального продукта. В такой форме вещества убивают малярийных паразитов, но они также и значительно лучше, чем артемизинин, воспринимаются нашим организмом[259].

Но если мы не знаем точно, как именно работает то или иное соединение, то нам будет очень сложно разработать и испытать новые препараты, поскольку нам не известно, как проверить, продолжают ли они воздействовать на нужный белок.

«Глаксо-Смит-Кляйн» продолжает свои программы исследования сиртуина, но, беспокоясь о репутации компании, они прекратили клинические испытания особой формулы ресвератрола для лечения такого заболевания как множественная миелома из-за побочного эффекта почечной токсичности[260].

Прогресс в исследованиях активаторов сиртуиновой гистондеацетилазы представляет огромный интерес для всех крупных игроков фармацевтического рынка. Мы еще не знаем наверняка, продолжат ли эти эпигенетические модификаторы оставаться на повестке дня или по ним прозвонит погребальный колокол, знаменуя, что они не соответствуют выполнению поставленной перед ними специфической задачи увеличения продолжительности жизни и борьбы с возрастными заболеваниями. Так что пока нам остается придерживаться старого проверенного рецепта: больше есть овощей и фруктов, активнее заниматься физическими упражнениями и стараться избегать жесткого «верхнего освещения» — пользы оно никому еще не принесло.

Глава 14. Да здравствует королева

Все мои владения за одну минуту жизни!

Приписывается королеве Елизавете I

Влияние питания на здоровье и продолжительность жизни млекопитающих поистине трудно переоценить. Как мы уже видели в предыдущей главе, длительное ограничение потребления калорий способно продлить жизнь мышей приблизительно на одну треть[261]. Из главы 6 мы также узнали, что на наше здоровье и долголетие существенное влияние может оказывать рацион наших родителей и их родителей. Это совершенно удивительные открытия, однако сама природа предлагает нам еще более поразительный пример влияния питания на долголетие. Только представьте себе, если сможете, что при определенном режиме питания немногие избранные представители некоего вида имеют продолжительность жизни, в двадцать раз превышающую сроки существования большинства их сородичей. В двадцать раз! Если бы это было доступно людям, то по сей день британский трон занимала бы королева Елизавета I и продолжала бы править страной еще не менее 400 лет.

Увы, человечество лишено такой возможности, но ею успешно пользуется один весьма широко распространенный вид. Он нам прекрасно знаком, поскольку мы встречаемся с ним каждую весну и лето. Мы пользуемся результатами его трудов, когда изготавливаем свечи и мебельную политуру, и мы с удовольствием употребляем в пищу его щедрые дары на протяжении всей человеческой истории. Это медоносная пчела.

Медоносная пчела, или Apis mellifera, поистине удивительное создание. Она являет собой яркий пример общественного насекомого. Пчелы живут колониями, которые могут насчитывать десятки тысяч индивидуумов. Подавляющее большинство из них — рабочие. Это стерильные самки, выполняющие самый широкий круг специализированных обязанностей, включающих сбор пыльцы, строительство жилищ и заботу о новорожденных. Есть среди них небольшое количество самцов, которые, если повезет, кроме спаривания, ничем иным практически и не занимаются. А еще у них есть своя королева — матка.

При формировании новой колонии девственная матка покидает улей в сопровождении целого роя рабочих пчел. Она спаривается с несколькими самцами, а затем обустраивается для создания новой колонии. Матка откладывает тысячи яиц, и большинство пчел, вылупившихся из них, становятся новыми рабочими. Из нескольких яиц вылупятся новые матки и начнут цикл формирования своей колонии с самого начала.

Поскольку матка, основавшая колонию, спаривалась несколько раз, не все пчелы в ее колонии будут генетически идентичными друг другу, так как у некоторых из них будут разные отцы. Однако в каждой колонии насчитываются группы из тысяч и тысяч генетически идентичных пчел. И эта генетическая идентичность распространяется не только на рабочих пчел. Новые матки также генетически идентичны тысячам рабочих пчел в колонии. Мы могли бы назвать их сестрами, но этим термином мы не опишем их достаточно полно. На самом деле, все они клоны.

Однако новая матка и ее клоновые сестры из среды рабочих разительно отличаются друг от друга, как по физической форме, так и по роду деятельности. Матка размерами может дважды превышать рабочую пчелу. После так называемого брачного полета, когда она впервые покидает колонию и спаривается, матка практически никогда больше не оставляет улей. Всю жизнь она проводит во тьме его замкнутого пространства, откладывая в летние месяцы до 2000 яиц в день. У нее нет жала, нет восковых желез, нет пыльцовых корзиночек (нет никакого смысла обзаводиться сумкой, если вы никогда не выходите из дома). Продолжительность жизни рабочих пчел обычно измеряется неделями, тогда как матки живут несколько лет[262].

Рабочие пчелы, с другой стороны, способны на многое, что недоступно маткам. Главная их обязанность заключается в сборе пищи, а затем и в информировании остальных членов колонии о том, где эта пища находится. Эти сообщения они доносят до соплеменников с помощью знаменитого «виляющего танца». Матка всю жизнь проводит в сумрачной роскоши улья, но приглашения на танцпол не получает никогда.

Итак, колония медоносных плеч насчитывает тысячи индивидуумов, которые генетически идентичны друг другу, но некоторые из них резко отличаются от остальных с точки зрения физиологии и поведения. И все эти различия являются следствием того, как питаются личинки пчел. Образ питания личинки на ранних стадиях ее развития полностью определяет, кем в будущем — рабочей пчелой или маткой — станет эта личинка.

Сценарий ДНК у медоносных пчел постоянный, но конечные результаты его варьируются. Эти результаты определяются определенным событием на раннем этапе развития (образом кормления), которое устанавливает фенотип, сохраняющийся на протяжении всей оставшейся жизни. В основе такого развития событий, как нетрудно догадаться, лежит эпигенетика, и в последние годы ученые начинают проникать в суть молекулярных явлений, обеспечивающих этот процесс.

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.

Доктор Малешка с коллегами заглушили экспрессию одной из метилтрансфераз ДНК у личинок медоносных пчел, подавив ген Dnmt3. Этот ген отвечает за добавление метиловых групп в те регионы ДНК, которые не были метилированы ранее. Результаты этого эксперимента продемонстрированы на рисунке 14.1.

Рис. 14.1. Когда кормление личинок медоносных пчел маточным молочком продолжается в течение длительного периода времени, то эти личинки развиваются в маток. Тот же результат достигается, если не кормить личинок долгое время маточным молочком, но подавить в лабораторных условиях экспрессию их гена Dnmt3. Белок Dnmt3 добавляет метиловые группы к ДНК

Когда ученые понижали экспрессию гена Dnmt3 у личинок медоносных пчел, то результаты эксперимента оказывались такими же, как если бы их кормили маточным молочком. Большинство личинок в зрелом возрасте становились не рабочими пчелами, а матками. Так как подавление экспрессии гена Dnmt3 приводит к тем же результатам, что и кормление маточным молочком, это заставляет предположить, что одна из главных функций маточного молочка непосредственно связана с изменением схем метилирования ДНК на важных генах[266].

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые исследовали реальные схемы метилирования ДНК и экспрессии генов у различных экспериментальных групп пчел. Как оказалось, схемы метилирования ДНК в головном мозге маток и рабочих пчел различны. Схемы метилирования ДНК у пчел с подавленной экспрессией гена Dnmt3 были такими же, как и у обычных маток, питавшихся маточным молочком. Именно этого мы и вправе были ожидать, учитывая, что обе группы обладали одинаковым фенотипом. Схемы экспрессии генов у обычных маток и маток с нокаутированным геном Dnmt3 также оказались очень похожими. Из этого исследователи сделали вывод, что результаты продолжительного кормления маточным молочком достигаются через метилирование ДНК.

В нашем представлении о том, как именно питание личинок медоносных пчел приводит к изменению схем метилирования ДНК, по-прежнему остается много пробелов. Согласно одной из гипотез, построенной на результатах описанного выше эксперимента, маточное молочко подавляет фермент метилтрансферазы ДНК. Однако на настоящий момент никому еще не удалось подтвердить это предположение экспериментально. Поэтому возможно, что воздействие маточного молочка на метилирование ДНК осуществляется и косвенным путем.

Наверняка же нам известно то, что маточное молочко влияет на гормональную сигнальную систему медоносных пчел, вследствие чего и меняются схемы экспрессии генов. Изменения уровней экспрессии гена часто оказывают свое влияние на эпигенетические модификации этого гена. Чем более активен какой-либо ген, тем в большей степени его гистоны модифицируются способами, провоцирующими экспрессию гена. Нечто похожее может иметь место и у медоносных пчел.

Также мы знаем, что системы метилирования ДНК и системы гистоновой модификации часто работают совместно. Это пробудило интерес к роли модифицирующих гистоны ферментов в контролировании развития и активности медоносных пчел. Когда была определена последовательность генома медоносных пчел, ученые идентифицировали четыре фермента гистондеацетилазы. Это открытие оказалось довольно неожиданным, поскольку было известно, что в маточном молочке содержится соединение под названием фенилбутират[267]. Это очень маленькая молекула, которая способна подавлять гистондеацетилазы, но делает она это довольно слабо. В 2011 году группа ученых под руководством доктора Марка Бедфорда из Андерсоновского ракового центра в Хьюстоне опубликовала результаты удивительного исследования еще одного компонента маточного молочка. Одним из авторов этой статьи был профессор Жан-Пьер Исса, оказавший огромное влияние на продвижение эпигенетических препаратов для лечения рака.

Исследователи подвергли анализу соединение, обнаруженное в маточном молочке, которое получило название (Е)-10-гидрокси-2-деценовая кислота или, для краткости, 10ГДК. Строение этого соединения показано на рис. 14.2 вместе с САГК, ингибитором гистондеацетилазы, получившим лицензию лекарственного препарата против рака, с которым мы встречались в Главе 11.

Рис. 14.2. Химическое строение ингибитора гистондеацетилазы САГК и 10ГДК, соединения, обнаруженного в маточном молочке.С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намеренно не показаны, но они присутствуют в местах соединений двумя линиями.

Две структуры, разумеется, не идентичны, однако кое в чем они очень похожи. Каждая из них обладает длинной цепочкой атомов углерода (участок, отдаленно напоминающий профиль спины крокодила), и правые части каждого соединения также выглядят весьма похоже. Марк Бедфорд с коллегами выдвинули гипотезу, что 10ГДК может быть ингибитором гистондеацетилаз. Они провели ряд экспериментов в пробирках и на клетках, в результате которых выяснилось, что их предположение было верным. А это значит, что нам теперь известно, что одно из основных соединений, обнаруженных в маточном молочке, подавляет главные эпигенетические ферменты[268].

Забывчивая пчела и гибкий инструментарий

Эпигенетика влияет отнюдь не только на то, станут ли личинки рабочими пчелами или матками. Ришард Малешка также установил, что метилирование ДНК играет заметную роль в том, как медоносные пчелы обрабатывают сведения, хранящиеся в памяти. Когда медоносные пчелы обнаруживают достойный источник пыльцы или нектара, они летят обратно в улей и сообщают другим членам колонии, в каком направлении те смогут найти богатые запасы пищи.

Из этого мы можем сделать очень важный вывод относительно медоносных пчел — они способны запоминать информацию. Они вынуждены пользоваться памятью, поскольку в противном случае не смогли бы сообщить другим пчелам о местонахождении источников питания. Разумеется, в не меньшей степени важно и то, что пчелы способны забывать информацию и заменять ее новыми сведениями. Нет никакого смысла посылать своих соплеменниц к роскошному кусту чертополоха, который был в цвету на прошлой неделе, но к настоящему моменту уже пошел на корм встретившему его ослу. Пчелам необходимо уметь забывать о потерявшем свою актуальность чертополохе и запоминать координаты только что обнаруженной ими лаванды.

На самом деле можно научить пчел реагировать на определенные раздражители, связанные с пищей. Доктор Малешка с коллегами показал, что когда пчелы подвергаются такого рода тренировкам, то уровни белка Dnmt3 повышаются в тех участках головного мозга медоносных пчел, которые важны для обучения. Если пчелам давать препараты, подавляющие белок Dnmt3, эти соединения изменяют способы, с помощью которых пчелы сохраняют воспоминания, как и скорость, с которой воспоминания утрачиваются[269].

Хотя нам известно, что метилирование ДНК имеет большое значение для памяти медоносных пчел, мы не знаем наверняка, как оно действует. Причина этого в том, что пока не до конца ясно, какие именно гены становятся метилированными, когда медоносные пчелы обучаются и приобретают новые воспоминания.

Так что на настоящий момент мы склонны считать, что медоносные пчелы и высшие организмы, в том числе и мы, и наши млекопитающие родственники, используют метилирование ДНК одинаковым образом. Абсолютно справедливо мнение, что изменения в метилировании ДНК связаны с изменением процессов развития как у человека, так и у медоносных пчел. Также верно и то, что и млекопитающие, и медоносные пчелы пользуются метилированием ДНК в головном мозге в процессе обработки хранящейся в памяти информации.

Но, как это ни странно, медоносные пчелы и млекопитающие используют метилирование ДНК совершенно разными способами. В наборе инструментов плотника есть пила, с помощью которой он может изготовить книжный шкаф. В инструментарии хирурга-ортопеда тоже есть пила, которой он может ампутировать ногу. Иногда одни и те же инструменты могут применяться совершенно различными образами. Млекопитающие и медоносные пчелы пользуются метилированием ДНК как инструментом, но в процессе эволюции они привыкли использовать этот инструмент по-разному.

Когда млекопитающие метилируют ДНК, то мишенями этого процесса обычно являются области промоторов генов, а не те участки, которые кодируют аминокислоты. Млекопитающие также метилируют повторяющиеся элементы ДНК и транспозоны, в чем мы убедились в главе 5, рассматривая работу Эммы Уайтло. Метилирование ДНК у млекопитающих связано, главным образом, с подавлением экспрессии генов и таких опасных элементов как транспозоны, которые в противном случае могли бы стать источником проблем для нашего генома.

Медоносные пчелы пользуются метилированием ДНК совершенно иначе. Они не метилируют повторяющиеся участки или транспозоны, так что, очевидно, они располагают другими способами контроля этих потенциально опасных элементов. Они метилируют мотивы CpG на участках генов, которые кодируют аминокислоты, а не на областях промоторов генов. Медоносные пчелы не пользуются метилированием ДНК для репрессии генов. У них метилирование ДНК присутствует на генах, которые экспрессируются во всех тканях, а также на генах, которые обычно экспрессируются многими другими видами насекомых. Метилирование ДНК у них действует как механизм тонкой настройки тканей медоносной пчелы. Он регулирует активность генов, чуть повышая или понижая их «громкость», но не выступает в роли переключателя в позиции «включено-выключено»[270]. Схемы метилирования ДНК также жестко согласованы с контролем сплайсинга мРНК в тканях медоносных пчел. Однако нам по-прежнему неизвестно, как именно эта эпигенетическая модификация влияет на способы обработки пчелами информации[271].

Мы находимся только в самом начале пути, в течение которого нам предстоит расшифровать все тонкости эпигенетической регуляции у медоносных пчел. Так, в геноме медоносных пчел насчитывается до 10 000 000 островков CpG, но в каждом типе тканей метилированию подлежат только менее 1 процента из всех островков. К сожалению, столь низкая степень метилирования существенно затрудняет анализ результатов этой эпигенетической модификации. Последствия нокдауна гена Dnmt3 подсказывают нам, что метилирование ДНК крайне важно для развития медоносных пчел. Но, учитывая, что метилирование ДНК является для этого вида механизмом тонкой настройки, вполне вероятно, что нокдаун Dnmt3 приводит к ряду отдельных незначительных изменений в относительно большом количестве генов, а не к резким изменениям в нескольких генах. Такого рода слабые изменения наиболее сложно анализировать и исследовать экспериментально.

Медоносные пчелы не являются единственным видом насекомых, которые сформировали сложные сообщества с различными физическими формами и функциями генетически идентичных особей. Эта же модель независимо повторяется неоднократно, включая в себя различные виды ос, термитов, пчел и муравьев. Мы пока не знаем, одинаковые ли эпигенетические процессы используют все эти виды. Шелли Бергер из университета Пенсильвании, с чьей работой, посвященной исследованию проблем старения, мы познакомились в главе 13, принимает участие в крупном проекте, направленном на изучение генетических и эпигенетических особенностей муравьев. Проведенные в рамках этой работы эксперименты уже продемонстрировали, что, по крайней мере, два вида муравьев также метилируют ДНК в своем геноме. У представителей различных социальных групп в колониях насекомых экспрессия различных эпигенетических ферментов варьируется [272]. Эти данные дают основание предположить, что механизм эпигенетического контроля членов колонии общественных насекомых в ходе эволюции подвергался изменениях ни один раз.

На настоящий момент, однако, наибольший интерес в мире вне пределов эпигенетических лабораторий сосредоточен на маточном молочке, так как его применение в качестве оздоровительного средства уже имеет довольно длинную историю. Впрочем, стоит заметить, что существует очень мало надежных свидетельств его какой-либо существенной пользы для человека. 10ГДК, которая, как установил Марк Бедфорд с коллегами, является ингибитором гистондеацетилазы, может влиять на рост клеток кровеносных сосудов[273]. Теоретически, это могло бы оказаться полезным при лечении рака, так как новообразованиям для продолжения роста требуется активное снабжение кровью. Однако пока мы очень далеки от уверенности, что маточное молочко действительно способно препятствовать развитию рака или каким-либо иным способом поддерживать здоровье человека. Наверняка нам известно лишь то, что с эпигенетической точки зрения пчелы и люди не одинаковы. И это, пожалуй, к лучшему, если только вы не принадлежите к ярым сторонникам монархии…

Глава 15. Зеленая революция

Увидеть мир в одной песчинке И Космос весь — в лесной травинке, Вместить в ладони бесконечность И в миге мимолетном вечность…

Уильям Блейк, из «Песен Невинности»

В англоязычных странах большой популярностью пользуется викторина «Животное, растение или минерал». В самом названии этой игры заложено допущение, что растения и животные принципиально отличаются друг от друга. Действительно, и те, и другие представляют собой живые организмы, но на этом их сходство, по-видимому, и заканчивается. Мы могли бы взять на вооружение предположение, что когда-то давным-давно, на заре эволюции люди и микроскопические черви имели некоего общего предка. Но насколько часто мы задумываемся о том, имеем ли мы что-то общее с растениями? Почему нам никогда не приходит в голову считать гвоздики своими дальними родственницами?

Тем не менее, животные и растения во многом удивительно похожи. И это сходство проявляется наиболее ярко, когда мы рассматриваем самые сложные из наших «зеленых родственников» — цветковые растения. К ним относятся травы и злаки, на которые мы полагаемся в первую очередь как на главный и основной источник пищи, и широколистные растения от капусты до дуба, от рододендрона до кресс-салата.

Животные и цветковые растения состоят из множества клеток и поэтому называются многоклеточными организмами. Многие из этих клеток специализированны для выполнения определенных функций. У цветковых растений к ним принадлежат клетки, переносящие воду или сахара по растению, клетки, обеспечивающие фотосинтез в листьях, и клетки, хранящие питательные вещества в корнях. Подобно животным, растения имеют специализированные клетки, участвующие в половом размножении. Ядра спермия переносятся пыльцой и оплодотворяют крупную яйцеклетку, из которой в результате этого получается зигота и возникает новое самостоятельное растение.

Сходства между растениями и животными более фундаментальны, чем эти очевидные признаки. У растений есть много генов, эквивалентных тем, которыми обладают животные. Для нашей же темы главное то, что растения также имеют и высокоразвитую эпигенетическую систему. Они способны модифицировать гистоновые белки и ДНК практически так же, как это делают животные, и во многих случаях используют эпигенетические ферменты, очень подобные тем, которые встречаются у животных и даже у человека.

Эти генетические и эпигенетические сходства заставляют предположить, что животные и растения имеют общих предков. Именно благодаря некому общему прародителю мы унаследовали похожий генетический и эпигенетический инструментарий.

Разумеется, между растениями и животными существуют и глобальные различия. Растения способны сами создавать для себя пищу, тогда как животные этого не умеют. Растения поглощают основные химические вещества из окружающей среды, главным образом воду и углекислый газ. Используя энергию солнечного света, растения способны преобразовывать эти простые химические вещества в сложные сахара, такие как глюкоза. Практически вся жизнь на нашей планете зависит прямо или косвенно от этого удивительного процесса фотосинтеза.

Есть еще два аспекта, в которых растения и животные разительно отличаются друг от друга. Большинству садоводов известно, что если взять от растущего растения отводок — пусть даже маленький побег, — то из него можно вырастить совершенно новое растение. Способных на то же самое животных очень мало, и их никак нельзя причислить к высшим. Действительно, если ящерица определенного вида теряет хвост, то она сможет отрастить себе новый. Но в противоположном направлении процесс развиваться не будет. У нас не получится вырастить ящерицу из отброшенного другим животным кусочка хвоста.

Невозможно это по той причине, что у большинства взрослых животных единственными действительно плюрипотентными стволовыми клетками являются жестко контролируемые клетки зародышевой линии, из которых образуются яйцеклетки или сперматозоиды. Но активные плюрипотентные стволовые клетки — совершенно нормальное явление для растений. У них эти плюрипотентные стволовые клетки находятся на кончиках стеблей и корней. В подходящих условиях эти стволовые клетки могут продолжать делиться, что позволяет растению расти. А в других условиях стволовые клетки будут дифференцироваться в специализированные типы клеток, такие как цветки. Как только какая-либо из таких клеток «примет решение» стать частью, например, лепестка, она больше не сможет превратиться опять в стволовую клетку. Даже клетки растений в конечном итоге скатываются на дно уоддингтоновского эпигенетического ландшафта.

Еще одно различие между растениями и животными совершенно очевидно. Растения не могут передвигаться. Когда условия окружающей среды меняются, растения вынуждены адаптироваться к ним или погибнуть. Они не способны убежать или улететь из неблагоприятного для них климата. Растениям приходится искать способы реагирования на то и дело возникающие раздражители окружающей среды. Они должны быть уверены, что проживут достаточно долго, чтобы возродиться в нужное время года, чтобы их юные отпрыски могли иметь наибольшие шансы вырасти в полноценные и самостоятельные растения.

Сравните это с образом жизни такого вида как ласточка-касатка (Hirundo rusticа), которая зимует в Южной Африке. По мере приближения лета, когда условия для нее становятся невыносимыми, ласточка отправляется в свое кругосветное путешествие. Она пролетает через всю Африку и Европу, чтобы провести лето в Великобритании, где выхаживает птенцов. А через шесть месяцев она опять возвращается в Южную Африку.

Многие реакции растений на условия окружающей среды непосредственно связаны с изменением программы клеток. В число таких изменений входит и превращение плюрипотентной стволовой клетки в окончательно дифференцированную клетку, становящуюся частью цветка, для обеспечения полового размножения. Эпигенетические процессы играют важную роль в обоих этих случаях и взаимодействуют с другими происходящими в клетке явлениями для максимального повышения шансов на то, что размножение окажется успешным.

Не все растения прибегают к одним и тем же эпигенетическим стратегиям. Одной из наиболее тщательно изученных модельных систем является довольно невзрачное небольшое цветковое растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Оно принадлежит к семейству горчичных и внешне похоже на любой другой неприметный сорняк, который можно легко повстречать на пустыре. Большинство его листьев растут у самой земли в форме розетки. Есть у него и маленькие белые цветочки, увенчивающие стебли высотой около 20-25 сантиметров. Это растение представляет собой весьма удобную модельную систему для исследователей, так как обладает очень компактным геномом, благодаря чему относительно легко определить его последовательность и идентифицировать гены. Существуют также и эффективные техники для генетического модифицирования Arabidopsis thaliana. Они позволяют ученым без особого труда подвергать гены этого растения мутациям, чтобы исследовать выполняемые ими функции.

В природе семена Arabidopsis thaliana обычно созревают в начале лета. Рассада прорастает и создает новые розетки листьев. Это называется вегетативной фазой роста растения. Для того чтобы произвести потомство, резуховидка Таля выпускает цветки. Именно в цветках содержатся особые структуры, из которых сформируются новые яйцеклетки и спермии; из них, в свою очередь, образуются новые зиготы, которые распределяются по семенам.

Но это растение подстерегает одна проблема. Если оно зацветет ближе к окончанию года, то его семена будут нежизнеспособными по той причине, что неблагоприятные погодные условия не позволят им созреть. Но даже если семенам и удастся каким-то образом достигнуть стадии созревания, то нежные маленькие ростки с большой долей вероятности будет уничтожена заморозками.

Взрослой Arabidopsis thaliana приходится бдительно следить за тем, чтобы порох в ее пороховницах оставался сухим. У ее многочисленных отпрысков будет значительно больше шансов выжить, если она дождется наступления следующей весны и лишь тогда зацветет. Взрослое растение сумеет пережить зимние холода, которые погубили бы его рассаду, и Arabidopsis thaliana именно так и поступает. Она ждет весны, чтобы зацвести.

Весенние обряды

Говоря языком науки, это называется яровизацией. Этот термин подразумевает, что растение должно пережить длительный холодный период (обычно зиму), прежде чем сможет зацвести. Это очень распространенное явление для растений с годичным жизненным циклом, особенно в регионах с умеренным климатом, где времена года выражены явно. Яровизация присуща не только широколистным растениям, таким как Arabidopsis thaliana. Она характерна и для многих злаков, особенно для таких зерновых культур как озимый ячмень и озимая пшеница. Во многих случаях для цветения растений необходимо, чтобы за продолжительным холодным периодом следовало увеличение длины светового дня. Именно сочетание этих двух факторов гарантирует, что цветение начнется в наиболее благоприятное для этого время года.

Яровизация имеет несколько довольно интересных особенностей. С момента, когда растение впервые чувствует наступление холодной погоды и начинает реагировать на него, до начала цветения могут пройти многие недели или даже месяцы. В холодный период растение может продолжать расти вегетативно — с помощью деления клеток. Когда после яровизации родительского растения на нем появляются семена, они подвергаются «перезагрузке». Новым растениям, которые вырастут из этих семян, тоже придется пройти через холодное время года, прежде чем они сами смогут зацвести[274].

Эти особенности яровизации очень напоминают эпигенетические феномены у животных. А именно:

1. Растение обладает некой формой молекулярной памяти, поскольку раздражитель и конечная реакция на него отделены друг от друга неделями или месяцами. Мы можем сравнить это с аномальными реакциями на стресс взрослых крыс, испытавших в младенчестве пренебрежительное отношение со стороны родителей.

2. Эта память сохраняется даже после деления клеток. Это можно сравнить с тем, как клетки животных продолжают вести себя определенным образом уже после того, как родительская клетка испытала на себе действие некоего раздражителя, как это происходит при нормальном развитии или раке.

3. Эта память утрачивается в следующем поколении (у семян). Это сопоставимо с тем, как у животных бесследно стирается большинство изменений в соматических тканях, так что наследование по Ламарку является исключением, а не правилом.

Итак, как феномен, яровизация выглядит очень похожей на эпигенетику. За последние годы ряд лабораторий сумел подтвердить, что в основе яровизации, на уровне модифицирования хроматина, лежат именно эпигенетические процессы.

Ключевой ген, ответственный за яровизацию, называется FLOWERING LOCUS С или, сокращенно, FLC. FLC кодирует белок, называемый транскрипционным репрессором. Он присоединяется к другим генам и не позволяет им активироваться. Для цветения Arabidopsis thaliana особенно важны три гена — FT, SOC1 и FD. На рисунке 15.1 показано, как FLC взаимодействует с этими генами и какие последствия это имеет для цветения. Здесь же продемонстрировано, как меняется эпигенетический статус FLC после окончания продолжительного периода холодов.

Рис. 15.1. Эпигенетические модификации регулируют экспрессию гена FLC, репрессирующего гены, способствующие цветению, Эпигенетические модификации на гене FLC контролируются температурой

До наступления зимы промотор гена FLC несет на себе множество гистоновых модификаций, которые включают экспрессию гена. По этой причине ген FLC экспрессируется чрезвычайно активно, и белок, который он кодирует, связывается с генами-мишенями и репрессирует их. Благодаря этому растение существует в нормальной для себя вегетативной фазе роста. После зимы гистоновые модификации на промоторе гена FLC меняются на репрессивные и подавляют ген FLC. Уровни белка FLC падают, в результате чего активность генов-мишеней восстанавливается. Увеличение продолжительности светового дня при наступлении весны активирует экспрессию гена FT. Очень важно, чтобы к началу этой стадии уровни белка FLC понизились, поскольку, если они останутся высокими, гену FT будет крайне сложно реагировать на раздражитель солнечного света[275].

Эксперименты с мутировавшими версиями эпигенетических ферментов показали, что изменения гистоновых модификаций на гене FLC имеют принципиальное значение для контролирования реакции на цветение. Например, ген под названием SDG27 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 4 на гистоне H3, то есть этот ген является эпигенетическим кодировщиком. Это метилирование связано с экспрессией активного гена. В лабораторных условиях ген SDG27 может быть подвергнут мутации, в результате чего он перестанет кодировать активный белок. Растения с этой мутацией имеют меньше таких активных гистоновых модификаций на промоторе гена FLC. Они вырабатывают меньше белка FLC и потому не столь успешно репрессируют гены, инициирующие цветение. Растения с мутировавшим геном SDG27 зацветают раньше, нежели нормальные растения[276]. Это свидетельствует о том, что эпигенетические модификации на промоторе гена FLC не просто отражают уровни активности гена, а на самом деле меняют его экспрессию. Именно эти модификации и вызывают изменение экспрессии.

Холодная погода стимулирует в растениях белок под названием VIN3. Этот белок может связываться с промотором FLC. VIN3 принадлежит к типу белков, которые называются реконструкторами хроматина. Они способы менять степень закрученности хроматина. Когда VIN3 связывается с промотором FLC, он меняет локальную структуру хроматина, делая ее более доступной для других белков. Часто подобное раскрытие хроматина приводит к повышению экспрессии генов. Однако в данном случае VIN3 притягивает еще один фермент, который может добавлять метиловые группы к гистоновым белкам. Но именно этот фермент добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта модификация репрессирует экспрессию гена и является одним из наиболее эффективных способов, которыми пользуется клетка растения для подавления гена FLC[277][278].

По-прежнему неизученным остается вопрос о том, как холодная погода вызывает эпигенетические изменения конкретно на гене FLC. Какой механизм обеспечивает это явление? Нам все еще неизвестны многие детали, но на одну из стадий этого процесса уже пролит свет. После наступления холодной погоды клетки Arabidopsis thaliana вырабатывают длинную РНК, которая не кодирует белки. Эта РНК называется COLD AIR. Не кодирующая белки РНК COLDAIR локализована исключительно на гене FLC, где она связывается с ферментным комплексом, который создает важную репрессивную метку на позиции 27 гистона H3. Таким образом COLDAIR действует на ферментный комплекс как программирующий механизм [279].

Когда у Arabidopsis thaliana зарождаются новые семена, репрессивные гистоновые метки на гене FLC удаляются. Они заменяются активирующими хроматин модификациями, в результате чего при созревании семена происходит активация гена FLC, подавляющего цветения до тех пор, пока новые растения не переживут зимний период.

Из этих данных мы вправе сделать вывод, что цветковые растения определенно пользуются некоторыми из тех же эпигенетических приемов, которые присущи многим клеткам животных. В числе этих приемов мы можем назвать модификации гистоновых белков и использование длинной некодирующей РНК для программирования этих модификаций. Действительно, клетки животных и растений прибегают к этим инструментам ради различных конечных целей — вспомните плотника и хирурга-ортопеда из предыдущей главы, — но все это служит явным свидетельством наличия у растений и животных общего предка и одного базового набора инструментов.

Эпигенетическое сходство между растениями и животными этим не ограничивается. Как и животные, растения также продуцируют тысячи разнообразных маленьких молекул РНК. Они не кодируют белки, а вместо этого подавляют гены. Именно ученые, работающие с растениями, первыми выяснили, что эти очень маленькие молекулы РНК способны перемещаться из одной клетки в другую, подавляя экспрессию генов, встречающихся на их пути[280][281]. Благодаря этому эпигенетическая реакция на раздражитель распространяется от своей единственной начальной локации до самых отдаленных участков организма.

Злак-самоубийца

Исследования Arabidopsis thaliana показали, что растения пользуются эпигенетическими модификациями для регуляции тысяч генов[282]. Это регуляция, вероятно, служит тем же целям, что и в клетках животных. Оно помогает клеткам сохранять необходимые, но краткосрочные реакции на раздражители окружающей среды, а также блокируют дифференцированные клетки в постоянных схемах экспрессии специфических генов. Благодаря действию эпигенетических механизмов у людей не растут зубы на глазных яблоках, а у растений листья не появляются прямо из корней.

Цветковые растения обладают общим с млекопитающими характерным эпигенетическим феноменом, который не встречается ни у каких более представителей животного мира. Цветковые растения являются единственными известными нам организмами, за исключением плацентарных животных, у которых присутствуют импринтинговые гены. Импринтингом, как мы узнали из главы 8, называется процесс, при котором схема экспрессии гена зависит от того, был ли он унаследован от матери или от отца.

На первый взгляд это сходство между цветковыми растениями и млекопитающими представляется довольно странным. Однако у нас и наших цветущих родственников есть одна очень любопытная общая особенность. У всех высших млекопитающих из оплодотворенной зиготы возникает как эмбрион, так и плацента. Плацента питает развивающийся эмбрион, но в конечном итоге не становится частью новой особи. Нечто очень похожее имеет место, когда происходит оплодотворение и у цветковых растений. Этот процесс несколько более сложен, но в результате его оплодотворенное семя содержит в себе эмбрион и вспомогательную ткань, которая называется эндоспермом. Строение семени показано на рисунке 15.2.

Рис. 15.2. Основные анатомические компоненты семени. Эндосперм питает относительно маленький эмбрион, который разовьется в новое растение, в значительной степени подобно тому, как плацента вскармливает эмбрионы млекопитающих

Эндосперм питает эмбрион растения так же, как плацента питает эмбрион млекопитающего. Он обеспечивает его развитие и созревание, но не оказывает какого-либо генетического влияния на следующее поколение. Наличие любой вспомогательной ткани во время развития, будь то плацента или эндосперм, как представляется, наделяет следующее поколение механизмом импринтингового контроля над экспрессией выбранной группы генов.

На самом деле, в эндосперме семени происходят чрезвычайно сложные процессы. Как и в геномах большинства животных, в геномах цветковых растений присутствуют ретротранспозоны. Их обычно называют МГЭ — мобильными генетическими элементами. Это повторяющиеся элементы, которые не кодируют белки, но могут вызвать катастрофу, если будут активированы. Главная причина этого в том, что они способны перемещаться по геному и нарушать экспрессию генов.

Обычно эти МГЭ репрессируются в очень высокой степени, но в эндосперме эти последовательности активируются. Клетки эндосперма создают из этих МГЭ маленькие молекулы РНК. Эти маленькие РНК перемещаются из эндосперма в эмбрион. В геноме эмбриона они обнаруживают МГЭ, имеющие ту же, что и у них, последовательность. Затем эти МГЭ маленьких молекул РНК, по-видимому, восстанавливают механизм, который перманентно подавляет эти потенциально опасные элементы генома. Опасность для генома эндосперма, возникающая из-за активации МГЭ, очень высока. Но так как эндосперм не влияет на следующее поколение генетически, он может решиться на совершение самоубийства во имя блага будущего растения[283][284][285][286].

Хотя и млекопитающие, и цветковые растения осуществляют импринтинг, они, как представляется, пользуются для этого несколько различными механизмами. Млекопитающие подавляют соответствующую копию импринтингового гена с помощью метилирования ДНК. Растения получают только ту копию отцовского гена, которая несет на себе метилирование ДНК. Однако репрессируется далеко не всегда именно эта метилированная копия гена[287]. При импринтинге растений, таким образом, метилирование ДНК сообщает клетке, каким образом ген был унаследован, а не как этот ген должен экспрессироваться.

Существуют некоторые фундаментальные аспекты метилирования ДНК, которые довольно схожи у растений и животных. Геномы растений кодируют активные ферменты метилтрансферазы ДНК, а также белки, которые могут «прочитывать» метилированную ДНК. Подобно первичным половым клеткам млекопитающих, определенные клетки растений способны активно удалять метилирование с ДНК. Нам даже известно, какие именно ферменты отвечают у растений за эту реакцию[288]. Один из них называется DEMETER (Деметра) в честь матери Персефоны из древнегреческих мифов. Деметра была покровительницей урожая, и именно благодаря сделке, заключенной ею с Гадесом, повелителем Подземного мира, человечество получило смену времен года.

Но метилирование ДНК является также и аспектом эпигенетики, и здесь очевидны явные различия в том, как растения и высшие животные пользуются одной и той же базовой системой. Одним из наиболее выраженных различий в этом процесс является то, что растения метилируют не только мотивы CpG (когда за цитозином следует гуанин). Хотя эти мотивы и являются наиболее распространенной последовательностью, на которую нацелены их метилтрансферазы ДНК, растения также метилируют цитозин, за которым следует практически любое другое основание[289].

Метилирование ДНК у растений, как и у млекопитающих, часто сосредоточено вокруг неэкспрессируемых повторяющихся элементов. Но разница станет более чем очевидной, если мы исследуем схему метилирования ДНК на экспрессируемых генах. У почти 5 процентов экспрессируемых генов растений метилирование ДНК на промоторах детектируется, но свыше 30 процентов ДНК метилировано в областях, кодирующих аминокислоты, в так называемом теле генов. Гены с метилированием участков тела имеют тенденцию экспрессироваться в самых разнообразных тканях и экспрессируются в этих тканях от умеренного до высокого уровня.[290]

Высокие уровни метилирования ДНК на повторяющихся элементах у растений очень подобны схеме повторяющихся элементов в хроматине высших животных, таких как млекопитающие. И напротив, метилирование тел активно экспрессируемых генов в значительно большей степени похоже на то, что наблюдается у медоносных пчел (которые не метилируют повторяющиеся элементы). Это не означает, что растения являют собой некий причудливый эпигенетический гибрид насекомых и млекопитающих. Это только лишь заставляет предположить, что эволюция располагает ограниченным набором сырья и высокой избирательностью того, как им пользоваться.

Глава 16. Прогнозы на будущее

Трудно что-либо предвидеть, а уж особенно будущее.

Нильс Бор

Одна из наиболее примечательных особенностей эпигенетики заключена в том факте, что эта отрасль науки в некотором роде вполне доступна и неспециалистам. Конечно, не у всех из нас есть доступ к самому современному экспериментальному оборудованию, и потому не каждый сумеет с точностью определить, какие изменения хроматина лежат в основе тех или иных эпигенетических явлений. Но любой из нас в состоянии наблюдать окружающий мир и делать прогнозы на основании собственных наблюдений. Все, что нам для этого требуется, это оглядеться вокруг и определить, отвечает ли какой-либо феномен двум важнейшим критериям эпигенетики. Благодаря этому мы получим возможность увидеть весь мир, включая и человека, в совершенно новом свете. Эти два критерия — те самые, к которым мы то и дело возвращались на протяжении всей нашей книги. Любое явление испытывает на себе влияние эпигенетических изменений в ДНК и соответствующих белках в том случае, если удовлетворяются одно или оба из следующих условий.

1. Два организма генетически идентичны, но фенотипически различны.

2. Организм продолжает находиться под влиянием некого события, хотя оно произошло много лет тому назад.

Разумеется, нам ни в коем случае не следует игнорировать и фильтры здравого смысла. Если кто-то потерял ногу в результате несчастного случая, то тот факт, что и через двадцать лет этот человек по-прежнему остается без ноги, отнюдь не означает, что виной тому некие эпигенетические механизмы. С другой стороны, этот человек может продолжать испытывать ощущение, будто у него обе ноги. Такой синдром фантомной конечности вполне может быть вызван запрограммированными схемами экспрессии генов в центральной нервной системе, которые частично поддерживаются эпигенетическими модификациями.

Иногда мы оказываемся настолько очарованы технологиями, применяемыми в современной биологии, что попросту забываем, как много нового можем узнать, если всего лишь более внимательно будем присматриваться к тому, что нас окружает. Например, нам далеко не всегда требуется сложное лабораторное оборудование, чтобы определить, являются ли два фенотипически разных организма генетически идентичными. Личинки становятся мухами, а гусеницы превращаются в бабочек. Отдельная личинка и взрослая муха, в которую она со временем разовьется, должны обладать одним и тем же генетическим кодом. В процессе метаморфоза личинка отнюдь не обзаводится новым геномом. Значит, личинка и муха используют один и тот же геном, но, совершенно разными способами. Гусеница бабочки-репейницы очень невзрачная на вид, и все ее тело усеяно длинными волосками. Как и у личинки, крыльев у нее нет. Бабочка-репейница—удивительно красивое создание с громадными крыльями, окрашенными в черный и ярко-оранжевый цвета, и без волосков на тельце. И в этом случае отдельная гусеница и бабочка, в которую она превратилась, должны иметь одну и ту же программу ДНК. Однако две пьесы, поставленные по одному сценарию, разительно отличаются друг от друга. Мы вправе предположить, что причиной тому служат эпигенетические явления.

В Европе и Северной Америке обитает горностай вида Mustela ermine. Летом мех этого сильного и ловкого маленького хищника семейства куньих на спинке нежно-коричневый, а на грудке — сливочно-белый. С наступлением холодов его шубка становится абсолютно белой и остается такой, за исключением по-прежнему черного кончика хвоста, на протяжении всей зимы. С приходом весны наряд горностая опять приобретает летние цвета. Мы знаем, что причины этого в гормональных явлениях, вызывающих сезонные изменения окраса меха. Вполне разумно предположить, что эти явления влияют на экспрессию соответствующих генов, определяющих цвет меха, способами, среди которых присутствуют и эпигенетические модификации хроматина.

У млекопитающих обычно существует понятная генетическая причина того, почему самцы являются самцами, а самки — самками.

Функциональная хромосома Y приводит к мужскому фенотипу. У многих видов земноводных, в том числе у крокодилов и аллигаторов, оба пола генетически идентичны. По хромосомам пол крокодила определить невозможно. Будущий пол крокодила и аллигатора зависит от температуры на критических этапах развития яиц — одна и та же генетическая калька используется для появления и самцов, и самок[291]. Мы знаем, что в этом процессе участвует гормональная сигнальная система. Пока не проводились достаточно тщательные исследования вопроса, играют ли эпигенетические модификации свою роль в установлении или стабилизации определяющих пол схем экспрессии генов, но такая возможность представляется вполне вероятной.

Понимание механизмов установления половой принадлежности у крокодилов и их родственников уже в самом ближайшем будущем может стать очень важным требованием для сохранения этих видов. Глобальные перепады температур, вызванные изменениями климата, могут иметь самые неблагоприятные последствия для земноводных, если доля одного или другого пола в их популяциях резко сократится. Некоторые авторы даже высказывают такую точку зрения, что подобный феномен, возможно, привел к вымиранию динозавров[292].

Изложенные выше мысли представляют собой вполне конкретные и легко проверяемые гипотезы. Мы можем выдвинуть огромное множество и других предположений, просто внимательнее наблюдая окружающий нас мир. Довольно рискованно делать какие-либо масштабные заявления по поводу того, каких открытий и откровений можно ждать от новых исследований в области эпигенетики. Это еще очень молодая наука, стремящаяся развиваться в самых разных и подчас неожиданных направлениях. Но давайте все же возьмем на себя смелость сделать некоторые предположения о том, что может произойти в этой области в обозримом будущем.

Начнем с самого очевидного. До 2016 года, по меньшей мере, одна Нобелевская премия по физиологии и медицине будет присуждена кому-либо из ведущих специалистов в эпигенетике. Вопрос только в том, кому именно, поскольку достойных кандидатов и сейчас более чем достаточно.

Многие эпигенетики искренне недоумевают, почему эту премию до сих пор не получила Мэри Лайон за свою удивительно пророческую работу, посвященную инактивации хромосомы X. Хотя в ее ключевых докладах, заложивших концептуальную основу инактивации хромосомы X, и не было приведено много новых экспериментальных данных, но то же самое можно сказать и в отношении основополагающей работы Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о строении ДНК[293]. Велико искушение порассуждать на тему того, что для получения Нобелевской премии необходимо, кроме научных достижений, обладать еще и соответствующей половой принадлежностью, однако такая точка зрения отчасти основывается на мифе, выросшем вокруг имени Розалинд Франклин. Работая в области рентгеновской кристаллографии, она получила данные, сыгравшими важную роль в разработке модели ДНК Уотсона—Крика. Когда в 1962 году Нобелевская премия была присуждена Уотсону и Крику, ее также получил руководитель лаборатории Розалинд Франклин, профессор Морис Уилкинс из лондонского Королевского колледжа. Однако сама Розалинд Франклин не была удостоена премии не потому, что была женщиной. Она не смогла получить ее, потому что, как это ни прискорбно, скончалась от рака яичников в возрасте 37 лет, а Нобелевская премия никогда не присуждается посмертно.

На страницах этой книги мы уже встречались с ученым по имени Брюс Каттенач. Кроме работы об эффектах исходного родителя, он также провел несколько новых экспериментов на ранних стадиях изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе подавления хромосомы X[294]. По этой причине большинство исследователей считают его, наряду с Мэри Лайон, достойным кандидатом на получение Нобелевской премии. Мэри Лайон и Брюс Каттенач большую часть своих исследований проводили в 1960-е годы и теперь давно уже на пенсии. Однако Роберт Эдвардс, пионер в экспериментах по оплодотворению в лабораторных условиях, получил Нобелевскую премию в 2010 году в возрасте 85 лет, так что у профессоров Лайон и Каттенача еще есть время и надежда.

Работа Джона Гердона и Шиньи Яманаки, посвященная перепрограммированию клеток, перевернула наши представления о том, как контролируются судьбы клеток, и потому оба они вправе в самое ближайшее время заказывать билеты в Стокгольм. Несколько менее очевидную, но вместе с тем в высшей степени привлекательную команду составили бы Азим Сурани и Эмма Уайтло. Их совместная работа не только ярко продемонстрировала, как обычно перезагружается геном при половом воспроизведении, но и показала, как порой этой процесс может нарушаться и приводить к наследованию приобретенных характеристик. Дэвид Эллис принадлежит к ведущим специалистам в изучении эпигенетических модификаций гистонов, и его кандидатура также выглядит весьма привлекательной, возможно, в партнерстве со светилами в области метилирования ДНК, такими как, в первую очередь, Эдриан Берд и Питер Джонс.

Питер Джонс стал первопроходцем в развитии эпигенетических способов лечения, а это еще одна стремительно растущая отрасль эпигенетики. В первых рядах эпигенетической терапии решительно маршируют ингибиторы гистондеацетилаз и метилтрансфераз ДНК. Огромное число клинических испытаний этих соединений до последнего времени было направлено на поиски борьбы с раком, но теперь ситуация начинает меняться. В настоящий момент уже начались клинические испытания ингибитора гистондеацетилаз класса сиртуинов для лечения болезни Хантингтона, тяжелого наследственного нейродегенеративного расстройства[295]. Огромное внимание сейчас сосредоточено на разработке лекарственных препаратов, способных подавлять узкоспециализированные эпигенетические ферменты, что позволит препятствовать развитию не только рака, но и неонкологических заболеваний. К таким ферментам относятся те, которые меняют всего лишь одну модификацию на одной конкретной позиции аминокислоты в гистоновых белках. В эти разработки по всему миру вкладываются сотни миллионов долларов как новыми компаниями, занимающимися биотехнологиями, так и фармацевтическими гигантами. В ближайшие пять лет мы наверняка станем свидетелями того, как созданные в результате этих исследований новые лекарственные средства для борьбы с раком, пройдут клинические испытания, а в течение десятилетия появятся препараты для лечения и других, менее угрожающих жизни заболеваний[296].

Наше расширяющееся понимание эпигенетики и особенно трансгенерационной наследственности не только способствует появлению новых возможностей, но и порождает определенные проблемы в разработке новых лекарственных средств. Если мы создадим новые лекарства, способные вмешиваться в эпигенетические процессы, то не повлияют ли эти препараты также и на перепрограммирование, которое обычно происходит при производстве половых клеток? Теоретически это может привести к физиологическим изменениям, которые затронут не только проходящего лечение человека, но также и его детей и внуков. Возможно, наши опасения не должны ограничиваться только химическими соединениями, воздействующими на конкретные эпигенетические ферменты. Как мы узнали из главы 8, загрязняющий агент под названием винклозолин оказывает свое губительное воздействие на многие поколения грызунов. Если властные структуры, регулирующие лицензирование новых лекарственных препаратов, будут настаивать на проведении их трансгенерационных исследований, то процесс создания новых лекарств существенно усложнится, а расходы на его осуществление возрастут многократно.

На первый взгляд такое развитие событий может показаться вполне разумным, ведь все мы, в конце концов, хотим, чтобы лекарства были максимально безопасными. Но что тем временем будет происходить со всеми больными, отчаянно нуждающимися в новых препаратах, которые могли бы спасти их от смертельных заболеваний, или с теми пациентами, которым требуются новые, более совершенные лекарства, способные освободить их от мук и беспомощности и обеспечить долгую и полноценную жизнь? Чем больше времени требуется лекарствам, чтобы проделать путь из лабораторий в аптеки, тем дольше страдают нуждающиеся в них больные. Будет очень интересно наблюдать, как через ближайшие десять-пятнадцать лет смогут решить этот непростой вопрос все заинтересованные стороны — фармацевтические компании, регулирующие органы и представители больных.

Трансгенерационные эффекты эпигенетических изменений способны в ближайшее десятилетие оказать огромное влияние на здоровье человека, и причиной тому могут быть не только лекарства или загрязняющие агенты, но также продукты и питание. Свое путешествие по эпигенетическим ландшафтам мы начинали с краткого описания Голландской голодной зимы. Последствия ее сказались не только на тех, кто пережил эту пору, но и на их потомках. Сейчас же мир находится в тисках глобальной эпидемии ожирения. Даже если обществу и удастся поставить в будущем эту проблему под свой контроль (а в западном полушарии каких-либо существенных предпосылок для этого не наблюдается), в настоящий момент мы уже рискуем оставить своим детям и внукам очень неблагоприятное эпигенетическое наследство.

Питание в целом является той областью, где можно с достаточной уверенностью предсказать ведущую роль эпигенетики, которую она непременно начнет играть в следующее десятилетие. Вот всего лишь некоторые примеры того, что нам достоверно известно в настоящий момент.

Фолиевая кислота является одной из добавок, которые рекомендуется принимать беременным женщинам. Понимание необходимости увеличения запасов в организме фолиевой кислоты на самых ранних этапах беременности стало настоящим триумфом здравоохранения, поскольку ее прием резко сокращает случаи развития расщелины позвоночника у новорожденных[297]. Фолиевая кислота требуется для производства химического соединения под названием SAM (полностью оно называется s-аденозилметионин). SAM представляет собой молекулу, которая отдает метиловую группу, когда метилтрансферазы ДНК модифицируют ДНК. Если в рационе новорожденных крысят уровни содержания фолиевой кислоты низкие, у них развивается аномальная регуляция импринтинговых областей генома[298]. Сейчас мы находимся только в самом начале понимания того, насколько положительно может повлиять фолиевая кислота на эпигенетические механизмы.

Ингибиторы гистондеацетилазы в нашем рационе также способны сыграть важную роль в профилактике рака и, возможно, других заболеваний. Пока мы располагаем в основном теоретической информацией по этому вопросу. Маслянокислый натрий в сыре, сульфорафан в спаржевой капусте и диаллиловый дисульфид в чесноке — все это слабые ингибиторы гистондеацетилаз. Исследователи выдвигают предположение, что высвобождение этих соединений из продуктов питания в процессе их переваривания помогает регулировать экспрессию генов и способствует размножению клеток в пищеварительном канале[299]. Теоретически, это может снижать риск развития канцерогенных изменений в толстой кишке. Бактерии в нашем кишечнике также естественным образом продуцируют масляную кислоту из частичек пищи, особенно из растительных продуктов[300], что само по себе является достаточным основанием для того, что кушать как можно больше зелени.

Весьма любопытные статистические исследования были проведены в Исландии на тему того, как рацион может оказывать эпигенетическое влияние на заболевание. Они касались редкого генетического расстройства под названием наследственная цистатин-С амилоидная ангиопатия, вызывающего преждевременную смерть в результате инсульта. Для пациентов, страдавших этим заболеванием, была характерна определенная мутация ключевого гена. Благодаря относительной изолированности проживания семей, членами которых были больные, и высокой культуре ведения в Исландии учетных записей, ученым удалось проследить подверженность этому заболеванию различных поколений одних и тех же семей. Полученные ими результаты оказались в высшей степени удивительными. Приблизительно до 1820 года люди с такой мутацией жили в среднем до 60 лет. Между 1820 и 1900 годами продолжительность жизни страдающих этим заболеванием людей резко упала примерно до 30 лет и с тех пор остается на этом уровне. Исследователи в опубликованном ими докладе выдвинули гипотезу, что изменения окружающей среды, начавшиеся в 1820 году и продолжившиеся с того времени, изменили способы, которыми клетки реагировали на вызываемые мутацией эффекты и контролировали их[301].

На конференции, состоявшейся в Кембридже в 2010 году, эта группа исследователей сообщила, что одним из главных факторов изменения окружающей среды в Исландии с 1820 года и по настоящий день стала замена традиционного для населения страны рациона на режим питания, принятый в континентальной Европе[302]. Привычная прежде для исландцев диета в основном состояла из сушеной рыбы и ферментированного масла. Последнее очень богато масляной кислотой, являющейся слабым ингибитором гистондеацетилазы. Ингибиторы гистондеацетилазы могут менять функции мышечных волокон в кровеносных сосудах[303], что очень характерно для того типа инсульта, от которого гибнут люди с этой мутацией. Пока нет формальных доказательств, что именно сокращение приема с пищей ингибиторов гистондеацетилазы стало причиной смертности в более раннем возрасте представителей исследуемых групп, однако эта гипотеза выглядит достаточно правдоподобной.

Фундаментальная эпигенетика является той научной дисциплиной, в которой наиболее сложно делать какие-либо прогнозы. Наверняка, пожалуй, можно утверждать лишь то, что эпигенетические механизмы будут продолжать неожиданно проявлять себя в самых непредсказуемых областях науки. Достойным примером этому может служить сделанное недавно открытие в области природы циркадных ритмов — естественных околосуточных циклических колебаний физиологических и биохимических процессов, свойственных подавляющему большинству живых существ. Было доказано, что гистоновая ацетилтрансфераза является ключевым белком, участвующим в установлении этого ритма[304], а сам ритм регулируется по меньшей мере еще одним другим эпигенетическим ферментом[305].

Вполне вероятно и то, что нам предстоит узнать, что некоторые эпигенетические ферменты способны влиять на клетки самыми разными способами. Предположить это заставляет то, что довольно многие из этих ферментов не только модифицирует хроматин. Они также способны модифицировать и другие белки в клетке, а это значит, что эти ферменты могут действовать одновременно сразу в нескольких направлениях. Более того, ученые уже выдвигают предположения, что некоторые из модифицирующих гистоны генов на самом деле возникли до того, как в клетках оказались гистоны[306]. Это заставляет думать, что эти ферменты изначально обладали иными функциями и в ходе эволюционного развития были насильно преобразованы в контроллеры экспрессии генов. Таким образом, мы не должны слишком удивляться, когда и если обнаружим, что некоторые ферменты выполняют в наших клетках более чем одну функцию.

Некоторые из наиболее фундаментальных вопросов, касающихся молекулярной механики эпигенетики, по-прежнему остаются для нас загадочными. Наши знания о том, как именно конкретные модификации устанавливаются на определенных позициях в геноме, очень фрагментарны. Мы только начинаем понимать, какую роль в этом процессе играют некодирующие РНК, однако в наших представлениях об этом все еще слишком много белых пятен. Мы также далеко не до конца отдаем себе отчет в том, как гистоновые модификации передаются от материнской клетки дочерним клеткам. Есть абсолютная уверенность в том, что такая передача имеет место, так как она является частью молекулярной памяти клеток, позволяющей им продолжать следовать своей судьбе, но мы не знаем, как именно это происходит. Когда ДНК копируется, гистоновые белки сдвигаются на одну сторону. На новой копии ДНК может оказаться относительно мало модифицированных гистонов. Вместо этого она может быть окружена девственными гистонами, практически лишенными каких-либо модификаций. Это состояние корректоруется очень быстро, но мы совершенно не понимаем, как именно это происходит, даже несмотря на то, что этот вопрос является одной из самых фундаментальных проблем всей эпигенетики.

Вполне возможно, что нам не удастся найти ответ на этот вопрос до тех пор, пока мы не вооружимся технологиями и мышлением, выходящими за рамки традиционных двух измерений и позволяющими проникнуть в новый, трехмерный мир. Мы слишком привыкли думать о геноме в линейных терминах, представляя его состоящей из оснований цепочкой, которая может быть прочитана только последовательно и без затей. Реальность же в том, что разные области генома согнуты и свернуты, и, контактируя между собой, они создают новые комбинации и регуляторные подгруппы. Мы представляем себе наш генетический материал неким обычным сценарием, однако на самом деле он больше похож на сложенные гармошкой страницы журнала «Мэд», когда, складывая их определенным образом под разными углами, мы каждый раз получаем новую картинку. Понимание этого процесса может стать принципиально важным условием реального проникновения в тайны того, как взаимодействуют эпигенетические модификации и сочетания генов, создавая в результате этого процесса такое чудо как червь, или дуб, или крокодил.

Или человек.

Итак, вот резюме того, что нам следует ждать от эпигенетических исследований в следующее десятилетие. У людей появятся новые надежды, многие из которых будут неоправданными, излишне многообещающими, заводящими в тупики, вынуждающими делать неверные повороты и двигаться в ложных направлениях, а иногда и заставляющими идти на подлог. Наука — человеческое изобретение, и временами ей тоже свойственно ошибаться, однако к концу следующего десятилетия мы обязательно получим гораздо больше ответов на самые животрепещущие вопросы биологии. Сейчас мы не можем предположить, какими будут эти ответы, а во многих случаях мы даже не имеем представления, на какие вопросы они будут даны, но в одном мы можем быть уверены абсолютно.

Эпигенетическая революция продолжается.

Примечания

1

For these and many others, see

(обратно)

2

A useful starting point for descriptions of the symptoms of schizophrenia, its effects on patients and their families, and relevant statistics is

(обратно)

3

-liver.aspx

(обратно)

4

(обратно)

5

Quoted in the The Scientist Speculates, ed. Good, I.J. (1962), published by Heinemann.

(обратно)

6

Key papers from this programme of work include: Gurdon et al. (1958) Nature 182: 64–5; Gurdon (1960) J Embryol Exp Morphol. 8: 505–26; Gurdon( 1962) J Hered. 53: 5–9; Gurdon (1962) Dev Biol. 4: 256–73; Gurdon (1962) J Embryol Exp Morphol. 10: 622–40.

(обратно)

7

Waddington, C. H. (1957), The Strategy of the Genes, published by Geo Allen & Unwin.

(обратно)

8

Campbell et al. 1996 Nature 380: 64–6.

(обратно)

9

For a useful review of the state of knowledge at the time see Rao, M. (2004) Dev Biol. 275: 269–86.

(обратно)

10

Takahashi and Yamanaka (2006), Cell 126: 663–76.

(обратно)

11

Pang et al. (2011), Nature online publication May 26.

(обратно)

12

Alipio et al. (2010), Proc Natl Acad Sci. USA 107: 13426–31.

(обратно)

13

Nakagawa et al. (2008), Nat Biotechnol. 26: 101–6.

(обратно)

14

See, for example, Baharvand et al. (2010) Methods Mol Biol. 584: 425–43.

(обратно)

15

Gaspar and Thrasher (2005), Expert Opin Biol Ther. 5: 1175–82.

(обратно)

16

Lapillonne et al. (2010), Haematologica 95: 1651–9.

(обратно)

17

See for a wealth of useful genome-related facts and figures.

(обратно)

18

Schoenfelder et al. (2010), Nat Genet. 42: 53–61.

(обратно)

19

Kruczek and Doerfler (1982), EMBO J. 1:409–14.

(обратно)

20

Bird et al. (1985), Cell 40: 91–99.

(обратно)

21

Lewis et al. (1992), Cell 69: 905–14.

(обратно)

22

Nan et al. (1998), Nature 393: 386–9.

(обратно)

23

For a recent review of the actions of MeCP2, see Adkins and Georgel (2011), Biochem Cell Biol. 89: 1–11.

(обратно)

24

Guy et al. (2007), Science 315: 1143–7.

(обратно)

25

(обратно)

26

The most important papers from the Allis lab in 1996 were: Brownell et al. (1996), Cell 84: 843–51; Vettese-Dadey et al. (1996), EMBO J. 15: 2508–18; Kuo et al. (1996), Nature 383: 269–72.

(обратно)

27

A useful review by one of the leading researchers in the field is Kouzarides, T. (2007) Cell 128: 693–705.

(обратно)

28

Jenuwein and Allis (2001), Science 293: 1074–80.

(обратно)

29

Ng et al. (2010), Nat Genet. 42: 790–3.

(обратно)

30

Laumonnier et al. (2005), J Med Genet. 42: 780–6.

(обратно)

31

Fraga et al. (2005), Proc Natl Acad Sci. USA 102: 10604–9.

(обратно)

32

Ollikainen et al. (2010), Human Molecular Genetics 19: 4176–88.

(обратно)

33

(обратно)

34

%20genome%20home.htm

(обратно)

35

Gartner, K. (1990), Lab Animal 24:71–7.

(обратно)

36

Whitelaw et al. (2010), Genome Biology.

(обратно)

37

Tobi et al. (2009), HMG.

(обратно)

38

Kaminen-Ahola et al. (2010).

(обратно)

39

If you want to know more, try Arthur Koestler’s highly readable though exceptionally partisan book, The Case of the Midwife Toad.

(обратно)

40

Lumey et al. (1995), Eur J Obstet Reprod Biol. 61: 23–20.

(обратно)

41

Lumey (1998), Proceedings of the Nutrition Society 57: 129–135.

(обратно)

42

Kaati et al. (2002), EJHG 10: 682–688.

(обратно)

43

Morgan et al. (1999), Nature 23: 314–8.

(обратно)

44

Wolff et al. (1998), FASEB J 12: 949–957.

(обратно)

45

Rakyan et al. (2003), PNAS 100: 2538–2543.

(обратно)

46

World Cancer Research Fund figures  

(обратно)

47

(обратно)

48

Waterland et al. (2007), FASEB J 21: 3380–3385.

(обратно)

49

Ng et al. (2010), Nature 467: 963–966.

(обратно)

50

Carone et al. (2010) Cell 143: 1084–1096.

(обратно)

51

Anway et al. (2005) Science 308: 1466–1469.

(обратно)

52

Guerrero-Bosagna et al. (2010), PLoS One: 5.

(обратно)

53

Surani, Barton and Norris (1984), Nature 308: 548–550.

(обратно)

54

Barton, Surani and Norris (1984), Nature 311: 374–376.

(обратно)

55

Surani, Barton and Norris (1987), Nature 326: 395–397.

(обратно)

56

McGrath and Solter (1984), Cell 37: 179–183.

(обратно)

57

Cattanach and Kirk (1985), Nature 315: 496–498.

(обратно)

58

Hammoud et al. (2009) Nature 460: 473–478.

(обратно)

59

Reik et al. (1987), Nature 328: 248–251.

(обратно)

60

Sapienza et al. (1987), Nature 328: 251–254.

(обратно)

61

Rakyan et al. (2003), PNAS 100: 2538–2543.

(обратно)

62

Surani, Barton and Norris (1984), Nature 308: 548–550.

(обратно)

63

Barton, Surani and Norris (1984), Nature 311: 374–376.

(обратно)

64

Surani, Barton and Norris (1987), Nature 326: 395–397.

(обратно)

65

Cattanach and Kirk (1985), Nature 315: 496–8.

(обратно)

66

 De Chiara et al. (1991), Cell 64: 845–859.

(обратно)

67

Barlow et al. (1991), Nature 349: 84–87.

(обратно)

68

Reviewed in Butler (2009), Journal of Assisted Reproduction and Genetics: 477–486

(обратно)

69

Prader, A., Labhart, A. and Willi, H. (1956), Schweiz Med Wschr. 86: 1260–1261.

(обратно)

70

(обратно)

71

Angelman, H. (1965), ‘Puppet children’: a report of three cases. Dev Med Child Neurol. 7: 681–688.

(обратно)

72

 

(обратно)

73

Knoll et al.(1989), American Journal of Medical Genetics 32: 285–290.

(обратно)

74

Nicholls et al. (1989), Nature 342: 281–185.

(обратно)

75

Malcolm et al. (1991), The Lancet 337: 694–697.

(обратно)

76

Wiedemann (1964), J Genet Hum. 13: 223.

(обратно)

77

Beckwith (1969), Birth Defects 5: 188.

(обратно)

78

(обратно)

79

Silver et al. (1953), Pediatrics 12: 368–376.

(обратно)

80

Russell (1954), Proc Royal Soc Medicine. 47: 1040–1044.

(обратно)

81

(обратно)

82

For a useful review, see Gabory et al. (2010), BioEssays 32: 473–480.

(обратно)

83

Frost & Moore (2010), PLoS Genetics 6 e1001015.

(обратно)

84

Ohinata et al. (2005), Nature 436: 207–213.

(обратно)

85

Buiting et al. (2003), American Journal of Medical Genetics 72: 571–577.

(обратно)

86

Hammoud et al. (2009), Nature 460: 473–478.

(обратно)

87

Ooi et al. (2007), Nature 448: 714–717.

(обратно)

88

Stadtfeld et al. (2010), Nature 465: 175–81.

(обратно)

89

See Butler (2009), J Assist Reprod Genet. 26: 477–486 for a useful review.

(обратно)

90

Kono et al. (2004), Nature 428: 860–864.

(обратно)

91

Blewitt et al. (2006), PLoS Genetics 2: 399–405.

(обратно)

92

See, for example, -meat-british-bulls-fsa?INTCMP=SRCH

(обратно)

93

For a recent review, see Bukulmez, O. (2009) Curr Opin Obstet Gynecol. 21: 260–4.

(обратно)

94

Jäger et al. (1990), Nature 348: 452–4.

(обратно)

95

Margarit et al. (2000), American Journal of Medical Genetics 90: 25–8.

(обратно)

96

For a good review of this, see Graves (2010), Placenta, Supplement A Trophoblast Research 24: S27–S32.

(обратно)

97

Lyon, M. F. (1961), Nature 190: 372–373.

(обратно)

98

Lyon, M. F. (1962), American Journal of Human Genetics 14: 135–148.

(обратно)

99

For a useful review, see Okamoto and Heard (2009), Chromosome Res. 17: 659–69.

(обратно)

100

McGrath and Solter (1984), Cell 37: 179–83.

(обратно)

101

Cattanach and Isaacson (1967), Genetics 57: 231–246.

(обратно)

102

Rastan and Robertson (1985), J Embryol Exp Morphol. 90: 379–88.

(обратно)

103

Brown et al. (1991), Nature 349: 38–44.

(обратно)

104

Borsani et al. (1991), Nature 351: 325–329.

(обратно)

105

Brown et al. (1992), Cell 71: 527–542.

(обратно)

106

Brockdorff et al. (1992), Cell 71: 515–526.

(обратно)

107

Borsani et al. (1991), Nature 351: 325–329.

(обратно)

108

For a good review, see Lee, J. T. (2010) Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2 a003749.

(обратно)

109

Lee et al. (1996), Cell 86: 83–84.

(обратно)

110

Xu et al. (2006), Science 311: 1149–52.

(обратно)

111

Lee et al. (1999), Nature Genetics 21: 400–404.

(обратно)

112

Navarro et al. (2008), Science 321: 1693–1695.

(обратно)

113

Maherali et al. (2007), Cell Stem Cell 1: 55–70.

(обратно)

114

Zonana et al. (1993), Amer J Human Genetics 52: 78–84.

(обратно)

115

(обратно)

116

Reviewed in Pinto et al. (2010), Orphanet Journal of Rare Diseases 5: 14–23.

(обратно)

117

(обратно)

118

Pena et al. (1987), J Neurol Sci. 79: 337–344. 

(обратно)

119

Gordon (2004), Science 306: 496–499.

(обратно)

120

For a good review of this, see Graves (2010), Placenta Supplement A Trophoblast Research 24: S27–S32.

(обратно)

121

Rao et al. (1997), Nature Genetics 16: 54–63.

(обратно)

122

From Scientific Autobiography and Other Papers (1950).

(обратно)

123

Mulder et al. (1975), Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 39: 397–400.

(обратно)

124

Ohno (1972), Brookhaven Symposia in Biology 23: 366–370.

(обратно)

125

See Orgel and Crick (1980), Nature 284: 604–607.

(обратно)

126

See Doolittle and Sapienza (1980), Nature 284: 601–603.

(обратно)

127

Mattick (2009), Annals N Y Acad Sci. 1178: 29–46.

(обратно)

128

 

(обратно)

129

 

(обратно)

130

For a useful review see Qureshi et al. (2010), Brain Research 1338: 20–35.

(обратно)

131

Clark and Mattick (2011), Seminars in Cell and Developmental Biology, in press at time of publication.

(обратно)

132

Carninci et al. (2005), Science 309: 1559–1563.

(обратно)

133

Nagano et al. (2008), Science 322: 1717–1720.

(обратно)

134

Zhao et al. (2010), Molecular Cell 40: 939–953.

(обратно)

135

Garber et al. (1983), EMBO J. 2: 2027–36.

(обратно)

136

Rinn et al. (2007), Cell 129: 1311–1323.

(обратно)

137

Ørom et al. (2010), Cell 143: 46–58.

(обратно)

138

Lee et al. (1993), Cell 75: 843–854.

(обратно)

139

Wightman et al. (1993), Cell 75: 858–62.

(обратно)

140

For a good review, see Bartel (2009), Cell 136: 215–233.

(обратно)

141

 Mattick, J. S. (2010), BioEssays 32: 548–552.

(обратно)

142

Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium (2005), Nature 437: 69–87.

(обратно)

143

Athanasiasdis et al. (2004), PLoS Biol. 2: e391.

(обратно)

144

Paz-Yaacov et al. (2010), Proc Natl Acad Sci. USA 107: 12174–9.

(обратно)

145

Melton et al. (2010), Nature 463: 621–628.

(обратно)

146

Yu et al. (2007), Science 318: 1917–20.

(обратно)

147

Marson et al. (2008), Cell 134: 521–33.

(обратно)

148

Judson et al. (2009), Nature Biotechnology 27: 459–461.

(обратно)

149

Reviewed in Pauli et al. (2011), Nature Reviews Genetics 12: 136–149.

(обратно)

150

Giraldez et al. (2006), Science 312: 75–79.

(обратно)

151

West et al. (2009), Nature 460: 909–913.

(обратно)

152

Vagin et al. (2009), Genes Dev. 23: 1749–62.

(обратно)

153

Deng and Lin (2002), Developmental Cell 2: 819–830.

(обратно)

154

Aravin et al. (2008), Molecular Cell 31: 785–799.

(обратно)

155

Kuramochi-Miyagawa et al. (2008), Genes and Development 22: 908–917.

(обратно)

156

Reviewed in Mattick et al. (2009), BioEssays 31: 51–59.

(обратно)

157

Wagner et al. (2008), Dev Cell. 14: 962–9.

(обратно)

158

Lewejohann et al. (2004), Behav Brain Res. 154: 273–89.

(обратно)

159

Clop et al. (2006), Nature Genetics 38: 813–818.

(обратно)

160

Abelson et al. (2005), Science 310: 317–320.

(обратно)

161

(обратно)

162

Strak et al. (2008), Nature Genetics 40: 751–760.

(обратно)

163

Calin et al. (2004), Proc Nat Acad Sci. USA 101: 2999–3004.

(обратно)

164

Volinia et al. (2006), Proc Natl Acad Sci. USA 103: 2257–2261.

(обратно)

165

For a useful review see Garzon et al. (2010), Nature Reviews Drug Discovery 9: 775–789.

(обратно)

166

Melo et al. (2009), Nature Genetics 41: 365–370.

(обратно)

167

Karon et al. (1973), Blood 42: 359–65.

(обратно)

168

Constantinides et al. (1977), Nature 267: 364–366.

(обратно)

169

Taylor and Jones (1979), Cell 17: 771–779.

(обратно)

170

Jones (2011), Nature Cell Biology 13: 2.

(обратно)

171

Jones and Taylor (1980), Cell 20: 85–93.

(обратно)

172

Santi et al. (1983), Cell 33: 9–10.

(обратно)

173

Ghoshal et al. (2005), Molecular and Cellular Biology 25: 4727–4741.

(обратно)

174

Kuo et al. (2007), Cancer Research 67: 8248–8254.

(обратно)

175

For an excellent history of the development of SAHA, see Marks and Breslow (2007), Nature Biotechnology 25: 84–90.

(обратно)

176

Friend et al. (1971), Proc Natl Acad Sci. USA 68: 378–382.

(обратно)

177

Richon et al. (1996), Proc Natl Acad Sci. USA 93: 5705–5708.

(обратно)

178

Yoshida et al. (1990), Journal of Biological Chemistry 265: 17174–17179.

(обратно)

179

Richon et al. (1998), Proc Natl Acad Sci. USA 95: 3003–3007.

(обратно)

180

Herman et al. (1994), Proc Natl Acad Sci. USA 91: 9700–9704.

(обратно)

181

Esteller et al. (2000), Journal of the National Cancer Institute 92: 564–569.

(обратно)

182

Toyota et al. (1999), Proc Natl Acad Sci. USA 96: 8681–8686.

(обратно)

183

Lu et al. (2006), Oncogene 25: 230–9.

(обратно)

184

Gery et al. (2007), Clin Cancer Res. 13: 1399–404.

(обратно)

185

For a recent review of a disorder where gene therapy is proving broadly effective see Ferrua et al. (2010), Curr Opin Allergy Clin Immunol. 10: 551–6.

(обратно)

186

Kantarjian et al. (2006), Cancer 106: 1794–1803.

(обратно)

187

Silverman et al. (2002), J Clin Oncol. 20: 2429–2440.

(обратно)

188

Duvic et al. (2007), Blood 109: 31–39.

(обратно)

189

(обратно)

190

(обратно)

191

-Epigenetics-is-the-word-on-bio-investors-lips.html

(обратно)

192

Viré et al. (2006), Nature 439: 871–874.

(обратно)

193

Schlesinger et al. (2007), Nature Genetics 39: 232–236.

(обратно)

194

Shi et al. (2004), Cell 29: 119; 941–53.

(обратно)

195

Ooi et al. (2007), Nature 448: 714–717.

(обратно)

196

Bachmann et al. (2006), J Clin Oncology 24: 268–273.

(обратно)

197

Lim et al. (2010), Carcinogenesis 31: 512–20.

(обратно)

198

Kondo et al. (2008), Nature Genetics 40: 741–750.

(обратно)

199

Widschwendter et al. (2007), Nature Genetics 39: 157–158.

(обратно)

200

Taby and Issa (2010), CA Cancer J Clin. 60: 376–92.

(обратно)

201

Bernstein et al. (2006), Cell 125: 315–326.

(обратно)

202

Ohm et al. (2007), Nature Genetics 39: 237–242.

(обратно)

203

Fabbri et al. (2007), Proc Natl Acad Sci. USA 104: 15805–10.

(обратно)

204

For a recent review, see Heim et al. (2010), Dev Psychobiol. 52: 671–90.

(обратно)

205

Yehuda et al. (2001), Dev Psychopathol. 13: 733–53.

(обратно)

206

Heim et al. (2000), JAMA 284: 592–7.

(обратно)

207

Lee et al. (2005), Am J Psychiatry 162: 995–997.

(обратно)

208

Carpenter et al. (2004), Neuropsychopharm. 29: 777–784.

(обратно)

209

Weaver et al. (2004), Nature Neuroscience 7: 847–854.

(обратно)

210

Murgatroyd et al. (2009), Nature Neuroscience 12: 1559–1565.

(обратно)

211

Skene et al. (2010), Mol Cell 37: 457–68.

(обратно)

212

McGowan et al. (2009), Nature Neuroscience 12: 342–248.

(обратно)

213

/ 

(обратно)

214

Reviewed in Uchida et al. (2011), Neuron 69: 359–372.

(обратно)

215

Uchida et al. (2011), Neuron 69: 359–372.

(обратно)

216

Elliott et al. (2010), Nature Neuroscience 13: 1351–1353.

(обратно)

217

Uchida et al. (2011), Neuron 69: 359–372.

(обратно)

218

For a useful review of animal models of depression, see Nestler and Hyman (2010), Nature Neuroscience 13: 1161–1169.

(обратно)

219

Uchida et al. (2011), Neuron 69: 359–372.

(обратно)

220

Weaver et al. (2004), Nature Neuroscience 7: 847–854.

(обратно)

221

See, for example, interviews in Buchen (2010), Nature 467: 146–148.

(обратно)

222

Mayer et al. (2000), Nature 403: 501–502.

(обратно)

223

Tahiliani et al. (2009), Science 324: 30–5. 

(обратно)

224

Globisch et al. (2010), PLoS One 5: e15367.

(обратно)

225

For a useful review of DNA methylation and memory formation, see Day and Sweatt (2010), Nature Neuroscience 13: 1319–1329.

(обратно)

226

Korzus et al. (2004), Neuron 42: 961–972.

(обратно)

227

Alarcón et al. (2004), Neuron 42: 947–959.

(обратно)

228

MacDonald and Roskams (2008), Dev Dyn. 237: 2256–2267.

(обратно)

229

Guan et al. (2009), Nature 459: 55–60.

(обратно)

230

Fischer et al. (2007), Nature 447: 178–182.

(обратно)

231

Im et al. (2010), Nature Neuroscience 13: 1120–1127.

(обратно)

232

Deng et al. (2010), Nature Neuroscience 13: 1128–1136.

(обратно)

233

Garfield et al. (2011), Nature 469: 534–538.

(обратно)

234

(обратно)

235

Aubert and Lansdorp (2008), Physiological Reviews 88: 557–579.

(обратно)

236

For a review of this and other surveys on public attitudes to lifespan extension, see Partridge et al. (2010), EMBO Reports 11: 735–737.

(обратно)

237

Bjornsson et al. (2008), Journal of the American Medical Association 299: 2877–2883.

(обратно)

238

Gaudet et al. (2003), Science 300: 488–492.

(обратно)

239

Eden et al. (2003), Science 300: 455.

(обратно)

240

For a useful review of changes in epigenetic modifications during ageing, see Calvanese et al. (2009), Ageing Research Reviews 8: 269–276.

(обратно)

241

Kennedy et al. (1995), Cell 80: 485–496.

(обратно)

242

Kaeberlein et al. (1999), Genes and Development 13: 2570–2580.

(обратно)

243

Dang et al. (2009), Nature 459: 802–807.

(обратно)

244

Tissenbaum and Guarente (2001), Nature 410: 227–230.

(обратно)

245

Rogina and Helfand (2004), Proceedings of the National Academy of Sciences USA 101: 15998–16003.

(обратно)

246

Michishita et al. (2008), Nature 452: 492–496.

(обратно)

247

Kawahara et al. (2009), Cell 136: 62–74.

(обратно)

248

(обратно)

249

Michishita et al. (2008), Nature 452: 492–496.

(обратно)

250

McCay et al. (1935), Nutrition 5: 155–71.

(обратно)

251

Reviewed in Kaeberlein and Powers (2007), Ageing Research Reviews 6: 128–140.

(обратно)

252

Partridge et al. (2010), EMBO Reports 11: 735–737.

(обратно)

253

Howitz et al. (2003), Nature 425: 191–196.

(обратно)

254

Wood et al. (2004), Nature 430: 686–689.

(обратно)

255

Baur et al. (2006), Nature 444: 337–342.

(обратно)

256

Howitz et al. (2003), Nature 425: 191–196.

(обратно)

257

Beher et al. (2009), Chem Biol Drug Des. 74: 619–24.

(обратно)

258

Pacholec et al. (2010), J Biol Chem. 285: 8340–51.

(обратно)

259

For a review, see Chaturvedi et al. (2010), Chem Soc Rev. 39: 435–54.

(обратно)

260

-efficacy-renal-risks-force-gsk-dump-resveratrol-program/2010-12-01

(обратно)

261

McCay et al. (1935), Nutrition 5: 155–71.

(обратно)

262

For a useful review of the differences, see Chittka and Chittka (2010), PLoS Biology 8: e1000532.

(обратно)

263

For a useful summary of these processes, see Maleszka (2008), Epigenetics 3: 188–192.

(обратно)

264

Honeybee Genome Sequencing Consortium (2006), Nature 443: 931–49.

(обратно)

265

Wang et al. (2006), Science 314: 645–647.

(обратно)

266

Kucharski et al. (2008), Science 319: 1827–1830.

(обратно)

267

Lyko et al. (2010), PLos Biol. 8: e1000506.

(обратно)

268

Spannhoff et al. (2011), EMBO Reports 12: 238–243.

(обратно)

269

Lockett et al. (2010), NeuroReport 21: 812–816.

(обратно)

270

Hunt et al. (2010), Genome Biol Evol 2: 719–728.

(обратно)

271

Lyko et al. (2010), PLos Biol. 8: e1000506.

(обратно)

272

Bonasio et al. (2010), Science 329: 1068–1071

(обратно)

273

Izuta et al. (2009), Evid Based Complement Alternat Med. 6: 489–94.

(обратно)

274

For a useful review, see Dennis and Peacock (2009), J Biol 8: article 57.

(обратно)

275

For a useful summary of the epigenetic control of vernalisation, see Ahmad et al. (2010), Molecular Plant 4: 719–728.

(обратно)

276

Pien et al. (2008), Plant Cell 20: 580–588.

(обратно)

277

Sung and Amasino (2004), Nature 427: 159–164.

(обратно)

278

De Lucia et al. (2008), Proc Natl Acad Sci. USA 105: 16831–16836.

(обратно)

279

Heo and Sung (2011), Science 331: 76–79.

(обратно)

280

Pant et al. (2008), Plant J 53: 731–738.

(обратно)

281

Palauqui et al. (1997), EMBO J 16: 4738–4745

(обратно)

282

See, for example, Schubert et al. (2006), EMBO J 25: 4638–4649.

(обратно)

283

Gehring et al. (2009), Science 324: 1447–1451.

(обратно)

284

Hsieh et al. (2009), Science 324: 1451–1454

(обратно)

285

Mosher et al. (2009), Nature 460: 283–286.

(обратно)

286

Slotkin et al. (2009), Cell 136: 461–472.

(обратно)

287

Garnier et al. (2008), Epigenetics 3: 14–20.

(обратно)

288

Reviewed in Zhang et al. (2010), J Genet and Genomics 37: 1–12.

(обратно)

289

Chan et al. (2005), Nature Reviews Genetics 6: 351–360.

(обратно)

290

Cokus et al. (2008), Nature 452: 215–219.

(обратно)

291

For a recent review, see Wapstra and Warner (2010), Sex Dev. 4: 110–8.

(обратно)

292

Miller et al. (2004), Fertil Steril. 81: 954–64.

(обратно)

293

Watson, J. D. and Crick, F. H. C. (1953), Nature 171: 737–738.

(обратно)

294

Cattanach and Isaacson (1967), Genetics 57: 231–246.

(обратно)

295

For further information, see .

(обратно)

296

Mack, G. S. (2010), Nat Biotechnol. 28: 1259–66.

(обратно)

297

MRC Vitamin Study Research Group (1991), Lancet 338: 131–7.

(обратно)

298

Waterland et al. (2006), Hum Mol Genet. 15: 705–16.

(обратно)

299

Reviewed in Calvanese et al. (2009), Ageing Research Reviews 8: 268–276.

(обратно)

300

Reviewed in Guilloteau et al. (2010), Res Rev. 23: 366–84. 

(обратно)

301

Palsdottir et al. (2008), PLoS Genet. June 20, 4: e1000099.

(обратно)

302

Abstract from Palsdottir et al. (2010), Wellcome Trust Conference on Signalling to Chromatin Hinxton UK

(обратно)

303

See for example Okabe et al. (1995), Biol Pharm Bull. 18: 1665–70.

(обратно)

304

Nakahata et al. (2008), Cell 134: 329–40.

(обратно)

305

Katada et al. (2010), Nat Struct Mol Biol. 17: 1414–21.

(обратно)

306

Gregoretti et al. (2004), J Mol Biol. 338: 17–31.

(обратно)

Комментарии

1

"подобно длинному побегу лакричника, заключившему в свои объятия алтей" — в печатном издании очевидная ошибка перевода на русский язык фразы "like a long liquorice whip around marshmallows". Побеги солодки не обвиваются вокруг других растений. В данном случае имеются ввиду именно кондитерские изделия — экстракт лакрицы в виде свернутой полоски (liquorice wheel) и боченкообразные конфеты машмаллоу, исторически изготовлявшиеся из корней алтея.

(обратно)

Оглавление

Благодарность

Введение

Глава 1. Мерзкая жаба и прекрасный человек

Глава 2. Как мы учились катиться в гору

Глава 3. Жизнь, какой мы знали ее раньше

Глава 4. Жизнь, какой мы знаем ее теперь

Глава 5. Почему однояйцевые близнецы не совсем одинаковы?

Глава 6. Грехи отцов

Глава 7. Игра поколений

Глава 8. Война полов

Глава 9. Поколение X

Глава 10. Одной информации недостаточно

Глава 11. Война с внутренним врагом

Глава 12. Все сосредоточено в мозге

Глава 13. Вниз по склону

Глава 14. Да здравствует королева

Глава 15. Зеленая революция

Глава 16. Прогнозы на будущее Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg