Один из самых занимательных – и неожиданных – уроков, которые мы получили из проекта «Геном человека» – это открытие, что наши гены очень похожи на гены мышей, которые похожи на гены других млекопитающих, а те, в свою очередь, на удивление похожи на гены рыб. Оказалось, что белки, вырабатываемые людьми, не уникальны в царстве животных. Людьми нас делают регуляторные сегменты генетического материала – те самые регуляторные сегменты, которые направляют развитие стволовых клеток во время роста в утробе и в течение всей остальной жизни. Может быть, те же механизмы, что способствуют созреванию клеток, функционируют и в течение поколений, помогая видам эволюционировать? По словам Артураса Петрониса, главы Эпигенетической лаборатории имени семьи Крембил в Центре борьбы с вредными привычками и душевными болезнями в Торонто, «нам нужен радикальный пересмотр ключевых принципов традиционной генетической исследовательской программы»21. Другой эпигенетик дает нам и такую точку зрения на ошибочные взгляды на эволюцию: эволюционные изменения, вызываемые мутациями и отбором – это лишь вершина айсберга. «Подводная часть айсберга – это эпигенетика»22.
Чем больше мы изучаем эти таинственные 98 процентов, тем лучше понимаем, что на самом деле они функционируют как сложнейшая регуляторная система, которая контролирует активность наших клеток, словно большой молекулярный мозг. Во всех клетках победителей генетической лотереи содержится ДНК, которая регулирует рост и активность клеток лучше, чем у среднего человека. Не потому, что им просто так повезло, а потому, что их регуляторная ДНК – хромосомный «мозг», расположенный в огромной некодирующей части хромосом, – работает лучше. Как и вашему мозгу, ДНК нужно помнить, чему она научилась, чтобы правильно работать.
ЯДРО: ТАМ, ГДЕ ПИЩА ПРОГРАММИРУЕТ ГЕНЫ
Вся ваша ДНК содержится в специальном «отсеке» ваших клеток – в ядре. В ядре ДНК разделена на части, которые называются хромосомы. Каждая из хромосом, если ее развернуть, будет в длину несколько футов, но все сорок шесть хромосом упакованы в пространство размером всего лишь несколько микронов, обернутые вокруг особых структур, называемых гистонами. Эти свернутые нити с генетической информацией могут ослабляться, делая какой-либо участок ДНК доступным для соединения с ферментами и таким образом «включая», или запуская экспрессию конкретного гена или набора генов. Питательные вещества из еды, в частности, витамины и минералы, а также гормоны и белки, вырабатываемые организмом, играют разнообразные роли в регулировании этого наматывания и ослабления, называемого «дыханием». Чем больше мы узнаём, тем лучше понимаем, что наши гены живут своей жизнью. Эпигенетика только-только затронула поверхность этой динамической системе контроля над регуляцией генов. Мы уже знаем, что хромосомные данные обрабатываются по аналоговому, а не цифровому принципу, что позволяет нашей ДНК хранить и обрабатывать намного больше информации, чем раньше представлялось.
Один из примеров того, что происходит, когда ДНК «забывает», как надо работать, – рак. Рак развивается в клетках, которые неправильно поняли свою роль как части совместного предприятия и разучились хорошо себя вести в организме. ДНК, управляющая раковой клеткой, по сути, перестает понимать, что происходит, и считает, что ее назначение – заставлять клетку постоянно делиться, не задумываясь о клетках-соседях, пока эта растущая масса клонов не начинает убивать соседние клетки. Вот как эпигенетика может работать против нас.
Одно из положительных качеств эпигенетики – способность придумывать новаторские, творческие решения для неидеальных генов и достигать умных компромиссов. Возьмем для примера развитие глаза. Внутри сетчатки на задней поверхности глаза располагается диск зрительного нерва, который служит центральной точкой фокуса для входящего в него света, обеспечивая так называемое центральное зрение. Такая простая вещь, как нехватка витамина А в раннем детстве, может заставить гены придумать, как сформировать этот диск в условиях нехватки питательных веществ. Результат? Вместо идеально круглого диска получается овальный, который приводит к близорукости и астигматизму23. Это, конечно, не идеальный результат, но без этой способности к компромиссу ДНК бы пришлось принимать намного более радикальные решения – например, уничтожить получающие недостаточное питание клетки зрительного нерва целиком, оставив вас слепыми.
Творческие силы этого решающего проблемы «интеллекта» не могут работать без справочной информации. Каждое решение принимается на основе данных обо всех трудностях, которые довелось преодолеть вашей ДНК и ДНК ваших предков. Иными словами, ваша ДНК учится.
Как хромосомы учатся
Чтобы понять принципы работы нашего генетического мозга и ответить на вопрос, почему он иногда работает совсем не так хорошо, как хотелось бы, давайте поближе присмотримся к хромосомам.
Каждая из ваших сорока шести хромосом – это на самом деле очень длинная молекула ДНК, содержащая до трехсот миллионов пар генетических букв, называемых нуклеиновыми кислотами. В генетическом алфавите – всего «четыре» буквы: A, G, Т и С. Все наши генетические данные закодированы сочетаниями этих четырех букв. Замените одну букву, и вы измените целое сочетание – а вместе с этим и его смысл. Измените смысл – и, вполне возможно, вы измените весь процесс роста организма.
Биологи долго считали, что замена буквы – это единственный способ вызвать изменения в физиологии. Эпигенетика же показала нам, что куда чаще у разных людей физиология развивается по-разному не потому, что у них навсегда меняются буквы в ДНК, а потому, что к двойной спирали ДНК или другому ядерному материалу прикрепляются временные маркеры – эпигенетические метки – и изменяют экспрессию генов. Некоторые из этих маркеров присутствуют уже при рождении, но в течение жизни одни маркеры отсоединяются от ДНК, а другие – присоединяются. Ученым нужно было узнать, что значат эти метки. Дело просто в старении ДНК, или же происходит что-то другое – намного более интересное? Если бы у всех в течение всей жизни метки были одинаковые, это было бы просто признаком старения. Но вот если метки разные, это значит, что разный жизненный опыт приводит к разному функционированию генов. Кроме того, это значит, что в каком-то смысле наши гены умеют учиться.
В 2005 году испанские ученые смогли разгадать эту загадку. Они подготовили хромосомы двух пар идентичных близнецов: одним близнецам было по три года, другим – по пятьдесят. С помощью флуоресцентных зеленых и красных молекул, которые прикрепляются соответственно к эпигенетически модифицированным и ^модифицированным сегментам ДНК, они исследовали два набора генов. Гены детей оказались очень похожими; это показало, что, как и ожидалось, близнецы начинают жизнь с одинаковыми генетическими метками. Напротив, хромосомы пятидесятилетних горели красно-зеленым, словно две совсем по-разному украшенных новогодних елки. За время жизни генетические метки изменились так, что идентичные близнецы с точки зрения генетического функционирования стали совсем не идентичными24. Это значит, что генетические метки связаны не только со старением. Это прямой результат того, как мы живем. Другие исследования с тех пор показали, что эпигенетическое маркирование – это реакция на химические вещества в организме, которые формируются в результате того, что мы едим, пьем, вдыхаем, думаем и делаем25. Похоже, что наши гены всегда слушают, всегда готовы реагировать и меняться. Сфотографировав разные красно-зеленые узоры на хромосомах двух пятидесятилетних женщин, ученые показали нам два разных «характера», которые развились у их генов.
Различия в генетических метках могут объяснить, почему у близнецов с одинаковой ДНК могут возникать совершенно разные проблемы со здоровьем. Если, скажем, одна из сестер-близнецов курит, пьет и питается одним фастфудом, а другая хорошо ухаживает за своим телом, то два набора ДНК получают совершенно разные химические «уроки»: один получает сбалансированное образование, а другой, образно говоря, вместо школы бегает по грязным улицам химического хаоса.
В каком-то смысле можно сказать, что наш образ жизни учит гены, как им себя вести. Выбирая между здоровой и нездоровой едой или привычками, мы программируем гены на хорошее или плохое поведение. Ученые нашли уже немало методик, с помощью которых два набора одинаковых ДНК можно заставить функционировать по-разному. На данный момент список этих процессов следующий: букмаркинг, импринтинг, сайленсинг генов, деактивация Х-хромосомы, позиционный эффект, перепрограммирование, трансвекция, материнские эффекты, модификация гистонов и парамутации. Многие из этих эпигенетических регуляторных процессов помечают участки ДНК маркерами, которые определяют, как часто ген разворачивается и раскрывается. После раскрытия ген подвергается воздействию ферментов, которые превращают его в белок. Если же он не раскрывается, то остается спящим, а белок, который он кодирует, не экспрессируется.
