Для нас вступление, которое вы только что прочли, является необходимой подготовкой к тому, чтобы вы с легкостью наслаждались оставшейся частью книги, но для тех, кто хочет большего, мы создали дополнительную главу, которая называется «Базовое пособие по эпигенетике», которую вы найдете в конце этой книги, сразу после эпилога. В этой главе более детально раскрываются такие вопросы, как:

В чем именно заключается метилирование?

Что такое экспрессия генов?

Какова функция CpG-островков?

Как и благодаря каким исследованиям эпигенетика продвинулась настолько, что стала одной из важнейших научных дисциплин?

Готовя книгу, мы тщательно обдумывали, куда поместить «Базовое пособие» и наконец, после многих перемещений, решили расположить его в конце, чтобы те, кто хочет окунуться в научный омут эпигенетики с головой, могли прибегнуть к нему и пропитаться основными понятиями эпигенетики и процессами ее изучения и развития. С другой стороны, те, кто интересуется больше ее практическим применением, то есть тем, как она влияет на нашу жизнь, смогут узнать об этом, читая описания конкретных случаев и размышления о сегодняшней действительности с более общей точки зрения, пропустив «Пособие» или прибегая к нему в поисках уточнения нюансов того или иного понятия, если сочтут это необходимым.

Это не глоссарий (который мы тоже включили, сразу после «Базового пособия»), потому что мы предлагаем не толкования, размещенные в алфавитном порядке, а подробное освещение понятий, о которых будем говорить долго и упорно на протяжении всей книги. Поэтому мы предлагаем вам три возможности:

1. До начала чтения вы можете заглянуть в конец, найти «Базовое пособие» и прочитать его, чтобы вникнуть в эпигенетику.

2. В процессе чтения, если какое-нибудь понятие покажется вам неясным или вы захотите узнать о нем больше, то сможете ознакомиться с соответствующим разделом базового пособия по эпигенетике в конце книги.

3. Также вы можете просто пропустить «Пособие», потому что наша цель в том, чтобы чтение этой книги не вызывало у вас досады.

Мы предоставляем в ваше распоряжение все средства, которые, как мы полагаем, могут оказаться полезными, а решать, пользоваться ими или нет, только вам.

И эта рекомендация последняя. Нам ничего более не остается, кроме как пожелать удачи в чтении!

Мы могли бы сказать, что до этого момента впечатление от данного вступления было сродни воспоминаниям о брекетах, которые вам ставят в подростковые годы: кажется, что вы никогда от них не избавитесь. Но когда их наконец-то снимают, как хорошо! Теперь вы готовы выйти на улицу и показать свою лучшую улыбку и даже целоваться с человеком, которого вы любите.

С этим текстом происходит то же самое: у нас больше нет рекомендаций, вы уже знаете все, что вам нужно, а теперь наслаждайтесь поцелуями! То есть наслаждайтесь книгой!

Когда Хуан и Давид родились, родители были им очень рады. Два прекрасных близнеца, совершенно одинаковых, как говорят в семье, и однояйцевых, как говорят ученые. Однояйцевые близнецы делят между собой одну последовательность ДНК, так как появились от слияния одной яйцеклетки и одного сперматозоида, которые образовали эмбрион, разделившийся на два. Если такое деление клетки совершается в течение первых пяти дней после наступления беременности, образовываются два идентичных плода.

Но что мы имеем в виду под словом «идентичные»? Они действительно таковы?

На самом деле эти близнецы, которые однозначно будут одного пола, являются почти клонами; однако это «почти» важно, потому что в действительности оба этих плода генетически не идентичны, несмотря на то что делят между собой одну ДНК, то есть те же самые гены.

Для того чтобы ответить на вопросы, которые мы только что задали, необходимо вернуться к началу истории Хуана и Давида: важен момент, когда они стали близнецами, то есть когда в одном эмбрионе зародились два плода.

Вот в чем суть: однояйцевые близнецы, другими словами, рожденные из одного эмбриона, поделившегося надвое, обладают одним и тем же геномом, но могут иметь различный эпигеном. Эта концепция была представлена на суд общественности в первый раз в 2005 году, когда наша команда опубликовала статью «Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins» (cm. Fraga, M. E в библиографии), в которой мы доказали, что однояйцевые близнецы демонстрируют разную эпигенетику на уровне метилирования ДНК (напомним: это процесс, который объясняет, почему некоторые гены активны, а другие остаются «молчащими») и модификаций гистонов (белков, которые помогают ДНК сворачиваться в характерную спираль, составляя хромосомы).

Эта находка изменила то, как мы, исследователи, понимали отношения между геномом, эпигеномом и окружающей средой, и благодаря обширному научному отклику на эту статью, многие средства массовой информации с мировым именем, такие как The New York Times, The Wall Street Journal и телеканалы CBS и ВВС также транслировали эту идею. Вот это да! Мы опубликовали настоящий научный бестселлер!

Наше исследование доказало, что большинство близнецов генетически и эпигенетически идентичны при рождении, но сразу после этого их эпигеномы начинают меняться в индивидуальном порядке, другими словами, по отдельности.

Мы решили назвать этот процесс «эпигенетическим дрейфом». Такая метафора позволяет понять, что эта модификация в какой-то степени похожана непредсказуемое движение судна, которое относит морским или речным течением. В нашей грустной истории братьев-близнецов Хуана и Давида мы увидели, что чем старше становились близнецы, тем сильнее различались они эпигенетически, и чем меньше времени проводили друг с другом, тем более разными были их эпигенетические химические метки. С другой стороны, злоупотребление такими веществами, как табак или алкоголь со стороны Давида, их разный образ жизни (сидячий — Давида, физически активный — Хуана) и тип питания были ключевыми факторами в процессе появления различий между ними.

Генотип и фенотип — разные явления: генотип — совокупность генов, а фенотип — любой видимый признак организма, например цвет волос, поведение и т. д. Таким образом, фенотип является проявлением генотипа в определенной окружающей среде.

Примем эти определения за основу. Фенотипическая дискордантность устанавливает, что два организма могут обладать абсолютно одинаковым генотипом, то есть иметь одинаковые гены, но — и в этом вся загвоздка — их фенотипы будут различными. Когда такое случается, дискордантность объясняется эпигенетическими процессами, а не различием генов, так как они одинаковы. Именно однояйцевые близнецы, несмотря на то что они генетически идентичны, могут демонстрировать разные особенности, даже, как мы убедились, до такой степени, что один здоров, а второй подвержен заболеванию. Изменения будут зависеть от влияния окружающей среды на генетику этих индивидов.

Как уже говорилось, наши гены подвержены влиянию различных факторов, включая окружающую среду, которые могут модифицировать эпигенетику и даже оказывать воздействие на функционирование нашего организма.

Не нужно далеко ходить, чтобы найти пример, который объяснил бы нам этот феномен: представьте, что вы живете в загрязненной среде, примером которой может быть любой большой город. В такой среде ваше тело оказывается окруженным химическими соединениями, от которых ему нужно избавиться, и вследствие процесса очищения производятся реактивные формы кислорода (ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси), которые провоцируют окислительный стресс.

Так вот этот стресс хотя и не вызывает генетических мутаций (то есть изменений в последовательности наших генов), но в состоянии нанести ущерб эпигенетическим механизмам, что может способствовать преждевременному старению организма и появлению множества болезней, например, таких как рак, различные патологии нейронов, аутоиммунные заболевания.

Существует несколько точек зрения на эту проблему, и довольно сложно прийти к единому заключению, так как разные индивиды могут по-разному отвечать на раздражители и изменчивость среды обитания и окружающей среды.

Помимо уязвимости, свойственной непосредственно индивиду, нужно иметь в виду среду обитания: тот, кто живет за городом, скорее всего, будет меньше подвержен эпигенетическим изменениям, вызванным контактами с городским загрязнением. Подобным образом курящий человек, не соблюдающий диету, ведущий сидячий образ жизни или загорающий без защиты, будет более уязвим. На самом деле перечисленные нами факторы — лишь малая часть тех условий, которые наносят вред нашему эпигеному. Малая, но доказанная.

Тем не менее сегодня существуют многочисленные белые пятна в вопросе о том, какие именно изменения в среде обитания влияют на эпигеном. Поэтому на повестке дня стоят исследования, направленные на изучение состояния организма в разных условиях с целью понять — чего именно не хватает на уровне эпигенетики при различных заболеваниях, что может быть их причиной и как предотвратить их в будущем.

В отличие от генетических, эпигенетические изменения изначально обратимы. Новость вроде бы хорошая, а главное, многообещающая с точки зрения эпигенетики как науки. Эти эпигенетические изменения случаются естественным образом и протекают динамично. То есть в течение эмбрионального развития или в процессе формирования разнообразных типов клеток эпигенетические метки постоянно меняются, чтобы определять сущность и функцию клеток и тканей. Так что если проявится эпигенетическое изменение, которое приводит к определенному заболеванию, эта отклоняющаяся от нормы метка теоретически сможет модифицироваться, вернувшись к непатологическому состоянию. В настоящее время уже успешно используются эпигенетические медикаменты (например деметилирующие агенты ДНК) для лечения таких болезней, как миелодиспластический синдром (заболевание, при котором в организме нарушена функция выработки кровяных клеток).

Эпигенетика — многообещающая наука как минимум потому, что здесь процессы действительно обратимы. Однако остается еще много работы: даже если мы на правильном пути к разработке узкоспециализированных лекарств, наша цель — получить медикаменты, которые обращают конкретное интересующее нас эпигенетическое изменение вспять.

Ответ дать довольно сложно, хотя очевидно и бесспорно то, что существует четкая связь между изменением эпигенетической регуляции и происхождением различных недугов, таких как рак, старение, аутоиммунные заболевания и т. д. Однако помимо окружающей среды, существует гораздо больше факторов, определяющих нашу чувствительность к тем или иным болезням.

Мы должны соблюдать диету, обзавестись полезными привычками, поддерживать активный образ жизни и соблюдать баланс во всем. Если мы будем следовать этим простым правилам, вероятность возникновения болезней, без сомнения, уменьшится, хотя — и с этим придется смириться — свести риск к нулю невозможно.

Супер-Баффи была звездой столицы киноиндустрии, фильмы с ее участием приносили миллионы долларов, все от мала до велика ее обожали, а залы кинотеатров были переполнены во время показа фильмов с ее участием. Она была совершенно очаровательной, смешной и удивительно харизматичной. Но имела одну проблему: она была собакой, и жизнь ее была гораздо короче, чем у людей, поэтому со временем она уже не могла зарабатывать деньги для продюсеров и агентов Голливуда, всегда жаждущих продлить как можно дольше успех своих звезд, особенно тех, что беспрекословно подчиняются их командам или, по крайней мере, после первого недовольного рычания легко поддаются на уговоры ради печенья.

Действительно, Супер-Баффи не могла сделать пластическую операцию или прибегнуть к ботоксу, чтобы сохранить молодость и, следовательно, продлить время появления на экранах кинотеатров. Однако не все, что относилось к старению и закату звезды этой собаки, было завязано на презренном металле: миссис Донован, хозяйка собаки, любила ее как собственную дочь и хотела, чтобы она была рядом как можно дольше.

Но факт есть факт: собаки живут меньше, чем люди, и поэтому Супер-Баффи, несмотря на навязчивую опеку тех, кто ее окружал (и использовал), умерла. Слезы фанатов заполонили все первые полосы, а слезы белых воротничков с бульвара Сансет затопили кабинеты офисов. А миссис Донован, несмотря на то что тоже глубоко скорбела — естественно, больше, чем все остальные, — казалась удивительно спокойной на фоне отчаяния окружающих ее людей. У нее был секрет: она, в отличие от всех остальных, была готова. Неслучайно ведь Голливуд называют местом, где сбываются мечты!

Миссис Донован заранее заморозила клетки своей питомицы, и теперь они хранились в надежном месте — в главном здании биотехнологической компании, находящейся в Калифорнии, которая авторитетно заявляла, что сможет клонировать ее любимую Супер-Баффи.

Спустя тридцать тысяч долларов собака снова была дома. На первый взгляд она была прежней, но, конечно, Супер-Баффи не была абсолютно такой же, как ее прототип. Она не обладала ни той естественностью в работе на камеру, которую искали режиссеры, ни тем взглядом, который смешил детей, сидящих на первых рядах кинотеатров. Миссис Донован старательно ничего не замечала и, казалось, игнорировала происходящее, пока собака не укусила ее белую, почти прозрачную руку, чего Супер-Баффи никогда бы не сделала. Именно тогда, смотря на кровь, текущую из раны, миссис Донован пробормотала: «Эта Супер-Баффи совершенно точно не моя Супер-Баффи».

На следующий день собаку вернули в компанию, которая ее создала, и адвокаты со всего мира до сих пор спорят, нужно ли возмещать сумму, запустившую процесс.

Мораль этой выдуманной истории очевидна: возможно, мы способны создать живое существо с той же самой последовательностью ДНК, что и у первоначальной особи, то есть с той же самой генетикой, но в лабораторных условиях мы ни на йоту не приблизимся к воспроизведению эпигенетики.

Так, в гипотетическом случае создания клонов они были бы всего лишь плохими копиями первоначальных особей просто потому, что клон обладает тем же самым геномом, что и донор, но их эпигеномы различаются, а разная эпигенетика обусловливает разное поведение, разные черты характера и разные болезни. А если вы не согласны, то скажите это несчастной овечке Долли, которая отличалась от своей мамы ожирением, диабетом и артритом.

Позвольте мне рассказать вам в более академической форме, что с ней случилось, что было до нее и что произошло после.

В феврале 1997 года клонирование овцы Долли, млекопитающего (как и мы, люди), развязало полемику, и сегодня, двадцать лет спустя, мы так и не смогли прийти к соглашению.

Отправимся на двадцать лет назад и остановимся на моменте, когда Иэн Уилмут из института Рослина в Эдинбурге объявил, что получил овцу, рожденную 5 июля предыдущего года, из одной взрослой тканевой клетки другой овцы.

Несмотря на то что Долли не была первым клонированным животным, ее рождение послужило началом новой эпохи, так как впервые клонирование было произведено из дифференцированной клетки взрослого животного. Как сам Уилмут впоследствии заявил, можно было сказать, что Долли «родилась» в возрасте шести месяцев и семи недель.

Как это объясняется?

Мы знаем, что млекопитающие обычно размножаются половым путем, при котором сперматозоид самца оплодотворяет яйцеклетку самки и образовывается новый эмбрион. Долли же была клонирована путем пересадки ядра клетки молочной железы взрослой овцы в яйцеклетку другой овцы. После создания эмбрион был помещен в матку суррогатной матери.

Процедура клонирования овечки Долли основана на ядерной пересадке, и ее концепция довольно проста. Ученые заменили ядро яйцеклетки, стимулировали развитие эмбриона и внедрили его в матку таким образом, чтобы в процессе вынашивания появилась особь, генетически идентичная особи, ядро клетки которой она получила. В случае с Долли процедура была следующей:

1. Во-первых, были извлечены клетки молочной железы овцы породы дорсет белого окраса. Эти клетки, как и все остальные в организме особи, содержат полный набор генов. Однако так как это специализированная клетка (клетка молочной железы), активны только те гены, которые необходимы для выполнения ее функции.

2. Когда клетки были извлечены, их переместили в специальную питательную среду, которая позволила им расти и делиться, — таким образом была выведена популяция копий клеток-прототипов.

3. Далее одну из этих клеток переместили в другую питательную среду, где клетка вошла в так называемую фазу покоя, в которой клеточное деление приостанавливается. Эта фаза необходима, так как зарождение жизнеспособных эмбрионов требует времени для перепрограммирования генома ядра и замены функции, которую изначально клетка выполняла (в данном случае часть молочной железы), на новую функцию — эмбриональную, и это перепрограммирование оказалось более эффективным в случае, когда оно начиналось в фазе покоя, а не в фазе деления.

4. Следующий шаг заключался в том, чтобы извлечь не-оплодотворенную яйцеклетку другой овцы, в нашем случае шотландской черномордой, которая отличается от породы финн-дорсет черным окрасом головы, о чем мы можем догадаться из названия. Из этой

яйцеклетки было извлечено ядро, то есть она осталась без собственного генома (хромосом, содержащихся в ядре), но с метаболическими механизмами, необходимыми для формирования здорового эмбриона.

5. После этого извлечения была произведена ядерная трансплантация, которая заключалась в том, чтобы поместить ядро клетки-донора в яйцеклетку, лишенную собственного генетического материала (для ясности: ядро породы финн-дорсет в яйцеклетку породы Шотландской Черномордой). Клетку-донор поместили рядом с яйцеклеткой, лишенной ядра, и направили на них слабый электронный импульс. Разряд привел к слиянию двух клеток в единую форму, как два мыльных пузыря сливаются в один (добавим метафоричности нашему повествованию). Стоит отметить, что ядерная трансплантация может быть достигнута и другими способами, например введением ядра в яйцеклетку с помощью очень тонкой иглы.

Рис. 1. Процесс «создания» Долли — первого в истории клонированного крупного млекопитающего

В случае «создания» Долли вслед за первым электрическим разрядом, приведшим к слиянию яйцеклетки и клетки молочной железы в одно целое, последовал второй разряд, целью которого было моделирование естественного оплодотворения и включение механизмов, запускающих перепрограммирование ядра, которое с этого момента перешло в фазу клеточного деления и формирования эмбриона.

Когда мы говорим о процессе клеточного перепрограммирования, то имеем в виду сложный и практически не изученный механизм. Известно только, что в процессе перепрограммирования имеет значение макромолекулярная структура цитоплазмы яйцеклетки.

Когда в журнале Nature была опубликована статья Иэна Уилмута с пошаговым описанием клонирования Долли, большая часть научного сообщества не признала достоверность его выводов. Но на тот момент Долли уже была неотвратимой реальностью (мы помним о том, что Уилмут опубликовал свою статью в феврале 1997 года, восемь месяцев спустя после рождения овечки в июле 1996 года) — реальностью, которая неожиданно стала одной из незыблемых догм биологии.

Так мир узнал о рождении самой знаменитой в истории овцы. Подобная сенсация была встречена роковыми предсказаниями со стороны не только прессы, но и всех слоев общества. Некоторые из этих предсказаний, не перестанем повторять это, были основаны не на научных фактах, а на богатой фантазии. Например, одна американская газета уверяла, что Долли была плотоядной и ела других овец. Пришествие овцы-каннибала!

Другие пророчества гласили, что по какой-то неведомой причине, о которой редакторы этих сенсационных новостей умолчали, к тому времени уже всем известная Долли была стерильна и тот факт, что она была клонирована с помощью дифференцированной клетки, а не происходила от слияния яйцеклетки и сперматозоида, означает, что генетический след станет причиной многих проблем. Именно так утверждали журналисты, специализирующиеся на научной составляющей статьи.

Вопреки всем прогнозам и к разочарованию тех, кто ждал появления армии клонированных овец-каннибалов, готовой расправиться с человечеством, как при вторжении инопланетян, не только рождение, но и сам факт существования Долли были откровенной насмешкой над горе-прорицателями. Теломеры овечки — структуры, расположенные в концевых участках хромосом, укорачивающиеся по мере взросления особи, — соответствовали уже более зрелому возрасту, но Долли не демонстрировала признаков преждевременного старения. Генетический след тоже, казалось, не создал явных проблем, более того, выяснилось, что животное не бесплодно: Долли произвела потомство, и ее потомки были и есть совершенно здоровы.

Так что в качестве заключения можно сказать, что самые страшные опасения не подтвердились: клонирование Долли — успех с большой буквы!

Однако для того чтобы понять и оценить в полной мере последствия и значимость клонирования Долли, нужно немного углубиться в историю. Первые попытки клонирования восходят не к Долли, как многие ошибочно полагают. На самом деле эту тему исследовали еще до рождения овечки и ставили соответствующие эксперименты в различных лабораториях. Можно сказать, что первые результаты были получены в 1980-е годы XX века в процессе разработки метода ядерной пересадки, который позволил заменить ДНК, содержащуюся в ядре зиготы, на ДНК ядра другой клетки. Результатом этой пересадки стало животное-реплика животного — донора ядра. Но для того, чтобы эта стратегия увенчалась успехом, донором должен быть эмбрион в начальной стадии развития, в то время как попытки клонирования с помощью клеток взрослых животных неизменно проваливались. Многие биологи пришли к выводу, что клонирование с использованием взрослых клеток невозможно, так как ДНК внутри ядра взрослых клеток претерпевает эпигенетические изменения, которые считались необратимыми, потому что эти клетки были предназначены для специализированной работы ткани, которой они принадлежали, например для производства или выделения молока.

Доказано, что многие клонированные животные рождаются с проблемами, даже с серьезными аномалиями. Причина кроется в том, что у нормальных особей, не клонированных, в сперматозоидах происходит удлинение теломер (концевых участков хромосом, которые укорачиваются по мере старения) в течение первых этапов эмбрионального развития. В клонированных же организмах длина теломер взрослой клетки остается неизменной: она не увеличивается, что отражается на развитии таких аномалий, как преждевременное старение и рак. Из этого можно заключить, что как минимум до того момента, как наука сможет продвинуться в этом вопросе, пропуск этапа оплодотворения будет сказываться на особях, созданных или рожденных, так сказать, нетрадиционным способом.

Геном организма практически одинаков во всех клетках (отличается он в гаметах и В- и Т-лимфоцитах). Однако каждая клетка организма будет располагать разной эпигенетической информацией в зависимости от ее типа, функции, этапа развития, пролиферации, активности и т. д. Поэтому в настоящее время воспроизвести все эпигенетические модификации клетки в определенный момент — задача невыполнимая.

Какие именно факторы отвечают за то, что клонирование животных не всегда проходит успешно?

Процесс репродукции приводит к сильному стрессу клеток, которые в нем участвуют. Кроме того, для репродукции используются сложные технологии, которые оказывают влияние как на клетки, так и на их ядра, так что коэффициент результативности, как мы убедились, довольно низкий.

Вспомним еще раз, что в случае овечки Долли клонирование прошло успешно после неудачного использования 277 яйцеклеток. Так что до сих пор поставить клонирование млекопитающих на поток, как в одном из эпизодов «Звездных войн», не получается.

Спокойно, обитатели Галактики, сегодня войны клонов возможны только благодаря магии кино.

В прессе недавно было объявлено, что получилось клонировать стволовые клетки человеческого эмбриона. Неужели мы приблизились к клонированию людей? Нет, потому что, как мы уже говорили, проблема этого метода в том, что в процессе клонирования используются уже специализированные клетки взрослых организмов, в которых теломеры состарились (то есть укоротились), что и является главным препятствием для клонирования человека.

Конечно, мы также не должны забывать о совершенно закономерно возникающих в отношении клонирования этических и законодательных ограничениях.

Для особо настойчивых, которые до сих не верят: даже если, несмотря на все препятствия, о которых мы упомянули (среди которых законодательный запрет на клонирование), все же найдутся желающие клонировать людей без оплодотворения, теоретически они смогли бы добиться успеха (так же, как смогли клонировать овечку Долли). Однако — и это очень важно — даже если клонирование удастся, клоны будут подвержены серьезным заболеваниям, вызванным преждевременным старением клеток в процессе эмбрионального развития.

После того как мы предельно ясно обрисовали возможные варианты создания человеческого клона, перейдем к научной теории и соотнесем все, что знаем о клонировании, с интересующей нас областью — эпигенетикой, чтобы раскрыть, до какой степени эта наука необходима в нашем развитии. Мы стремимся доказать, что на самом деле именно она является основным препятствием на пути клонирования.

Существует два метода получения эмбриональных клеток.

С одной стороны, метод собственно клонирования, который заключается в том, что извлекается ядро оплодотворенной яйцеклетки и в нее помещается ядро взрослой соматической клетки. В результате получается эмбрион-клон человека — донора соматического ядра. В процессе эмбрионального развития появляется возможность отделить эмбриональные клетки. Это вызывает неизбежные этические противоречия, так как эмбрион таким образом разрушается и используется как источник для стволовых клеток, хотя мог бы превратиться в живого человека, если бы ученые не препятствовали его развитию.

Другой метод состоит в том, чтобы взять взрослую клетку и способствовать ее «перепрограммированию» в эмбриональную клетку, то есть, например, превратить клетку кожи или крови в эмбриональную плюрипотентную клетку Таким образом мы можем избежать этических вопросов, потому что не трогаем никакие эмбрионы ни на каком этапе. Необходима только группа клеток с плюрипотентными свойствами, чтобы воспроизвести любой тип ткани. Проблема этого метода заключается в том, что перепрограммирование клеток влечет за собой появление тератом (опухолей эмбрионального происхождения, сформированных зародышевыми плюрипотентными клетками) с прогрессивным прорастанием.

Априори дела обстоят следующим образом: доказано, что окружающая среда влияет на эпигенетику эмбриональных клеток. То есть профиль метилирования ДНК (одной из классических эпигенетических меток) выращенных в лабораторных условиях клеток подвержен воздействию внешних факторов.

Во взрослом организме существует огромное количество клеток и тканей, не способных регенерироваться, и всего несколько стволовых клеток, способных изменяться в конкретные ткани, например сателлитные мышечные клетки, которые регенерируют поврежденную мышцу (но только в молодом организме, не в постаревшем), или гемопоэтические стволовые клетки, которые производят кровяные клетки.

Поэтому открытие допустимого источника стволовых клеток стало бы поворотным моментом для решения многих медицинских проблем, связанных с отсутствием регенерации, и предоставило бы целый ряд возможностей для регенеративной медицины. Представим на минуту, что бы это означало для пациентов: пережившие инфаркт могли бы рассчитывать на стволовые клетки, которые трансформировались бы в сердечную мышцу, клетки поджелудочной железы стали бы доступны для больных диабетом, даже для лечения спинного мозга нашлись бы нервные клетки.

В области научных исследований существуют некоторые непреодолимые границы, которые препятствуют их прогрессу. В предыдущей главе мы уже говорили об этических и законодательных ограничениях реализации всех возможностей, которые могло бы предоставить клонирование. Точно так же существует множество других экспериментов, которые безопасным образом доказали бы некоторые биологические теории, но по моральным причинам их невозможно осуществить на людях. Надеемся, так оно и будет во веки веков. Эти ограничения, эта идея «не выходить за рамки» особенно применимы в области генетики и, в частности, в изучении наследования признаков, приобретенных через эпигенетические модификации, которые передаются следующему поколению.

Для того чтобы вам не показалось, что мы строим невразумительные теории с непонятными терминами, перейдем к конкретному примеру, который должным образом продемонстрирует полемику, о которой идет речь. Вот один из вопросов, которые ученый может задать себе: действительно ли изменения, происходящие с ребенком, если с ним плохо обращаются в детстве, превращают в агрессивного взрослого не только его самого, но и его потомков? Речь идет о теме, интересной с точки зрения исследователя, и ответ был бы чрезвычайно полезен. Без сомнения, если с помощью науки можно было бы решить этот вопрос, было бы известно куда больше о механизмах, которые вызывают агрессию и жестокость, что внесло бы значительный вклад в их предотвращение и искоренение.

Однако этот вопрос так и останется без ответа в течение долгого времени, потому что, естественно, ни один исследователь-человек никогда не взялся бы проводить подобные эксперименты на людях, поместив ребенка в заведомо плохие условия, чтобы исследовать изменения в его мозге и у его потомства!

Но иногда история человечества становится непередаваемо жестокой и порождает возможности, которые позволяют исполнить данные эксперименты, о которых мы никогда не осмелились бы даже подумать. Они известны как «естественные эксперименты», в которых одна переменная неожиданным образом меняется, так что позднее можно изучать последствия этого изменения, чтобы крупномасштабно исследовать возможные проблемы со здоровьем.

Один из таких случаев связан с приобретенным признаком, переданным по схеме эпигенетического наследования. Случилось это в Нидерландах в последние годы

Второй мировой войны. Виноваты были, и по-другому быть не могло, нацисты.

В конце 1944 года в Голландии наступила суровая холодная зима. Вторая мировая война была уже на исходе: вражеская немецкая армия отступала, побежденная в большей части Европы, фатальной для нее оказалась высадка войск в Нормандии, а союзники продвигались на всех фронтах. После освобождения Бельгии и юга Голландии следующим шагом было освобождение оккупированного севера, но помешал неожиданный провал операции Маркет Гарден, целью которой было вернуть контроль над мостами через Рейн. Ответный удар не заставил себя долго ждать. В качестве наказания за восстание профсоюзов, которые бастовали, требуя конца оккупации, нацисты наложили тотальное эмбарго на продовольствие — совершенно жестокий и преступный способ возмездия — и перекрыли все дороги, в том числе железные. Более того, при отступлении они взорвали шлюзы, которые сдерживали воду и защищали поля и плодородные земли (напомним, что большая часть Нидерландов находится ниже уровня моря). Затопленные участки стали непригодными для земледелия. Единственным способом доставить продовольствие населению были судоходные каналы, использовавшиеся для грузовых и пассажирских перевозок, но они были скованы льдом из-за суровой зимы, самой холодной за столетие. Не зря ей дали имя Hongerwinter («голодная зима»). Сейчас можно было бы сказать, что Голландию накрыл «идеальный шторм»: все неблагоприятные факторы, как военные, так и климатические, совпали и привели к катастрофе, затронувшей гражданское население.

С сентября 1944 года жителей городов Северной Голландии настиг голод, который можно описать только словом «зверский», так как он стал непосредственной причиной смерти двадцати тысяч человек, а еще несколько тысяч умерли в течение этого периода или некоторое время спустя из-за болезней, вызванных недостатком питания. Случаи голода во время голландской зимы и осады Ленинграда — самые жестокие на Старом континенте за всю историю XX века.

Нужда и отчаяние достигли такого градуса, что жители Амстердама, Роттердама и Арнема отваживались, несмотря на опасность, проходить по полям и грунтовым дорогам десятки километров, прячась от немцев и преодолевая собственную слабость, чтобы добраться до сельскохозяйственных районов и достать что-нибудь поесть в обмен на какие-нибудь ценности. Однако и крестьян трудности не обошли стороной: запасы зерна истощились до того, как они успели собрать новый урожай, а поля оставались затопленными.

В течение первых трех месяцев голода население выживало, получая примерно треть необходимого количества калорий в день, но с ноября запасы истощились, и еда делилась из расчета чуть больше пятисот килокалорий на человека в день. Люди делали все, что могли, чтобы преодолеть голод, и отчаяние подстегивало их воображение: варили дома луковицы тюльпанов, чтобы съесть, или делали из них что-то наподобие муки, из которой потом готовили кашу и печенье. Надо ли говорить, что вкус такой еды оставлял желать лучшего. Конечно, не осталось никаких домашних питомцев: любое животное, которое не требовалось для каких-либо работ или умирало от старости, немедленно разбиралось на кусочки прямо на улице голодными жителями городов.

Все попытки стран-союзников доставить провиант голодающим были тщетны. Только шведскому правительству удалось тайно переправить муку, так что голландские пекари подпольно производили так называемый шведский хлеб, хотя выпекался он на голландской территории. Однако голландцы вынуждены были бороться не только с голодом, но еще и с холодом суровой зимы того года, так как не было и топлива: ни дерева, ни угля для отопления домов (немцы перекрыли железнодорожные пути, по которым шли поставки угля в города). Поэтому люди, отчаявшись, заходили в парки в поисках уже даже не деревьев, а любого предмета, который будет гореть. В интернете можно найти огромное количество душераздирающих фотографий, запечатлевших тот страшный период. На некоторых из них люди, взрослые и дети, вырывают шпалы из железнодорожного полотна, чтобы поджечь их.

Голод 1944–1945 годов был жестоким, особенно он повлиял на детей и беременных женщин, хотя, как мы позже убедимся, имел совершенно разные последствия для беременных на первом триместре и тех, что были на втором или третьем: сейчас мы уже знаем, что недостаток питания по-разному влияет на плод в зависимости от срока беременности.

7 мая 1945 года вермахт наконец оставил Нидерланды, за время оккупации были истреблены сотни тысяч человек: люди были казнены, отправлены в концлагеря, из которых многие не вернулись (как юная Анна Франк), или погибли из-за недостатка питания и его последствий.

После окончательной победы союзников над нацистским режимом жизнь понемногу возвращалась на круги своя, и еда начала появляться во всех уголках страны за довольно короткий промежуток времени. Однако многие дети, рожденные и выращенные в условиях голода, не росли теми же темпами, как обычно росли дети, принадлежащие к голландской нации — «обладательнице» самых рослых людей в мире: несмотря на то что в течение всей жизни они следовали калорийной диете Западной Европы, они сохраняли свою худобу и низкий рост. Сейчас объясним почему.

Потому что в их клетках осталась химическая память, эпигенетический дефект, который не позволял им поправляться. В течение нескольких месяцев их организм адаптировался выживать с минимумом энергии, а когда все закончилось, продемонстрировал, что не оставит так легко эту привычку, несмотря на то что впоследствии располагал более чем достаточным количеством еды.

С точки зрения эпигенетики известно, что у этих детей голод вызвал аномальное метилирование гена ИФР-2 (инсулиноподобный фактор роста-2), ключевого белка в развитии плода. Напомним, что метилирование — основной процесс, «включающий» или «выключающий» гены.

Подобные исторические катастрофы, связанные с голодом, в Сомали, Китае (в период «культурной революции» Мао) и России, возможно, оставили похожий эпигенетический след у людей, которые их пережили, но голландский голод 1944–1945 годов является самым изученным и задокументированным благодаря скрупулезности и тщательности ведения медицинских архивов того периода.

Чтобы ответить на этот вопрос, а также дополнить ответ, который мы дали в предыдущем разделе, необходимо углубиться в утверждение, которое мы только что сделали. Оно напрямую связано с причинами разного влияния голода на беременных женщин в зависимости от триместра. Для начала расскажем о первых ученых, исследовавших влияние этого всеразрушающего голода, Мервине Сассере и Зене Стейн, супружеской паре южноафриканских врачей-эпидемиологов, которые пытались изучить неврологические последствия у плода, вызванные недоеданием матери во время беременности. Для эксперимента им нужна была значимая группа испытуемых, которые бы пострадали от плохого питания в утробе матери, затем ученые вели бы наблюдение за их потомками. Естественно, эксперименты такого рода на людях исключены, поэтому ученые использовали животных, пока на них не снизошло озарение: голландский голод снабдил их всеми материалами, необходимыми для проведения исследования! Нидерланды были развитой страной: население обычно не испытывало трудностей с питанием, но продолжительное время люди страдали от сурового голода, затем прежний режим питания был восстановлен. Самым ценным для ученых оказалось то, что, благодаря высокой степени развития общества в целом и системы здравоохранения в частности, осталась очень подробная медицинская документация, регистрировавшая всех новорожденных и их дальнейшее развитие. Кроме того, так как условия голода были разными на севере и на юге страны, удалось сравнить детей, рожденных в самый разгар голода, с теми, кто почти не пострадал, но жил в тех же самых регионах.

Благодаря точности и тщательности голландской системы регистрации, которая хранила бесценные данные десятки лет, а также другим реестрам (например, военным), содержавшим карточки с информацией о состоянии здоровья всех мужчин призывного возраста, Мервин и Зена смогли собрать статистику, которая позволила с предельной точностью отследить эволюцию «детей голода» и дала возможность ученым сделать важные выводы. В течение десятилетий после войны другие исследователи собрали немало доказательств правильности их выводов и продолжили развивать их исследования на базе новых открытий в области перинатальной медицины.

Считается, что во время голодной зимы на севере Голландии проживало примерно сорок тысяч беременных женщин— это очень широкое поле для исследования. Было сделано множество важных открытий, но самое удивительное из них доказало зависимость состояния здоровья взрослых от срока беременности, на котором их матери пережили острую нехватку пищи.

Выяснилось, что дети женщин, которые во время «голодной зимы» были на первом триместре беременности, при появлении на свет с совершенно нормальным весом (напомним, что, когда они родились, страна уже преодолела ситуацию нехватки пищи), в зрелом возрасте имели склонность к ожирению, а также к сердечно-сосудистым заболеваниям и депрессии; процент дорожных аварий с их участием был высоким, а производительность и успехи на работе, наоборот, довольно скромными. Кроме того, у женщин была выявлена большая вероятность заболеть раком того же органа, который диагностировали у их матерей.

С другой стороны, согласно результатам исследования 2003 года, дети, чьи матери пережили голод на втором триместре беременности, при рождении обладали нормальным весом и во взрослом возрасте были более подвержены шизофрении и неврологическим отклонениям.

Что касается матерей, которые пережили голод на третьем триместре беременности, их дети, естественно, родились с недобором веса, хотя впоследствии он нормализовался. Однако во взрослом возрасте многие страдали от диабета, были менее подвержены ожирению и не достигали большого роста. Их дети, в свою очередь, тоже были необычно маленькими. То есть, несмотря на то что еды у них было предостаточно, они не полнели, как будто их тела так никогда полностью и не оправились от той ужасной голодной зимы, той самой Hongerwinter.

Хотя при рождении дети, чьи матери пережили голодную зиму во время первого триместра беременности, казались совершенно здоровыми, именно они пострадали больше всего из-за того, что их внутриутробное развитие в течение первых трех месяцев (в настоящее время доказано, что этот период является самым важным, несмотря на малый размер плода) подверглось воздействию голода, и эта «метка» осталась с ними на всю жизнь. Это связано с так называемой теорией экономного фенотипа, сформулированной в 1989 году доктором Дэвидом Баркером, который изучал механизмы адаптации плода в определенных экстремальных условиях. Если мать недоедает, организм плода сохраняет память об этом внутриутробном опыте и, соответственно, задействует адаптационные механизмы, включающиеся с целью выжить в борьбе с нехваткой питания. Эти механизмы работают на метаболизм, развивающийся таким образом, чтобы автоматически быть нацеленным на накопление калорий, избежание чрезмерных нагрузок и, в конечном счете, сохранение и без того скудных ресурсов. Однако эти дети родились в мире, где уже не было голода, и их организм, привыкший копить запасы, отреагировал на изобилие быстрым ростом, полнея до ожирения и заставляя сердце прикладывать чрезмерные усилия, ведь с самого начала развития оно привыкло работать с низкой скоростью. Именно так в их случае возникали сердечная недостаточность и ожирение (не потому, что они слишком много ели, а потому, что нормальное количество еды для них было излишним само по себе из-за экономного фенотипа).

Вывод: младенцы, формирование которых пришлось на голодный период, на всю оставшуюся жизнь были запрограммированы на существование в условиях острой нехватки пищи, а так как нехватки к моменту их рождения уже не было, они набирали лишний вес (создавали запасы на черный день).

Изучая повзрослевших «детей голода», психиатр Эзра Сассер, сын упомянутых Мервина Сассера и Зены Стейн, смог доказать, что, как и предполагали его родители, существуют неврологические проблемы и психические расстройства, обусловленные неблагоприятным воздействием на определенной стадии развития головного мозга. Сассер обнаружил, что существуют глубокие связи между внутриутробным питанием и шизофренией, что доказывало верность теории его родителей, хотя они и не смогли развить ее до конца. Зена и Мервин изучали «детей голода», когда тем было по восемнадцать лет, а многие неврологические проблемы проявились гораздо позже, так как еще одним последствием голода было ускоренное старение клеток поврежденных плодов, а следовательно, их когнитивные способности ухудшались с большей, чем средняя, скоростью. Многие пострадавшие вынуждены были преждевременно уйти на пенсию или перестать работать.

И наконец, важный факт о плодах третьего триместра: они не только родились с недобором веса, но в дальнейшем их новорожденные дети также страдали от этого недуга, хотя были зачаты и выношены во время достатка.

Этот факт является столь же фундаментальным, как и то, что повзрослевшие дети первого триместра (которые страдали ожирением) имели детей и даже внуков с лишним весом. Сейчас мы приближаемся к самому важному заключению: помимо того, что обстоятельства, в которых развивается плод, могут повлиять на его взрослую жизнь, самым значимым является то, что эти изменения влияют также на последующие поколения. Следовательно, возникают вопросы: можно ли унаследовать последствия голода? Может ли «программа» плода, созданная голодом, перейти к следующим поколениям?

Ответ, очевидно, да. Последствия влияния внешних обстоятельств не ограничиваются жизнью одного человека, но переходят к следующему поколению, а иногда заметны и через одно поколение. Так, в нашем конкретном случае голландской зимы речь идет не только о «детях голода», но и о «внуках голода» и даже о «правнуках голода».

Это заинтересовало исследователей и ученых вообще, и, конечно, эпигенетиков в частности, и мы поговорим об этом более подробно, когда будем делать окончательные выводы. С другой стороны, упомянутые открытия — не единственное положительное последствие этого ужасного голода. Именно он послужил почвой для других открытий, которые хотя и не связаны с предметом нашей книги, тем не менее, очень значимы.

Стоит отметить, что доктор Зена Стейн в свои девяносто четыре года все еще активно преподает в Университете Колумбии как заслуженный профессор. Ее супруг Мер-вин скончался в 2014 году.

Помимо тех открытий, о которых мы уже говорили, голландский голод способствовал появлению безглютеновой диеты для лечения целиакии. Это была работа голландского педиатра Виллема-Карела Дике, который до начала Второй мировой войны начал исследовать, как именно диета влияет на детей. В 1936 году, когда его назначили медицинским директором Детской больницы Юлианы в Гааге, он начал исследовать способы улучшения лечения детей, страдающих непереносимостью некоторых продуктов. Однако именно голландский голод подсказал ему верную дорогу к открытию: он доказал, что состояние детей, которые до голодной зимы страдали от хронической диареи и истощения, улучшилось во время голода из-за отсутствия злаковых (хлеба и каш), а некоторые даже практически выздоровели, несмотря на серьезный недостаток еды вообще.

После освобождения страны те же самые дети могли наслаждаться полным и разнообразным питанием, но странным образом их состояние снова ухудшилось, что позволило прийти к заключению, что именно мука и производные пшеницы и других злаковых были причиной их кишечных болезней. Подозрения подтвердились, когда выяснилось, что некоторые больницы даже во время голода смогли обеспечивать своих истощенных пациентов злаковыми кашами, но так как они содержали глютен, состояние детей с хронической диареей, не прекращавших есть эти каши в течение всего времени, в отличие от голодающих детей, не улучшилось.

На основе этих открытий ученый создал диету без злаковых, то есть без ржи или пшеницы, благодаря чему болевшие дети быстро пошли на поправку. Немного позже, в начале пятидесятых, голландские медики Андерсон, Вейере и ван де Камер, коллеги доктора Дике, обнаружили, что причиной недомоганий были не рожь или пшеница сами по себе, а только глютен (клейковина) — группа белков, которые находятся во многих, но не во всех зерновых злаковых культурах (например, в рисе и вовсе глютена нет).

Стрессовая ситуация вызывает изменения в нормальной эпигенетике клеток, что в конце концов может привести к появлению некоторых болезней. Такой стресс может быть точечным, но тогда в клетках появляется что-то наподобие «эпигенетической памяти», которая способствует поддержанию изменений, вызванных стрессовой ситуацией.

Хотя в данной главе мы сфокусировались на случае голландского голода, а именно на том, как такие изменения могут отразиться на состоянии еще не рожденных детей, важно отметить, что они могут повлиять и на уже родившихся детей, и даже на взрослых.

Еще немного о Голландии: актриса Одри Хепберн своей чрезмерной хрупкостью и стройностью обязана уже столько раз упомянутой «голодной зиме», которую она пережила в возрасте пятнадцати лет — в то время ее звали Эдда ван Хеемстра — в оккупированном нацистами городе Арнеме. В нескольких интервью актриса говорила о пережитом голоде, а также о впечатлении, которое произвел на нее «Дневник Анны Франк», так как обе они были в одинаковом возрасте и ситуации были схожи, но исход был разным. Одри выжила и смогла оправиться от пережитого ужаса, чтобы посвятить себя не только украшающим нашу жизнь прекрасным ролям в кино, но и гуманитарной помо-щи ООН. Она отдавала этому всю себя, особенно в миссиях помощи голодающим на востоке Африки. Была ли ее тонкая красота и хрупкость последствием эпигенетической памяти голландского голода? Мы не можем этого утверждать, так как статус метилирования ее гена ИФР-2 никогда не анализировался, но мы знаем, что глубина ее взгляда хранила горькие воспоминания обо всем пережитом. Она была свидетелем расстрела на загруженной людьми улице, потеряла родственников, участвовавших в Сопротивлении и репрессированных нацистами, а ее брат был узником концлагеря. Этот жизненный опыт оставляет более серьезный след, чем эпигенетика. Возможно, веселый, с нотками ностальгии, нрав актрисы, ее глубокая человечность, изливающаяся с экрана, обладают более древней памятью, чем воспоминания, связанные с голодом.

Как мы только что убедились, внешнее потрясение может оставить в памяти наших клеток воспоминание, которое будет актуально несколько поколений. Самое интересное то, что иногда такое потрясение может оказать большее воздействие на последующие поколения (наши дети, внуки или правнуки), чем на нас самих!

Поэтому, перенося данные последних исследований на людей, не подвергавшихся внешним потрясениям, но живущих в неблагоприятных условиях, мы можем утверждать, что, например, потребление табачных изделий будет иметь негативное воздействие на развитие детей курящих людей, даже если они курили до зачатия этих самых детей.

С другой стороны, также известно, что это воздействие имеет место только в том случае, если родители курили до своего полового созревания, что свидетельствует о том, что важны не только привычки наших родителей (или даже дедушек с бабушками), но и период жизни, в который эти привычки были им свойственны.

В Швеции было проведено еще одно исследование, связанное с влиянием питания на разные поколения. Результат оказался неожиданным: если пережил голод дедушка, только внуки мужского пола будут страдать от диабета и иметь более высокий уровень смертности, в то время как если голодали бабушки, высокий коэффициент смертности будет только среди внучек.

Несмотря на то что наследование эпигенетики из поколения в поколение описано в научной литературе (речь идет о гипотезе, согласно которой среда, окружающая наших предков, вполне возможно, повлияла и на нас), сегодня эта идея является довольно спорной. В некоторых исследованиях было отмечено, что недоедание «испытуемых» — вспомним голландский голод — отрицательно влияло на здоровье их внуков (два поколения спустя!).

Другой пример влияния уменьшения количества калорий у эмбрионов заключался в появлении у второго поколения диабета и в нарушении репродуктивной функции. Последнее могло произойти из-за влияния на эмбрион гормона диэтилстильбэстрола (подрывающего эндокринную систему).

Так как выше мы уже говорили о последствиях курения, необходимо упомянуть и другие исследования, посвященные поиску причины передающихся по наследству эпигенетических изменений. Благодаря им было обнаружено, например, что такие яды, как диоксин (производимый в процессе отбеливания бумаги или при изготовлении пестицидов) и ДДТ (дифенил трихлорэтан, инсектицид), топливо для самолетов и даже диеты, богатые насыщенными жирами, являются теми самыми внешними факторами, которые могут стать причиной наследования эпигенетики. Излишне повторять, что эти факторы присоединяются к уже упомянутым: серьезная нехватка калорий (то есть голод) и, конечно, алкоголь и табак.

А сейчас мы снова подошли к корню проблемы: что мы можем сделать, чтобы изменить воздействие неблагоприятной среды обитания на наше здоровье. Другими словами, если мы были подвержены стрессовым ситуациям или влиянию веществ, которые могут изменить наше эпигенетическое наследование, возможно ли перепрограммировать нашу клеточную память так, чтобы влияние этих изменений стало благоприятным для нашего здоровья и здоровья наших потомков?

И снова обратимость — ключ к ответам на все эти вопросы. Несмотря на то что мы все еще не знаем, как изменить эту пострадавшую клеточную память, ученые и исследователи с каждым днем все больше приближаются к более глубокому ее пониманию, что позволит нам в ближайшие несколько лет точно узнать, какие именно изменения в нашей эпигенетике произошли из-за окружающей среды. Таким образом, потенциально мы сможем вернуть клетки к нормальному состоянию, но не должны тешить себя иллюзиями и уж тем более проявлять излишнюю самоуверенность, так как впереди нас ждет еще долгий путь. Поэтому на время ожидания, пока наука шагнет вперед, сейчас же потушите свои сигареты!

Так как лишний вес напрямую связан с появлением таких патологий, как диабет или коронарные заболевания сердца, кажется очевидным, что сбалансированная диета (не превышение и не недостаток питательных веществ), совмещенная с умеренной физической нагрузкой, является самым надежным средством, чтобы сохранить и передать здоровое эпигенетическое наследство нашим потомкам.

Понятно, что вы ждете точных рекомендаций или хотя бы менее общих, но, при всем уважении к вам, вот то единственное, что мы можем сказать: в настоящее время ведутся исследования, которые связывают низкокалорийные диеты с замедленным старением. Однако их результаты неубедительны. Другие исследователи связывают преждевременное старение с теми передающимися по наследству эпигенетическими изменениями, которые приводят к большей смертности из-за сердечно-сосудистых заболеваний.

До этого момента мы настаивали на важности питания и хорошего самочувствия плода для его будущего здоровья и даже для здоровья его потомков. Сейчас самое время задуматься, что именно происходит в случае использования вспомогательных репродуктивных технологий и как это связано с изменениями и проблемами со здоровьем, которые могут возникнуть у детей, рожденных таким образом. Эффективность и пригодность этой технологии вызывают сомнения у некоторых ученых из-за окружающей среды и манипуляций, которым подвергаются яйцеклетки и эмбрионы. Последние исследования эти сомнения не опровергают. Испытания на людях и животных наводят на мысль, что вспомогательные репродуктивные технологии могут воздействовать на эпигенетику в процессе образования эмбриона, становясь причиной патологий при рождении. Правда ли это?

И на самом деле исследования показали, что, скорее всего, существует связь между использованием этих технологий и изменением, которое влияет на рост и носит необычное название синдрома Беквита — Видемана. Исследователи доказали, что если раньше этот симптом диагностировался у 0,8 % населения, его частота у детей, рожденных с помощью вспомогательных репродуктивных технологий, составляет 4,6 %, то есть в шесть раз выше.

Однако, несмотря на эти данные, науке неизвестно, была ли сама технология причиной развития патологий или патологии уже были в гаметах родителей с проблемами с фертильностью.

В настоящее время разрабатываются различные лабораторные технологии с целью иметь возможность избежать метилирования ДНК на некоторых участках генома. Со временем мы точно сможем опознавать, какие изменения эпигенома вызваны внешним стрессом, и изменять или обращать их вспять. Речь идет не о попытках «улучшить» человеческий эмбрион с помощью генетических манипуляций или в данном случае эпигенетических (что сопровождалось бы возражениями по этическим причинам, так как речь идет об очевидном эпигенетическом вмешательстве), а скорее о лечении того, что подверглось нежелательным изменениям из-за воздействия факторов окружающей среды и в конечном счете могло бы привести к заболеванию в будущем.

К сожалению, очень часто мы судим людей по их внешнему виду и забываем оценить их действия и личные достоинства. Это происходит отчасти оттого, что, поскольку все мы принадлежим к роду человеческому, зрение является нашим самым развитым чувством, в отличие от других животных, которые ориентируются и оценивают все, что их окружает, с помощью обоняния или даже вкуса. Мы смотрим на себя и решаем, нравимся себе или нет, как минимум перед первым свиданием. И мы не задумываемся даже на секунду, что все, что мы видим (а значит, во что мы влюбляемся), — это всего лишь внешняя оболочка, всего лишь кожа. Если только, конечно, искра не вспыхивает в операционной между хирургами и пациентами.

Так о чем это мы? Да, для людей кожа (как мы в несколько шутливой форме попытались объяснить) — это важнейший элемент существования, такой же, как и зрение. Возможно, поэтому разная пигментация является иногда причиной вопиющей несправедливости, и даже сегодня мы видим абсурдное разделение и сегрегацию во многих обществах.

Но если бы мы могли изменить цвет нашей кожи? Если бы существовал эпигенетический механизм, позволяющий это сделать?

Позвольте разъяснить вам этот вопрос на примере невымышленной истории одного нашего не такого уж и дальнего родственника — особого типа «мыши».

Главного героя нашей истории зовут агути, хотя это не настоящее его имя, а термин, которым обычно именуют грызунов его рода (его научное название — Dasyprocta, не очень гармонично звучит, правда?). Агути — маленькие животные, которые живут в Центральной и Южной Америке. Как правило, их шерстка имеет красивый желто-коричневый окрас, но иногда появляются особи с темной шерсткой. Интересно то, что это происходит не только среди популяций, которые живут на свободе, но и среди лабораторных экземпляров, созданных в большинстве случаев с целью получить генетически однородные особи. В таком случае, если эти грызуны из лаборатории обладают одним и тем же кодом ДНК, как такая разница в цвете вообще возможна?

Для ответа на этот вопрос лучше всего углубиться в его суть. Мы знаем, что окрас этих грызунов зависит от работы гена, который так и называется — агути (зачем усложнять себе жизнь разными обозначениями?). Однако когда феномен отличающегося окраса лабораторных особей был изучен, не было обнаружено ни мутаций, ни каких-либо других генетических различий между желтыми и коричневыми особями. В таком случае… Да! Вы угадали! Между генетически идентичными грызунами существует эпигенетическая разница: у особей с темным окрасом ген агути метилирован, а у обладателей желтой шубки ген деметилирован.

Подождите, самое интересное впереди: окрас желтых особей становится темнее, если им назначить диету, богатую продуктами, содержащими соединения — доноры метильных групп и поставляющими фолат (также называемый фолиевая кислота, или витамин В9, который содержится в разнообразных продуктах, включая овощи с зелеными листьями, печень, мясо, яйца и т. д.) и S-аденозилметионин (который не содержится в продуктах, а вырабатывается нашим обменом веществ согласно потребностям организма и в настоящее время используется для лечения таких болезней, как депрессия, остеоартрит или фибромиалгия).

В последние годы подобных исследований, но на материале человеческой ДНК, было проведено крайне мало, одно из них — результат работы нашей исследовательской группы. Мы хотели убедиться, существуют ли, помимо генетических вариаций, которые делают людей отличными друг от друга, эпигенетические модификации, которые могли бы объяснить богатство разнообразия нашего вида.

Для этого мы глубоко изучили метилирование ДНК и смогли выделить несколько групп людей разного географического происхождения. Среди тысяч незначительных эпигенетических переменных, обнаруженных у этих групп, некоторые из изменений происходили в генах межклеточных коммуникаций, задействованных в пигментации кожи, например в обмене меланина.

Сейчас, когда мы уже знаем, что эпигенетические модификации динамичны, было бы здорово думать, что по мере того как первые люди покидали Сомали (регион, откуда мы все происходим), эпигеном их кожи начал изменяться, чтобы адаптироваться к новым климатическим условиям новых территорий. Хочется проиллюстрировать рассредоточение нашего вида по всему миру и изменение цвета кожи строками из великолепного стихотворения Антонио Мачадо: «Помни, путник, твоя дорога — только след за твоей спиной» (Перевод В. Стобова).

На эту тему существует одно интересное, но противоречивое исследование, в котором был установлен факт наличия в крови и других тканях человеческого организма микроРНК (маленьких РНК, играющих важную роль в регуляции экспрессии многих генов и белков, которые они кодируют). Самым неожиданным оказалось то, что происходят они из растений, а именно из риса! Эти микроРНК наблюдаются у многих живых существ, в том числе и у людей, и производятся самим организмом, чтобы регулировать функции клетки. Настоящим открытием было то, что некоторые микроРНК, произведенные растениями и попавшие в организм человека в виде пищи, способны встраиваться в этот организм и регулировать его функционирование! Это оказалось настоящим прорывом и стало ярким примером того, как сильно то, что мы едим, влияет на функционирование нашего организма, в нашем случае путем эпигенетических процессов.

Наше общество заполнено псевдомыслителями, которые продают бессмысленные рецепты достижения максимального профессионального успеха за минимальное время. Однако если задуматься… От чего зависит людская иерархия? Есть ли какие-то причины для неравенства? Почему некоторые живут в богатых усадьбах, а другие ютятся в убогих лачугах? Почему некоторые боятся руки запачкать, а другие занимаются грязными работами?

Что делает из нас королей или плебеев?

Ответ на все эти вопросы мы найдем у насекомых: эпигенетика. Позвольте объяснить почему.

Жизнь пчел предельно иерархична. В улье есть одна матка и десятки тысяч рабочих пчел. На самом деле многие из них являются тысячами клонов, идентичных на генетическом уровне, несмотря на то что их внешний вид и функции совершено разные: матка почти вдвое крупнее рабочих пчел, она не перестает откладывать яйца и живет в глубине улья, в то время как рабочие пчелы не способны иметь потомство, постоянно вылетают из улья для сбора пропитания и передают информацию о его местонахождении с помощью «танца» — особых фигур, которые они выписывают в воздухе во время полета.

Это мы еще о разнице в продолжительности жизни не говорили: матка живет в среднем три года, а бедные рабочие пчелки едва доживают до трех месяцев. И ничто из этого не обусловлено генетикой.

В таком случае, может, наша подруга эпигенетика причастна к этим различиям? Результаты экспериментов решительно утверждают, что действительно так и есть. Пчела становится маткой, поскольку на стадии личинки в качестве питания она получала маточное молочко, в то время как будущие рабочие пчелы питались нектаром или пыльцой. Видимо, именно такое специальное питание, маточное молочко, вызывает гормональные изменения, которые придают личинкам внешний вид и способность выполнять функции ее величества. На данный момент, благодаря результатам исследований, нам известно, что некоторые компоненты этого загадочного пойла имеют структуры, похожие на некоторые эпигенетические лекарства, влияющие на гистоны. На всякий случай напоминаем, что метилирование ДНК присуще не только людям и грызунам, но в той или иной форме многим другим живым существам. И в данном случае у наших подруг-пчел была выявлена как эта модификация, так и идентичность белков, ответственных за ее регуляцию, — ДНК-метилтрансфераз, или DNMT.

Речь идет, конечно, о весьма любопытных и могущественных ферментах, играя с которыми мы можем даже спровоцировать небольшие революции и социальные перевороты: доказано, что если мы снижаем активность одной конкретной DNMT, называемой DNMT3, мы можем превратить рабочую пчелу в королеву-матку. Вот так выигрыш в лотерею для счастливицы!

Кроме того, ученые занимаются исследованиями, призванными доказать, что эпигеномы пчелиных маток и рабочих пчел различны, поскольку, например, существуют различия в метилировании генов, связанных с гормональной реакцией.

С другой стороны, то, что мы только что рассмотрели на примере пчел, можно перенести на других насекомых, которые также имеют структурированное общество, например на муравьев или термитов, которые в пределах колонии имеют максимальную генетическую схожесть, но при этом распределяются по кастам.

Ранее мы уже несколько раз упомянули о важных аспектах метилирования ДНК (о котором, кстати, вы можете узнать еще больше, если заглянете в «Базовое пособие»). Однако важно напомнить, что хотя оно присуще различным живым существам — от людей до пчел, у других оно практически отсутствует, например у назойливой мухи или у крошечных червей.

Как так происходит, что у некоторых животных метилирование ДНК отсутствует, а у целых инфраклассов, например у сумчатых, выполняет важнейшие функции во время их особенного вынашивания плода?

А у людей что?

Что касается нас, правильное метилирование ДНК жизненно важно для существования нашего рода. В основном потому, что оно необходимо для того, чтобы различные клетки, из которых состоит организм, имели назначение и конкретную функцию, так как именно оно определяет, какие гены должны быть активными, а какие — выключенными в каждый отдельно взятый момент развития организма. Как мы уже убедились, изменение стандартного хода метилирования ДНК может стать причиной появления различных заболеваний.

Что касается социальных навыков, возможно, метилирование ДНК также влияет и на наши коммуникативные и профессиональные навыки, хотя научных доказательств этого пока нет. Но если это так, если бы мы были особенным видом муравьев, роль которых в обществе определяется на основе метилирования, можете не сомневаться, что эпигенетические таблетки для подъема по социальной лестнице были бы наиболее востребованными в аптеке каждого района.

Похоже, метилирование ДНК играет ключевую роль в превращении личинки в королеву или в рабочую пчелу. Однако метилирование ДНК, возможно, не единственный важный эпигенетический механизм в этом процессе.

Недавно было доказано, что маточное молочко содержит вещество, действующее как ингибитор одного из семейств гистонов (ингибитор гистондеацетилазы).

И не только это: среди веществ, представленных в маточном молочке, мы также найдем микроРНК, те самые маленькие РНК, которые так важны во время регуляции экспрессии многих генов. В конечном счете, видимо, существует много эпигенетических механизмов, которые определяют кастовую принадлежность пчелы.

Недавно было выявлено, что в мозге пчелиных маток и пчел-рабочих происходят разные процессы метилирования ДНК, что могло бы объяснить разницу в их поведении. Похоже, в этом случае метилирование ДНК связано не с тем фактом, что гены выключаются, а с так называемым альтернативным сплайсингом (экспрессия генов происходит тем или иным образом с разными наборами информации).

Сплайсинг также называют альтернативным сплайсингом. Как только матричная РНК формируется в процессе транскрипции ДНК, эта мРНК может подвергнуться модификациям, в процессе которых удаляются некоторые ее последовательности. Это влияет на информацию, которую содержит РНК, а значит, и на белок, который производится на основе этой РНК. Благодаря сплайсингу становится возможным то, что на основе одного и того же гена (одной и той же информации) могут быть сгенерированы разные мРНК, а следовательно, разные белки (так называемые изоформы).

Транскрипция (синтез РНК) — процесс, с помощью которого клетка копирует последовательность ДНК на молекулу РНК, называемую матричной РНК (мРНК). Она происходит в ядре клетки.

Не только пчелиные матки, но и рабочие пчелы подчиняются законам эпигенетики, так как выполняют различные функции внутри улья. Некоторые рабочие пчелы, так называемые няньки, занимаются кормлением личинок, в то время как другие — в прямом смысле рабочие — отправляются на поиски пропитания от цветка к цветку. Взяв за основу это распределение задач, ученые сравнили метилирование ДНК мозговых клеток этих двух типов и обнаружили существенные различия в метилировании, определяющие рабочий функционал пчел. Самым интересным (и здесь опять появляется концепция обратимости) оказалось то, что если исследователи изымали из улья пчел-кормилиц, некоторые рабочие пчелы, ответственные за поиск еды, переставали работать и превращались в нянек, чтобы восполнить их отсутствие. Однако если бы мы в тот момент рассмотрели метилирование ДНК новообращенных, то обнаружили бы, что оно очень похоже на метилирование ДНК первоначальных пчел-кормилиц.

Трутни — особая часть пчелиного общества, о которой мы еще не говорили в рамках этой главы. Их появление в улье не обусловлено эпигенетическими механизмами, так как эти экземпляры (самцы, оплодотворяющие матку) происходят из яиц, которые не были оплодотворены, в результате процесса, известного под названием партеногенез. То есть у нас есть пчелы, происходящие из оплодотворенных яиц (матки или рабочие, в зависимости от их питания), и пчелы, происходящие из неоплодотворенных яиц (трутни).

Одна из самых больших загадок, которые окружают эволюцию живых существ, связана с механизмами, участвующими в адаптации видов к быстрым изменениям. Эта тема была одной из главных составляющих теории выдающегося натуралиста Чарльза Дарвина, который изучал эволюцию и способность к выживанию более приспособленных видов. Ему же приписывают выражение Survival of the fittest, которое принято переводить как «Выживает сильнейший», хотя более точно, наверное, будет сказать «Выживание наиболее приспособленных». Согласно Дарвину, выживают только те особи, которые проворны настолько, что могут убежать от врага, готовы защищаться или способны так замаскироваться в окружающей среде, что хищник их не найдет.

По всей видимости, его знаменитое выражение верно и заключает в себе очень важный нюанс. Зачастую его интерпретируют ошибочным образом, когда полагают, что особи, обладающие «лучшей генетикой», имеют больше шансов выжить, и отождествляют «лучшую генетику» и «лучшую адаптацию», когда в действительности не обязательно дела обстоят именно так. Дарвин не Мендель, и естественный отбор — это не только генетика, но и, скорее всего, эпигенетика. Вывод: только виды с более адаптированным эпигеномом выживут и увидят зарю нового дня. Хотя прежде чем рассмотреть это утверждение более подробно, возможно, стоит немного вспомнить историю, вернуться во времена, когда создавали свои теории Чарлз Дарвин (1809–1882), Грегор Мендель (1822–1884) и Жан Батист Ламарк (1744–1829), и подробно рассмотреть, в чем именно эти теории заключаются. Ведь у нас даже не возникает сомнения, что мы прекрасно понимаем их общеизвестные принципы, но в то же время часто страдаем склонностью к упрощениям и обобщениям, которые нас только путают.

Напомним, что первые более серьезные теории о механизмах эволюции берут начало в XIX веке. Именно Ламарк и Дарвин предложили две теории, которые дожили до наших дней, хотя ламаркизм, по крайней мере его наиболее радикальная версия, имел меньшее влияние. Начнем с Дарвина, не зря же из этих трех ученых именно его имя наиболее известно для среднестатистического человека.

В настоящее время общепринято мнение, что именно теория естественного отбора объясняет (или была первой теорией, объясняющей пусть не полностью, но и не ошибочно) механизмы эволюции. Эта теория была предложена Чарлзом Дарвином, а также Альфредом Уоллесом (1823–1913), наличности которого мы подробнее остановимся.

Альфред Уоллес был английским натуралистом, современником Дарвина, который, в каком-то смысле, двигался в параллельном с ним направлении. Он тоже был исследователем и в 1848 году на торговом паруснике отправился в путешествие в Бразилию для изучения амазонских флоры и фауны. Затем, с 1854 по 1862 год он пробыл на Малайском архипелаге, собирая коллекцию видов. Именно во время этого путешествия Уоллес начал разрабатывать теорию естественного отбора и по возвращении в Англию состоял в тесной переписке с Дарвином, с которым они обменивались идеями. И как по волшебному совпадению, оба сформулировали независимо друг от друга теории об эволюции видов путем естественного отбора. Отношения между ними были хорошими и даже дружескими Известно, что Уоллес отправил свои работы Дарвину, который, имея больше полезных контактов, способствовал их публикации в 1858 году. Более того, именно эта публикация сподвигла Дарвина завершить свой труд о происхождении видов, который увидел свет на год позднее.

В тени успеха Дарвина теории Уоллеса, скажем так, пошли на спад, и когда он перестал путешествовать и окончательно осел в Англии, их отношения, как и их дружба, только укрепились.

В чем же заключаются его эволюционные теории?

В целом они основаны на существовании дефектов в наследственной передаче информации от одного поколения другому. Эта нестабильность создает вариативность и определяется феноменом мутаций, большинство которых в результате не приводит к адаптивным преимуществам, а является нейтральным. То есть в определенных обстоятельствах некоторые варианты могут иметь преимущество перед другими в процессе естественного отбора, в котором, как мы уже сказали, выживают более приспособленные особи.

В наши дни имя Ламарка снова появилось в научной литературе из-за того факта, что эпигенетические изменения, эпимутации, могут быть переданы потомкам таким вопиющим способом, что, кажется, нарушают все правила менделевского наследования. Некоторые ученые предполагают, что они могут иметь адаптационную роль, укладывающуюся в концепцию Ламарка, хотя на самом деле знаменитый пример ученого о шеях жирафов некорректен. Последователи ламаркизма настаивают на том, что способность организмов адаптироваться к окружающей среде породила эволюцию и разнообразие видов, и самый известный пример, доказывающий эту теорию, о шее жирафов. Ученый сформулировал принцип, по которому использование или неиспользование частей тела приводит к тому, что части тела, используемые чаще, развиваются и усиливаются настолько, насколько менее используемые части слабеют и деградируют, иногда даже исчезают. Согласно Ламарку, поколение за поколением жирафы должны были вытягивать шею, чтобы достать до самых высоких веток деревьев, и, как следствие, их шея удлинялась. Затем, согласно второму принципу, основополагающему в его теории, принципу наследования приобретенных признаков, у жирафов с самой длинной шеей рождались дети с такой же длинной шеей, которая продолжала расти из поколения в поколение, так как потомки продолжали вытягиваться, чтобы достать до самых высоких ветвей.

Пятьдесят лет спустя в свете теорий Дарвина и Альфреда Уоллеса (последний из которых утверждал, что по линии отца был потомком великого шотландского героя Уильяма Уоллеса) постулаты Ламарка и этот конкретный пример были опровергнуты: жирафы, которые вытягивали шеи, чтобы есть листья на самых высоких ветвях деревьев, не передавали этот признак своему потомству. Согласно естественному отбору, то, что могло произойти с шеями жирафов, берет начало в существовании двух групп жирафов: с длинной и с короткой шеей. Первые доставали до листьев деревьев, питались и выжили, в то время как несчастные «короткошейки» умирали от недоедания, как и их потомство. Так что выживали и размножались особи с длинными шеями, в то время как другие вымирали.

Так какие выводы в свете современной науки можем сделать мы с вами?

Совершенно точно то, что единственная реальная возможность передачи приобретенного признака следующим поколениям заключается во внедрении этого признака в эмбриональную линию, другими словами, в сперматозоиды или яйцеклетки. Это новое изменение в половых клетках может быть эпигенетическим, а эпигенетические модификации отличаются быстродействием и могут сделать так, чтобы виды адаптировались к внезапным изменениям в окружающей среде, например к большим природным катаклизмам.

Если мы вернемся к примеру из предыдущей главы о различных человеческих популяциях, то увидим, что группа с большим числом эпигенетических вариаций — группа из Черной Африки, жители которой исторически были первыми людьми: все люди, обитающие на планете Земля, происходят от них, и у них было больше всего времени, чтобы измениться.

С другой стороны, если мы изучим, какие гены и межклеточные коммуникации, кроме уже упомянутого цвета кожи, отличают разные группы людей, то найдем два любопытных участка, связанных с чувством вкуса и чувствительностью к инфекциям.

Это связано с эпигенетическими изменениями во вкусовых рецепторах, которые миллионы лет назад позволили людям адаптироваться к новым продуктам, найденным во время первых миграций, и различать, что можно потреблять, а что смертельно опасно или ядовито. Таким же образом те люди, что должны были (и сейчас им тоже приходится) соседствовать с определенными микроорганизмами, научились сосуществовать с ними, что и происходит с вирусом Эпштейна — Барр и кишечной палочкой. Как говорится в знаменитой пословице: «С волками жить — по-волчьи выть».

А теперь обратим свой взор на наших ближайших родственников. Уверены, что каждый раз, когда вы приходите в зоопарк и смотрите на новорожденных шимпанзе, вы думаете: «Какой милый! Ну совсем как младенец». Правда ведь? Все мы так делаем, и на самом деле мы не далеки от действительности: у людей и шимпанзе 99 % генома совпадает. И несмотря на то, что говорят последователи отрицания теории эволюции, это факт: эволюционно у нас один и тот же отец и одна и та же мать. Однако мы отличаемся от них во многом, чем-то более очевидно, чем-то — менее.

Как вообще можно представить себе такую степень схожести нашей ДНК?

Эпигенетика снова является ключом к разгадке, так как исследования нашей команды ученых, как и других наших коллег, доказали следующее: несмотря на то что для определенного гена последовательности ДНК могут быть одинаковыми, наша ДНК (то есть ДНК Человека разумного) в сравнении с ДНК других человекообразных приматов, таких как шимпанзе, гориллы, орангутаны или бонобо (карликовых шимпанзе), эпигенетически регулируется по-другому, в особенности из-за изменений метилирования ДНК.

И снова эпигенетика приходит на помощь.

Вот, пожалуйста, еще один пример на обсуждаемую тему, на этот раз связанный с запахом.

Наш геном, так же как и геном шимпанзе, обладает многочисленными генами обонятельных рецепторов. У приматов все они активированы для того, чтобы различать самые слабые запахи и определять тип приближающегося хищника или местонахождение того самого вкусного фрукта. У нас, наоборот, большая часть этих обонятельных рецепторов выключена по причине мутации (генетического изменения, так как уже многие тысячелетия мы не используем этот ген) или метилирования (эпигенетического изменения, потому что раньше нам все-таки было необходимо различать эти запахи).

Объяснить это просто: в современном обществе мы уже не различаем большинство веществ и организмов по запаху, потому что зрение стало основным органом восприятия, а также потому, что из-за сосредоточения запахов (мыло, духи, шампуни и разнообразные загрязнения) со временем становится все сложнее использовать обоняние и отличать одни запахи от других.

Проще говоря, мы почти не используем обоняние, оно атрофировалось, метилировалось.

А вот шимпанзе все еще остро в нем нуждаются, потому что им необходима способность воспринимать угрожающие запахи, запахи продуктов, которые могут быть токсичными, запахи приближающихся хищников… И поэтому они сохраняют чувство обоняния неметилированным.

В качестве заключительного аккорда хотелось бы привести пример, демонстрирующий обратное: гены, связанные с передачей нервных импульсов и речью, не метилированы у людей, и поэтому мы обладаем этой «активированной» (обозначим это таким образом) возможностью, в то время как у приматов эти функции выключены и неактивны.

Вывод: людям необходимо говорить, чтобы общаться, обезьяны этого не делают, зато их обоняние невероятно развито в сравнении с нашим, таким образом, в сражении за способности восприятия между людьми и приматами результатом будет ничья: 1 (обоняние) — 1 (речь).

Или, как говорится: «Ежели где-то что-то убыло, то где-то что-то должно прибыть непременно».

Идея Ламарка о том, что приобретенные в течение жизни особи признаки передаются ее потомству, была опровергнута, и многие годы, вплоть до недавнего времени, научное сообщество считало, что только генетические мутации, произошедшие в гоноцитах (яйцеклетках и сперматозоидах), могут передаваться следующим поколениям.

Однако последние исследования эпигенетического наследования, другими словами, способов, которыми приобретенные одной особью эпигенетические метки могут передаваться следующему поколению, способствуют пересмотру некоторых выводов Ламарка с целью встроить их в более полную теорию эволюции видов.

Так как у людей и приматов общий предок, большая часть наших геномов совпадает. Однако эти гены работают неодинаково: некоторые более активны у людей и выключены у шимпанзе, и наоборот. Так, хотя те же самые гены активны в тех же самых зонах мозга человека и шимпанзе, их активность будет различной. Сотни или даже тысячи расхождений влияют как на функционирование, так и на развитие мозга, что может объяснить, почему мозг человека больше и наделен большим интеллектом.

Одно исследование доказало, что гены, которые не подвержены метилированию в человеческом мозге, связаны с большей восприимчивостью к неврологическим, психическим и даже онкологическим заболеваниям.

Есть два хорошо изученных вымерших вида: неандерталец и денисовский человек. Ученые смогли изучить не только их геном, взяв ДНК из окаменелых костей, но и их эпигеном. Как ни странно, было доказано, что между этими древними людьми и современными людьми существуют различия в метилировании ДНК. Эти различия находятся в основном в генах, функция которых заключается в управлении развитием конечностей (гены HOXD), что объясняет анатомические различия между нами и нашими вымершими родственниками.

Геном мужчин и женщин совпадает… Хорошо, это не совсем так: ДНК ядра обычной человеческой клетки делится на 23 пары хромосом, как у мужчин, так и женщин, но есть одна пара хромосом, только одна, которая не совпадает с другими: женщины обладают парой Х-хромосом, а мужчины — одной Х-хромосомой и одной Y-хромо-сомой. Не будем шутить про то, что находится в Y-xpo-мосоме… хотя надо признаться, сдерживаемся с трудом.

Что представляется точным, так это то, что Y-хромосо-ма является фрагментом Х-хромосомы и в сравнении с другими хромосомами, которые составляют геном, ее размер крайне мал: настолько, что у некоторых самцов других видов она совсем исчезла из-за естественного отбора, что заставило многих ученых заподозрить, что и с нашим видом может произойти то же самое в очень далеком будущем.

К каким последствиям может привести исчезновение Y-хромосомы?

Не очень понятно. Дело в том, что непонятно даже, находится ли эта предельно важная для мужской фертильности хромосома под угрозой исчезновения. Недавнее исследование Калифорнийского университета в Беркли раскрыло секрет того, что же все-таки произошло с маленькой Y-хромосомой, состоящей всего из 27 генов, в ходе уже упомянутого естественного отбора: мало-помалу она избавлялась от менее важных, ненужных или неиспользуемых генов, чтобы остаться с теми, которые имеют значение и играют важную роль в организме. Так, согласно этому исследованию, отбор направлен не на избавление от лишнего, а на сохранение того, что действительно важно.

Рис. 2. Изображение хромосомы X и Y человека. Мужчины обладают набором X/Y, а женщины — Х/Х, но в этой паре одна из Х-хромосом эпигенетически неактивна. Обратите внимание на малый размер Y-хромосомы по сравнению с Х-хромосомой: считается, что Y-хромосома эволюционно происходит от Х-хромосомы

В любом случае у нас уже новая теоретическая проблема: то ли у женщин лишняя Х-хромосома, то ли мужчинам еще одной не хватает.

И чтобы справиться с этой проблемой, мудрая, но жестокая природа уже давно решила эту задачу, достав джокер из рукава. Да, вы угадали: эпигенетика!

Оказывается, что в паре Х-хромосом у женщин одна из них совершенно неактивна, поэтому она и не нужна мужчинам.

Эта дезактивация одной из Х-хромосом у женщин происходит на раннем этапе развития из-за двойного эпигенетического механизма: женская Х-хромосома, которая будет выключена, производит молекулы под названием некодирующие РНК (молекулы РНК, которые не содержат информацию для формирования белков) — они как магнит притягивают метилирование ДНК к этой хромосоме, замотанной как клубок ниток.

Аллели — два варианта, в которых представлен ген диплоидного организма. Человек имеет на каждый ген два аллеля, которые могут быть одинаковыми или различными.

Диплоид — организм, клетка или ядро, которые содержат 2 набора хромосом. Мы, люди, обладаем 46 хромосомами, 23 передались нам от отца и 23 — от матери.

Что касается секса, здесь кроется еще одно эпигенетическое различие между мужчинами и женщинами. И речь не о том, как именно они им занимаются на практике, а об отношении к физиологическим затратам беременности. Происходит то, что называется «битвой полов», но на уровне наших генов, поскольку мы говорим о битве, которая, как вы вскоре убедитесь, разгорается на уровне эпигенетики.

Получается, что человеческой самке, как и большинству других самок млекопитающих, с точки зрения организма энергетически выгоднее иметь мало детей и хорошо о них заботиться, а вот самцам лучше иметь больше детей и надеяться, что как-нибудь кто-нибудь из них выживет. Особенно сильно эта разница заметна в плаценте: в нашем организме каждый ген представлен в двух копиях (так называемых аллелях), одной от отца и другой от матери, и в большинстве тканей активированы обе копии, но в плаценте есть гены, которые демонстрируют активность только одной копии, материнской или отцовской. Этот феномен известен под названием геномного импринтинга, то есть процесса, во время которого мужские и женские половые клетки оставляют метку, или специальный след, на некоторых хромосомных участках. Другими словами, путем геномного импринтинга ген оказывается биохимически помечен специальным способом, который зависит от пола родителя. Материнские гены задерживают рост, а отцовские его стимулируют. Метилирование ДНК — судья, который решает, какой ген победит.

Геномный импринтинг — биологический процесс, при котором один из аллелей экспрессируется в зависимости от его происхождения — от матери или от отца.

Речь идет об одном очень интересном процессе, в котором участвуют некодирующие РНК (как те, о которых мы говорили в связи с Х-хромосомами), а изменения в этом процессе могут повлечь за собой серьезные проблемы со здоровьем, например синдром Ангельмана (обусловленное генетическими аномалиями заболевание, характеризующееся постоянным состоянием ложной радости, иногда со смехом, задержкой умственного развития, нарушением речи и координации движений) или синдром Прадера — Вилли (причиной которого является нарушение в хромосоме 15, что влечет за собой задержку роста и отклонения в интеллектуальном развитии, проблемы с поведением и медленное развитие психомоторики).

В обоих случаях эти синдромы вызваны в основном отсутствием фрагмента хромосомы. Эта потеря обычно происходит в течение мейоза из-за ошибок в кроссинговере. А что такое мейоз?

Сейчас объясним. Наши клетки имеют набор из «2п» хромосом (то есть набор из «п» хромосом от отца и другие «п» хромосом от матери). В процессе формирования гамет — яйцеклеток и сперматозоидов — количество хромосом 2п должно уменьшиться вдвое, чтобы, когда произойдет оплодотворение, то есть слияние двух клеток с количеством хромосом, равным п, у нас снова был набор из 2п хромосом. Это достигается благодаря мейозу, процессу деления собственно половых клеток, который сокращает количество хромосом в два раза, при этом происходит обмен последовательностями ДНК внутри каждой пары хромосом в процессе кроссинговера (рисунок 3). Благодаря этому увеличивается разнообразие вариаций генетической информации, которая передастся потомству, поскольку дети будут наследовать не те же самые хромосомы, а смесь хромосом родителей.

Любопытно, что в случае с синдромами Ангельмана и Прадера — Вилли наблюдается, что одно и то же отклонение в хромосомах (отсутствие фрагмента ql 1-q 13 15 хромосомы) приводит к различным патологиям в зависимости от того, отсутствует фрагмент материнской или отцовской хромосомы.

На этом участке хромосомы находятся важные гены, которые были импринтированы, то есть из двух аллелей каждого гена один был метилирован, а следовательно-выключен, а другой — активирован. Если быть точнее, ген, названный UBE3A, экспрессируется в материнской хромосоме, вто время как ген SNRPN экспрессируется только в отцовской хромосоме. Поэтому отсутствие гена UBE3A в хромосоме, унаследованной от матери, не может быть компенсировано отцовским аллелем, так как он будет метилирован (с последующим появлением синдрома Ангельмана), в то время как отсутствие гена SNRPN в хромосоме, унаследованной от отца, не может быть компенсировано материнским аллелем, поскольку он тоже будет метилирован и выключен (в этом случае разовьется синдром Прадера — Вилли).

Рис. 3. Процесс мейоза, начиная с которого формируются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки): на основе одного генома в двух копиях возникают геномы в одной копии.

Когда они снова объединяются во время оплодотворения, мы получаем две обычные копии в потомстве

Некодирующие РНК содержат информацию, которая не используется для создания белков. Существует великое множество некодирующих РНК, и их функции различны. Например, они регулируют экспрессию генов (этим занимаются микроРНК и длинные некодирующие РНК), выключают участки хромосом (Xist или piPHK), участвуют в синтезе белка (транспортные РНК) и в так называемом сплайсинге, то есть вырезают из матричной (информационной) РНК не кодирующие белок участки и склеивают то, что осталось.

У человеческих существ пол определяется набором хромосом и обусловливается половыми различиями (половой диморфизм) между мужчинами и женщинами, с соответствующими изменениями на гормональном уровне, которые могут, например, повлиять на функционирование различных частей нашего организма. Один из таких случаев — заболевание под названием системная красная волчанка, которая в десять раз чаще встречается у женщин, чем у мужчин; это происходит, среди прочих причин, из-за влияния эстрогенов (женских гормонов).

Мы не одиноки.

На протяжении веков люди поднимали взгляд на звезды, задаваясь вопросом, есть ли кто-нибудь еще на других планетах, кто бы нас понял, был бы с нами, вошел бы в нашу жизнь… На самом деле такое поведение — постоянный поиск чего-то еще — снова и снова определяет нашу историю, является частью нашей видовой специфики.

Но для того, чтобы ответить на вопрос, который человечество задает на протяжении тысячелетий, возможно, следовало бы обратить внимание на нас самих, нашу ДНК, вместо того чтобы всматриваться в небеса. Потому что наш геном — и это не предположение, а факт — населен миллионами существ: целой вселенной из последовательностей, которые берут начало из множества источников и которые мы приобрели в процессе эволюции.

Дело все в том, что мы испытываем непомерную гордость по поводу того, какие мы: не иначе как высокомерные и антропоцентричные представители вида Человек разумный, самые развитые существа, хозяева планеты Земля, короли мира. Но нам определенно не помешает знать, что большая часть нашего генома нам не принадлежит. Действительно, это будет лечение унижением, которое нам не повредит.

Что? Как такое может быть?

Очень просто, потому что наша ДНК кишит молекулярными паразитами, вирусными и псевдовирусными последовательностями, которые некогда встроились в наш генетический материал. При внимательном рассмотрении оказывается, что эти последовательности вовсе не дружелюбные, никаких полезных для человека намерений они тоже не выказывают, наоборот, как примерные пришельцы, явившиеся из другого мира, как идеальные ультратела родом из неизвестных мест, они просто ищут то же, что и все посетители нового мира: выжить и продержаться как можно дольше любыми способами. Хотя, если задуматься, в этом смысле они не так уж и отличаются от нас.

Но не будем отвлекаться и вернемся к этим любопытным (и даже немного загадочным) вирусным и псевдовирусным последовательностям. Если бы мы позволили им действовать на свое усмотрение, наш геном превратился бы в хаос: эти подвижные последовательности начали бы «прыгать» от одного участка хромосомы к другому и, опасные, как обезьяна с гранатой, подвергали бы нас двойному риску. Во-первых, потому что смогли бы прикрепляться посередине к нашим генам, делая их неактивными, а во-вторых, потому что эти эндопаразиты, активируясь, могут «унести с собой» фрагмент гена, становясь причиной потери его активности.

Поэтому важно, чтобы наши молекулярные паразиты были спокойными, не высовывались.

И снова эпигенетика дает нам ответ на этот непростой вопрос: не кто иной, как наш старый приятель — метилирование ДНК, решающий фактор в борьбе с незваными гостями.

Как?

На данный момент мы знаем, что для завершения цикла, то есть для создания мРНК на основе последовательности ДНК, эти эндопаразиты должны быть транскрибированы. Так вот, метилирование отвечает за то, чтобы этого не случилось, двумя способами.

мРНК (матричная РНК, информационная РНК, и PH К) — один из типов РНК. Когда ген активируется, он транскрибируется, или копирует информацию на мРНК. Информация с этой мРНК в конце концов прочитывается в рибосомах и воспроизводит белок на основе информации, заключенной в ней.

Рибосома — структура, состоящая из белков и некодирующих РНК, которая служит каркасом для трансляции, то есть синтеза белков на основе информации, содержащейся в мРНК.

Первый из них заключается в том, чтобы добавить много метильных групп к ДНК (а именно к цитозинам) вокруг точного места, где должна возникнуть РНК эндопаразита. Так метилирование вмешивается в процесс транскрипции паразитического элемента, а эпигенетика нас снова спасает.

Другой метод, который использует метилирование для разрушения вирусных последовательностей, интегрированных в наш геном, заключается в стимулировании в нем генетических мутаций, так как метилированный цитозин более подвержен химическому изменению под названием дезаминирование, которое превращает метилированный цитозин в тимин. То есть когда ДНК метилирована, вероятность возникновения спонтанных мутаций увеличивается. Эта мутация обычно обозначает отсутствие активной РНК эндопаразита.

Трансляция — в контексте клетки это процесс, во время которого она копирует последовательность матричной РНК и согласно генетическому коду строит цепочку аминокислот. Трансляция происходит в цитоплазме клетки.

Так что в качестве заключения остается только один ответ на вопрос: а есть ли кто-нибудь там, снаружи? Предельно ясный ответ: да, кто-то есть, но внутри. Вывод: мы не одиноки, а в плохой компании. К счастью, метилирование ДНК всегда рядом — супергерой, способный заставить замолчать (или даже изгнать) наших нежеланных гостей.

Рис. 4. Механизмы транскрипции (процесс, который происходит в ядре клетки) и трансляции (процесс, который происходит в цитоплазме клетки)

Самые последние исследования молекулярной эволюции показывают, что эти нежеланные паразиты нашей ДНК проникли в наш геном из-за инфекций миллионы лет назад. Считается, что внедрение или введение их в организм удалось благодаря пользе, которую они могут принести (некоторые из этих элементов прижились, выполняя новые полезные для клеток функции, другие инактивировались из-за мутаций и эпигенетических механизмов).

В любом случае эти элементы остались интегрированными в геномы, став неотъемлемой их частью и передаваясь из поколения в поколение.

В геномах многих организмов мы можем найти так называемые транспозоны — способные к передвижению участки ДНК, которые у человека составляют примерно 45 % генетического материала.

Некоторые из них являются эндогенными ретровирусами, то есть копиями последовательностей вирусов, которые навсегда интегрировались в геном. Речь идет о мобильных (они способны «прыгать» с одной стороны генома на другую) генетических элементах, типы которых могут быть разными, как, например, ретротранспозоны (SINE, LINE) или транспозоны ДНК.

Считается, что человек не остров, и это правда — ну, как минимум в случае эпигенетики, потому что живые существа — это мы и наше окружение. Все, что вокруг нас, постоянно «говорит» с нами по разным причинам, но на единственном доступном языке — химических (и физических) модификаций.

Эпигенетика снова и снова оказывается в зоне взаимодействия между нашими генами и окружающей средой, превратившись в переводчика, который делает коммуникацию между этими двумя мирами возможной. Рассмотрим примеры.

Один из внешних факторов, который оказывает наибольшее влияние на нашу деятельность, — это питание. Риск развития многочисленных заболеваний, например рака или диабета, связан с нашими пищевыми привычками, так же как и различные отклонения в умственном и физическом развитии связаны с дефицитом питания.

Среди компонентов диеты, которые могут оказать наибольшее влияние на нашу эпигенетику, особое место занимают определенные питательные вещества, такие как витамин В₁₂ и фолиевая кислота, содержащиеся во многих овощах и орехах. Они играют важную роль в эпигенетике, потому что являются «донорами» метильных групп, которые контролируют нашу ДНК. Организм людей, страдающих циррозом или имеющих проблемы с печенью, не может правильно усваивать эти питательные вещества, их геном подвержен тотальному гипометилированию, которое присоединяется к их основному заболеванию.

Но осторожно, опасен как недостаток, так и избыток. В США, например, можно купить фолаты без рецепта, их используют для лечения депрессии, что выливается в чрезмерное употребление, которое с довольно высокой вероятностью может вызвать другой тип отклонения — гиперметилирование ДНК.

Потребление алкоголя в чем-то схоже с полиморфизмами. Существуют люди с медленным метаболизмом, из-за которого эффект от алкоголя наступает быстро и длится долго, в то время как другие люди слишком быстро его усваивают, поэтому более устойчивы к его коварному воздействию. По аналогии существуют быстрые и медленные «метилировщики», что также определяет соотношение между эпигенетикой и питанием.

С другой стороны, внимание многих привлекает тот факт, что пока большинство ученых безапелляционно утверждает, что алкоголь вреден как для нашего здоровья, так и для эпигенома, другие восхваляют достоинства полифенолов вина. Что же это все означает? Что алкоголь эпигенетически вреден всем? Что он вреден в разной степени, в зависимости от человека? Или что только некоторые его компоненты могут быть полезны?

Еще один фактор, который, без сомнения, может изменить наш геном, — это табак. Привычка курить, как мы все знаем, крайне вредна для здоровья во многих аспектах, и эпигенетические повреждения — один из них. Действительно, в первой главе мы рассматривали случай с однояйцевыми близнецами и влияние того, что один из них стал курильщиком, на очевидную эпигенетическую разницу.

Это происходит по той причине, что в табаке содержатся определенные компоненты, способные воздействовать на профиль метилирования наших клеток, что связано с большим риском развития многочисленных опухолей, в том числе рака легких и опухолей, локализованных в голове и шее. К ним обычно добавляют рак желчного пузыря, так как через него удаляются из организма метаболиты табака. Также нельзя забывать, что анализ клеток полости рта и дыхательных путей курильщиков, рак у которых был еще не диагностирован, показал существование эпигенетических отклонений, которые предшествуют появлению опухоли.

Однако, как бы это странно ни звучало, это хорошая новость. Как мы уже говорили, эпигеном подвижен и изменчив, так что если курильщик решит бросить, но эпигенетические изменения уже вступили в силу, есть шанс, что клетки «вспомнят» свой нормальный состав и частично вернутся к прежнему состоянию. Хотя, возможно, полностью восстановиться не получится (так как могли уже появиться более стабильные генетические повреждения), все же если мы бросаем курить, то сокращаем риск развития рака и увеличения наших эпигенетических повреждений. Это может быть применимо к другим респираторным заболеваниям, таким как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) или эмфизема легких. Все это доказывает, что неважно, сколько сигарет вы успели выкурить за все эти годы, в любом случае идея бросить курить просто замечательная как для вашего здоровья, так, конечно, и для тех, кто вас окружает.

Как мы уже говорили, табак воздействует на профиль метилирования и приводит к изменениям определенных аспектов нашей эпигенетики не только в метилировании ДНК, но и в модификациях гистонов и в микроРНК.

Самое интересное во всем этом то, что эпигенетика подвергается негативному влиянию не только у курильщиков, но и у их потомства: одно исследование доказало, что употребление никотина во время беременности и лактации приводило к нарушению уровня триглицеридов в крови и печени новорожденного из-за эпигенетических изменений в гистонах.

Еще одно исследование на мышах доказало, что токсичное влияние табака может эпигенетически передаваться из поколения в поколение, так что курение не только матери, но и бабушки увеличивает риск развития астмы у новорожденных.

После того как мы поговорили об алкоголе и табаке, которые наносят очевидный вред, чему немало примеров, заметных невооруженным глазом, нужно сказать пару слов о других факторах, которые кажутся нам почти незаметными, но тоже воздействуют на наш эпигеном. Один из них — излучение, и хотя существует множество его типов (которые мы не будем описывать, чтобы не беспокоить наших коллег-физиков), нет сомнений в том, что солнечное излучение влияет на нас больше всего.

Нам всем уже надоело слышать предупреждения о вреде солнца, несущиеся из каждого приемника, даже во время рекламы. Но правда в том, что это отчасти правильно: длительное воздействие солнечных лучей может иметь множество не самых приятных последствий для нашего организма, самое очевидное из которых — ожог кожи.

Естественно, обладатели более светлой кожи подвержены большему влиянию, но в целом все мы должны избегать солнца в полуденные часы, стараться сократить время пребывания на солнце, а также помнить о необходимости использовать защитные кремы, чтобы с нами не происходило того, что происходит с бледными англосаксами, которые по возвращении с побережья Коста-Брава в Манчестер привозят с собой не только сувениры с Рамблас, но и несметное количество предраковых клеток, появление которых вызвано солнечными ожогами.

С солнечными, а точнее, ультрафиолетовыми лучами происходит то же самое, что и с табаком и алкоголем: они могут стать причиной генетических мутаций, а также воздействовать на эпигенетические структуры. Действительно, были описаны случаи отклонений в профиле метилирования ДНК, метках гистонов и микроРНК. В конечном счете эти изменения могут быть связаны с большей предрасположенностью к заболеваниям, подобным раку кожи, во главе с меланомой.

Несмотря на все это, мы не можем забывать, что находиться на солнце необходимо, чтобы наш организм производил достаточно витамина D, который так важен для наших костей. Так что рекомендуется принимать солнечные ванны, но осторожно, чтобы избежать вреда для наших геномов и нашей эпигенетики.

Хотя мы собирались особо не вдаваться в подробности, говоря об излучении, нам все-таки кажется уместным напомнить, что существует ионизирующее излучение, используемое в медицине, например в рентгенографии, которая может навредить нашей ДНК на уровне генетики и эпигенетики, поэтому не будет лишним ограничить ее использование до необходимого минимума и избегать ее, в особенности в состоянии беременности.

И в завершение еще раз вернемся к ранее высказанной идее: иногда сама история ставит эпигенетические эксперименты, подобные ядерной катастрофе в Чернобыле, которая стала причиной анормального метилирования гена — супрессора опухолей (P16INK4A) и, как следствие, развития рака щитовидной железы. Что доказывает, не оставляя никаких сомнений, что любые излучения, и особенно радиация, оказываются вовсе не безвредны, какими бы невидимыми они ни были.

Наконец, мы не должны забывать, что мы, люди, сожительствуем в одной экосистеме с другими многочисленными существами, которые тоже могут изменить наш эпигеном: вирусные инфекции, например вирус Эпштейна — Барр, папилломы, гепатиты А, В и С или ВИЧ (СПИД), способны изменить распределение метилирования ДНК нашего генома, так как вирусы обладают собственными белками, которые «похищают» для своей выгоды наши эпигенетические белки (например, упомянутые нами ДНК-метилтрансферазы (DNMT) или ферменты, модифицирующие гистоны) с целью размножиться и спрятаться от нашей иммунной системы.

Вполне возможно, что в скором времени благодаря ученым, которые работают в сфере взаимодействия между микроорганизмами и эпигенетикой, мы станем свидетелями великих достижений в этой области. И этим мы обязаны относительно недавнему открытию о великой важности микрофлоры кишечника в определении нашего здоровья, а также наших болезней.

Объясним подробнее. Хотя это и кажется нам невероятным, желудочно-кишечный тракт занимает самую обширную площадь в человеческом теле и густо населен (от пятисот до тысячи!) различными видами бактерий: каждый из нас обладает набором из сотен микроорганизмов, в основном бактерий, которые населяют наш пищеварительный канал. Эти микроорганизмы выполняют множество полезных функций: от переваривания некоторых веществ до регулирования иммунной системы и производства некоторых витаминов. То есть они имеют большое значение.

На данный момент известно почти наверняка, что изменения во флоре кишечника влекут за собой важные эпигенетические изменения. Например, доказано, что многие инфекции патогенных микроорганизмов, то есть тех, что являются причиной заболеваний (например, вирус Эпштейна — Барр или гепатита В), способны вызывать эпигенетические отклонения, поэтому многие научные группы посвятили себя исследованию этого явления с целью открыть происхождение многих заболеваний и способы их предотвращения.

Флора нашего кишечника отчасти защищает нас от инфекций, что способствует снижению риска возникновения расстройств, которые могут повлиять на нашу эпигенетику и в конце концов привести к какой-нибудь болезни, поэтому исследования в ближайшие годы будут двигаться в этом направлении и, вполне возможно, эпигенетика (почему бы и нет) будет тесно со всем этим связана.

Как фолиевая кислота, так и витамин В₁₂ (или кобаламин, названный так из-за содержания кобальта) являются сопутствующими факторами (необходимыми молекулами, чтобы фермент функционировал), которые участвуют в образовании S-аденозилметионина (SAM) — молекулы, ответственной за донорство метильных групп. Следовательно, в наших интересах поддерживать баланс этих витаминов для того, чтобы наша ДНК, а также другие молекулы, такие как гистоны, правильно метилировались.

С другой стороны, было проведено множество исследований, которые установили, что люди с нехваткой фолатов более предрасположены к развитию депрессии и хуже отвечают на лечение антидепрессантами. Эти же исследования позволили доказать, что лечение фолатами способно снизить симптомы депрессии.

Холин и бетаин, содержащиеся в таких продуктах, как брокколи, шпинат или цветная капуста, также участвуют в формировании S-аденозилметионина — донора метильных групп.

Кроме того, в последнее время в научной литературе появляются исследования, которые доказывают, что различные вещества, содержащиеся в разных продуктах, могут повлиять на нашу эпигенетику. Например, сульфорафан — молекула, содержащаяся в брокколи, — способна регулировать эпигенетические процессы в иммунной системе, а также ингибировать аномальный рост опухолевых клеток in vitro, регулируя метилирование гена циклина D₂.

Однако нельзя терять из виду идею, высказанную в начале этой главы, что как недостаток, так и избыток может вызывать отклонения в нашем организме. В этом смысле нам вовсе не нужно, чтобы наша ДНК была «чрезмерно метилирована» или «недометилирована», она должна быть метилирована надлежащим образом, в соответствии с участком генома и временем.

Стало ясно, до какой степени наше питание, как и другие внешние факторы, может воздействовать не только на наше здоровье, но и на наш эпигеном. Это заставило многих ученых задуматься о соотношении эпигенетики и питания и, забежим вперед, о значимости типа питания.

То есть выходит, что генетически модифицированная пища воздействует на наш эпигеном по-другому, не так, как традиционная пища?

Вопрос с подвохом (особенно для параноиков, но мы решили рискнуть): совершенно точно, что до настоящего времени ни одно исследование не смогло убедительно доказать существование негативного влияния генетически модифицированных продуктов ни на здоровье человека в целом, ни на эпигенетику в частности.

Хорошо, мы знаем, что генетически модифицированные продукты не вредят нашему эпигеному. А если наоборот: есть ли такие продукты, которые благодаря особенностям выращивания могут принести пользу? Переформулируем вопрос: существует ли доказательство того, что органическая пища более полезна для нашего эпигенетического здоровья?

К сожалению, не существует однозначного ответа на этот вопрос, так как в настоящее время в научной литературе нет согласия по поводу потенциальной пользы потребления органической пищи для здоровья человека. И даже по поводу возможности того, что некоторые продукты могут иметь более высокий уровень содержания антиоксидантов, чем традиционные продукты. Благотворное влияние на наше здоровье увеличения потребления этих антиоксидантов тоже пока остается противоречивой гипотезой.

Рак стал точкой отсчета эпигенетических исследований болезней человека с момента открытия тотального гипометилирования генома в 1980-х, антионкогенов в 1990-х и первых эпигенетических лекарств в начале XXI века.

Однако мы не должны считать рак единственной болезнью, связанной с эпигенетикой, так как на самом деле любая патология, которая поражает человека, в большей или меньшей степени содержит эпигенетическую составляющую. Действительно, если мы задумаемся о болезнях с большим процентом смертности в странах Запада, то обязаны включить в этот список рак, а также нейродегенеративные и сердечно-сосудистые заболевания. На сегодняшний день уже начинают появляться новые открытия, связанные с эпигенетическими отклонениями, которые воздействуют и на две последние группы патологий.

Такие нейродегенеративные заболевания, как Альцгеймер и другие виды деменции, ужасны по многим причинам. Они обычно не убивают пациента напрямую, но развиваются от небольших потерь памяти до инвалидности и абсолютной зависимости от других даже при самых маленьких жизненных потребностях, что в итоге превращает человека в живого мертвеца.

Альцгеймер, в конечном счете, является болезнью, которая не только поражает пациента, но и сказывается на всем его окружении и предполагает огромные денежные затраты. Самое худшее — то, что мы еще не располагаем эффективными медикаментами для ее лечения.

Конечно, ее воздействие на социум настолько серьезно, что уже многие годы наука изучает эту болезнь в поиске причин ее появления и способов предотвращения или лечения. Благодаря этим исследованиям мы узнали, что классическая генетика отвечает только за 10 % случаев. А что с остальными 90 %?

Последние исследования доказывают, что эпигенетика играет не последнюю роль во многих случаях, так как было установлено, что химические модификации гистонов важны для кратковременной памяти, в то время как метилирование ДНК важно для долговременной памяти.

И наша команда, и другие исследовательские группы, изучая разные участки мозга (например, кору головного мозга) больных с нейродегенеративными патологиями, пришли к выводу, что аномальное метилирование некоторых генов имеет отношение к белкам, связанным с болезнью, в частности тау-белкам и бета-амилоидам. Благодаря этим наблюдениям начали проводиться испытания первых экспериментальных моделей Альцгеймера на мышах, чтобы убедиться, что эпигенетические лекарства окажут какой-либо эффект на эти патологии.

Совершенно ясно, что при сердечно-сосудистых заболеваниях, например атеросклерозе или инфаркте миокарда, генетические факторы (мутации в генах, которые усваивают холестерин) действуют заодно с диетами, богатыми жирами, но эпигенетика не дремлет, причем высовывается она настолько, что недавно мы смогли доказать, что артерия аорты пациента с атеросклеротическими бляшками обладает искаженным эпигеномом в сравнении с нормальными стенками сосудов.

В других случаях генетические и эпигенетические эффекты объединяются и доказывают, что генетика и эпигенетика, несмотря на все их различия, всегда идут рука об руку и разделять их не следует. Мы говорим о так называемых редких, или орфанных, заболеваниях, при которых мутировавший ген является эпигенетическим. Генетическое отклонение встречается в гене, связанном с метилированием ДНК, то есть с модификациями гистонов или некодирующими РНК.

На данный момент они еще не открыты. Последний появившийся метод лечения Альцгеймера — использование ультразвука с целью разбивать амилоидные бляшки, но это практически не связано с эпигенетикой.

А сердечно-сосудистые заболевания? Появится ли способ контролировать избыток «плохого» холестерина?

Уже сейчас используются статины с целью сократить уровень липополисахаридов низкой плотности, так называемого плохого холестерина.

Что касается эпигенетики, то доказано следующее: как модификации гистонов, так и метилирование ДНК являются важными процессами в регулирования сердечно-сосудистой функции, так что эти отклонения в эпигенетическом аппарате могут быть потенциально связаны с появлением подобных патологий. Так что можно смело рассматривать перспективу того, что в будущем мы сможем разработать лекарства, которые помогут предотвратить или вылечить подобные заболевания, которые — и мы должны об этом помнить — становятся причиной многочисленных смертей.

Как ни странно, доказано, что статины не только полезны для уменьшения уровня «плохого» холестерина, но имеют и противоопухолевое влияние при раке толстой кишки. Это влияние состоит в том, что они способствуют экспрессии одного белка, так называемого р27, который задерживает рост клеток благодаря действию статинов на компонент эпигенетического аппарата — белка EZH2.

На данный момент в исследовательских лабораториях используются специальные технологии с целью модифицировать экспрессию специализированных генов и даже исправить или «отредактировать» их последовательность. Эти технологии (они называются CRISPR) в будущем, возможно, смогут связывать эпигенетический ферменте конкретным геном, эпигенетический дефект которого мы хотели бы исправить (например, отправить фермент ЕУЕ2, который деметилирует ДНК, в промотор гена — супрессора опухолей, который был неправильно метилирован.

Существует предположение, что многие используемые медикаменты могут воздействовать на эпигенетику. Например, гидралазин, лекарство, использующееся для лечения гипертонии, способен блокировать метилирование ДНК.

Из всего вышесказанного следует, что проведение исследования побочных эпигенетических эффектов некоторых лекарств было бы своевременным.

Если и существует связь между метилированием и человеческими недугами, которая заслуживает отдельной главы в истории медицины, то это однозначно про онкологию. Дело в том, что рак также может считаться эпигенетической болезнью.

Под этим общим названием — онкозаболевания (вторая по частоте причина смерти после сердечно-сосудистых заболеваний) — объединены разнородные группы болезней, которые представляют собой проявление генетических и эпигенетических изменений, накопленных в клетках организма. Эти отклонения влекут за собой потерю механизмов контроля клеточного роста, что способствует неуправляемой пролиферации раковых клеток, их распространению в организме и проникновению в ткани.

Чтобы осознать тот беспорядок, к которому приводит неконтролируемое метилирование при раке, на короткое время мы воспользуемся метафорой, представленной более детально в первом разделе «Базового пособия»[1] (куда вы можете заглянуть в любой момент, если захотите углубиться в какой-нибудь из научных аспектов). Эта метафора представляет собой доступный д ля понимания пример: если наша последовательность ДНК была бы написанным текстом, стихотворением, песней, статьей или романом, эпигенетические модификации были бы знаками препинания и оформлением текста, например, шрифтом, строчными или прописными буквами и т. д. (параметрами, содержащими текстовую информацию, которая не передается исключительно буквами), в то время как генетика была бы этим самым алфавитом, буквами которого «записана» наша ДНК.

Хотя вся эта эпигенетическая информация и не кажется такой важной, как генетическая, поскольку все убеждены, что в книге главное — буквы, на самом деле, чтобы полностью понять смысл, одних лишь букв недостаточно: нужны знаки препинания — чтобы отметить ритм стихотворения, полужирный шрифт — чтобы отметить важное содержание, прописные буквы и отступы — чтобы подчеркнуть, что перед нами название, и отделить его от остального текста.

Разворачивая метафору: если мы представим ДНК как текст или книгу с инструкциями, а эпигенетику как знаки препинания, оформление, рамки, большие буквы, разные цвета, то можем также представить, что два аппарата, которые напечатали эту книгу, — это две группы меток (текст и другие знаки) и что действуют они независимо друг от друга. Сейчас представим на секунду, что 1 См. раздел «Что такое эпигенетика» в «Базовом пособии». печатная машинка, набирающая текст (то есть генетика), работает хорошо, а печатная машинка, ответственная за цвета, точки, отступы и рамки, наоборот, сошла с ума. Тогда произойдет неминуемое: несмотря на то что текст остался нетронутым (то есть буквы, из которых формируются слова), читать книгу будет очень сложно; даже если мы вообще найдем кого-нибудь, кто захочет попытаться, ему будет практически ничего не понятно.

Надеемся, что после такого объяснения вам стала предельно ясна разница между ролями генетики и эпигенетики в человеческом организме, которые так схожи при раковых заболеваниях.

Сейчас будем разбираться.

Описанная выше ситуация похожа на то, что происходит с раковыми клетками по части важности эпигенетики. На данный момент мы все еще не знаем причин, по которым аппарат метилирования дает сбой у онкопациентов. В обычных ситуациях динуклеотиды CpG 1 метилированы по всей длине генома, кроме CpG-островков, где концентрируется большая часть этих последовательностей. В раковой клетке, наоборот, начинается процесс прогрессирующего деметилирования динуклеотидов CpG, которые располагаются в участках генов, соответствующих кодирующей части. С другой стороны — и это кажется нам гораздо более существенным, — CpG-островки становятся метилированными, и это гиперметилирование CpG-островков приводит к транскрипционному сайленсингу контролируемых ими генов.

В течение последних лет был выявлен механизм, с помощью которого происходит этот феномен, но причины развития аномального гиперметилирования CpG-островков неизвестны, и на данный момент разгадать мотивы или обнаружить триггеры этого развития — одна из первоочередных задач многих лабораторий, которые сосредоточили свое внимание на изучении эпигенетики рака. Зато абсолютно точно известно, что гиперметилированию подвержены гены, которые являются основополагающими для сдерживания неконтролируемой пролиферации в клетках. Это метилирование дает возможность некоторым белкам, например МеСР2 и другим членам его семейства, проявлять активность на этих метилированных островках и путем модификации хроматина подавлять экспрессию этих генов.

Метилирование CpG-островка гена — супрессора опухолей было впервые описано в 1989 году, всего несколько лет спустя после открытия первой мутации онкогена. Однако если генетические повреждения стали центром научных изысканий на тему рака и монополизировали интерес онкологов, то эпигенетические повреждения начали изучаться всего несколько лет назад.

Динуклеотиды CpG в человеческом геноме были сокращены до наименьшего возможного количества по статистической причине: считается, что в процессе эволюции зародышевой линии, которая превращает метилцитозин в тимин, приняло участие спонтанное дезаминирование — химическая модификация. Однако половина промоторных зон генов содержит участки, насыщенные CpG — уже так часто упоминавшимися CpG-островками. Хотя большинство островков связано с генами, которые экспрессируются повсеместно (гены «домашнего хозяйства»), какие-то из них находятся на генах с тканеспецифичной экспрессией. Вопрос о том, как и каким именно изменениям подвергается метилирование тканеспецифичных генов, до сих пор не решен.

Нормальные CpG-островки не метилированы ни на какой стадии развития, что способствует отдельной экспрессии генов, если соответствующие транскрипционные факторы на месте и структура хроматина не препятствует процессу. В трансформированной или злокачественной клетке некоторые CpG-островки генов-супрессоров опухолей становятся гиперметилированными, и говорим мы, возможно, о феномене, который прогрессирует, в отличие от мутации, которая появляется внезапно. Возможно, окончательному формированию гиперметилирования, необходимого для транскрипционного сайленсинга, предшествуют волны необратимого гиперметилирования.

Две очевидные теории были выдвинуты для объяснения отклоняющегося от нормы метилирования de novo. Первая гипотеза утверждает, что нарушенное метилирование в качестве точки отсчета имеет нормальные центры метилирования, окружающие CpG-островок, который в обычной клетке, как правило, не метилирован. Вторая предполагает, что первый очаг нарушенного метилирования появляется и действует как центр, из которого происходит разрастание метилирования.

Другой интересный вопрос, который нас волнует: почему некоторые островки оказываются метилированными.

Одно из возможных объяснений кроется в том, что DNMT не могут распознать правильные последовательности и метилируют островки, которые обычно ими не воспринимаются. Эти спекуляции порождают важный вопрос: почему в раковых клетках некоторые CpG-островки оказываются гиперметилированными, в то время как другие не метилируются вообще?

Механизмы клеточной селекции, то есть эволюции клеток не на уровне организмов и не на уровне видов, а внутри наших тканей, приходят на помощь, чтобы объяснить этот момент.

Каждая раковая опухоль обладает собственной вселенной, со своими собственными законами внутри организма, в котором она растет. Опухоль — изменчивое создание и обладает куда большей способностью к пролиферации, чем организм, который она поражает, потому что клетки опухоли решили нарушить законы, которые регулируют рост и запрещают бесконтрольное деление, нормы, которым подчиняются клетки этого организма. Скорость событий, которые происходят в опухоли, дает возможность наблюдать феномен эволюции в небольшом масштабе и в реальном времени и способствует пониманию механизмов опухолевой эволюции, что в будущем поможет нам победить этот недуг.

Эволюция, как мы уже убедились, управляет судьбой всех живых существ в любых условиях. Поэтому естественный отбор действует даже в небольшом масштабе, внутри опухоли. Опухолевая клетка во многих случаях становится жертвой неконтролируемой деятельности DNMT, что приводит к гиперметилированию CpG-островков многих генов. Это гиперметилирование предполагает транскрипционный сайленсинг гиперметилированного гена или, другими словами, гиперметилированный ген перестает экспрессироваться. На данный момент причины, по которым DNMT начинают метилировать определенные CpG-островки, неизвестны.

Однако совершенно очевидным представляется то, что гиперметилирование одних генов имеет большее воздействие, чем гиперметилирование других: влияние нарушенного метилирования ДНК различно в зависимости от генов, которые ему подвержены, так как очевидно, что когда метилированы гены, не имеющие никакого отношения к пролиферации, влияние заметить невозможно.

В этих ситуациях ткань не обогащается клетками с нарушенным метилированием, потому что метилирование в этих генах не дает никакого преимущества, так как речь идет о генах, незначительных с точки зрения пролиферации. Но некоторые гены необходимы, чтобы обязать клетки уважать законы организма. Необходимы, например, гены, которые в условиях нормального функционирования не позволяют клеткам бесконтрольно делиться. Другие гены, также очень нужные организму, отвечают за сведение до минимума риска мутации, которая может угрожать функционированию системы. Гиперметилирование всех этих генов выключает их экспрессию, и, как следствие, клетка превращается в раковую.

Например, ген BRCA1 гиперметилирован в опухолях молочной железы и яичника исключительно потому, что в этих опухолях отсутствие РНК гена BRCA1 имеет важные последствия, которые не выявляются в других тканях.

Похожее объяснение можно найти в случае с геном MLH1: эпигенетический сайленсинг этого гена бывает исключительно в опухолях толстой кишки, желудка и эндометрия, но его инактивация дает преимущество в этих тканях, мы объясним это далее. Эту дарвиновскую концепцию подтверждают классические генетические исследования. Мутации гена BRCA1 преобладают в опухолях яичников и молочной железы. В свою очередь, мутации в MLH1 происходят при колоректальном раке, раке желудка и карциноме эндометрия: существует идеальное соотношение между миром генетики и эпигенетики.

При изучении профиля метилирования опухолевой ткани оказывается, что все эти гены, важные для поддержания клетки в строю, гиперметилированы. Метилирование дало опухолевым клеткам преимущество перед неметилированными. В данном случае метилирование можно сравнить с воздействием мутаций, потому что они передаются из поколения в поколение.

Наконец, стоит напомнить, что рак — такая же болезнь, как и другие, с множеством путей развития и генных повреждений, которые необходимы, чтобы управлять развитием опухоли. Так что фенотип одной раковой клетки является следствием как минимум двух типов обстоятельств: генетических изменений (выраженных мутациями, делециями, расширениями или перемещениями участков ДНК) и эпигенетических отклонений, которые изменяют наследование состояний генной экспрессии. Последние обусловлены в основном формированием хроматина вокруг начальных точек генной транскрипции, связанных с метилированием CpG-островков, что происходит и в случае эпигенетических повреждений.

Наличие гиперметилирования CpG-островков влияет на гены, задействованные в клеточном цикле (pl6INK4a, pl5INK4b, Rb, pl4ARF), в репарации ДНК (BRCA1, hMLHl, MGMT), в канцерогенном метаболизме (GSTP1), в межклеточном соединении (CDH1, CDH13), в апоптозе (DAPK,TMS1) и т. д.

Последние исследования, проведенные на уровне полных геномов, позволяют утверждать, что в определенных типах клеток, например в клетках нервной ткани, происходит метилирование не только цитозина, за которым следует гуанин (CpG), но и в других контекстах, например цитозина, за которым следует аденин. Это будет важно в момент определения, с какими именно белками объединится эта метилированная ДНК.

Метилирование ДНК способно блокировать факторы транскрипции (объединения определенных белков), не-

обходимые для активации гена. Кроме того, метилированная ДНК может служить плацдармом для рекрутирования других белков, которые действуют как репрессоры транскрипции.

В целом метилирование ДНК связывалось с тем, что гены выключены и подавлены. Хотя на некоторых участках оно связано с большей активностью гена.

Что такое эпигенетическая терапия? В онкогенезе, то есть в формировании опухоли, эпигенетическая инактивация генов с помощью метилирования ДНК — такой же важный механизм, как и их инактивация из-за мутации.

Недавно ученые из британского Института исследований рака с базой в Саттоне (Лондон) заявили, что эпигенетическая инактивация генов — это большая движущая сила, чем инактивация генетическая. По их словам: «This is Just a mayor, mayor way in which tumors turn off genes they don’t want expressed» («Это как раз главный способ, которым опухоли выключают гены, экспрессия которых нежелательна»). То есть как будто бы опухолевая клетка сама выбирает гены, которые не должны быть экспрессированы, чтобы быть более онкогенной. Это утверждение показалось бы еретическим всего несколько лет назад, но в настоящее время большая часть исследователей признает, что метилирование ДНК (которому отведено много места в «Базовом пособии по эпигенетике») и, следовательно, хроматина играет центральную роль при раковых заболеваниях.

Таким образом, метилирование CpG-островков также является кандидатом на точку приложения терапевтического лечения опухолей, и поэтому использование препаратов, которые вызывают прогрессирующее деметилирование, стало точкой отсчета для новых методов лечения.

До этого момента внимание исследователей было сконцентрировано преимущественно на методах лечения, основанных на обратимости метилирования как способе запустить гены, которые были инактивированы метилированием. Эта обратимость контролируется с помощью ингибиторов DNMT. Однако необходимо понимать, является ли ингибирование метилирования ДНК токсичным для клеток, так как оно влияет на все метилированные гены.

Конечно, метилирование ДНК важно для развития организма, и лишение одной из трех известных нам DNMT смертельно для мышей, возможно, потому, что деятельность DNMT жизненно необходима в процессе эмбрионального развития. Однако, кажется, они менее значимы для взрослого организма, так как в основном их функция заключается в поддержании инактивированного состояния той части генома, которая должна оставаться неактивной. Поэтому в случае взрослой особи препараты, способствующие деметилированию, имеют менее ощутимое воздействие на дифференцированные клетки, чем на находящиеся в состоянии пролиферации, коими являются опухолевые клетки.

Одним из таких деметилирующих лекарств, применяемых уже много лет, является децитабин — молекула, структурно схожая с цитозином, но отличающаяся от нее тем, что она не может превратиться в 5-метилцитозин после внедрения в ДНК в процессе репликации. Результат использования децитабина — тотальное деметилирование, следствием которого является реактивация многих генов. Еще один ингибитор метилирования — прокаинамид, использовавшийся раньше для обезболивания.

Проблема тотального гипометилирования, появившаяся из-за использования этих препаратов, заключается в том, что они могут привести к отклонениям в хромосомной стабильности.

Другая группа лекарств, применяемых в качестве агента химиотерапии, состоит из ингибиторов деятельности гистондеацетилазы. Они напрямую воздействуют на ацетилирование гистонов. Существует как минимум пять групп белков с функцией гистонацетилтрансферазы и более трех с функцией гистондеацетилазы.

Ингибирование деятельности гистондеацетилазы приводит к гиперметилированию гистонов, так как ингибиторы не воздействуют на гистонацетилтрансферазы (ферменты, отвечающие за ацетилирование гистонов). Мы должны помнить, что ацетилирование гистонов связано с транскрипционной активностью (больше ацетилирования — больше транскрипции, и наоборот).

Как мы убедились, эпигенетическое лечение продвигается в направлении к активации генов, которые были выключены метилированием, посредством лекарств, способных направленно деметилировать пораженные гены. На данный момент некоторые фармацевтические компании уже исследуют возможность направленно включить или реактивировать гены, выключенные метилированием.

Поэтому, возможно, будущее эпигенетической терапии зависит от успеха этих разработок, которые позволят направленно реактивировать гены, выключенные по ошибке, без изменения — и это чрезвычайно важно — профиля экспрессии других генов. С другой стороны, с каждым разом мы все лучше узнаем мутации, присутствующие в человеческих опухолях, и значение этих открытий невозможно переоценить, так как уже доказано, что некоторые из этих мутаций влияют на гены, регулируемые эпигенетикой. Хорошая новость заключается в том, что многие из злокачественных опухолей, являющихся носителями повреждений специфичных эпигенетических генов, могут быть более чувствительными к описанным медикаментам или к другим разрабатывающимся новым лекарствам, подавляющим деятельность гистонметилтрансфераз и блокирующим бромодомены, которые являются ключевыми участниками упаковки ДНК в ядре. Надежды на успех лечения этими лекарствами больше при опухолях мягких тканей, например саркомы, и детских опухолей, подобных нейробластоме.

В зависимости от опухоли существуют различные типы лечения, многие из которых известны широкой публике:

• Хирургия: удаление опухоли.

• Радиотерапия: использование излучения с целью уничтожить канцерогенные клетки.

• Химиотерапия: использование химических веществ.

• Иммунотерапия: например, использование антител.

• Гормональное лечение: рост некоторых опухолей зависит от определенных гормонов, и их блокировка поможет избежать роста опухоли.

Это только некоторые технологии, применяемые довольно часто. Конечно, наука день ото дня двигается вперед, к победе над раком, и новые открытия случаются постоянно.

На данный момент существует множество эпигенетических лекарств, одобренных для лечения некоторых типов лейкемии и лимфомы. Более того, на стадии доклинических исследований находятся другие молекулы, которые действуют на уровне других компонентов эпигенетического аппарата и могут служить для лечения не только лейкемии и лимфомы, но и саркомы или нейробластомы — самых частых педиатрических опухолей.

Следующим шагом будет использование этих эпигенетических лекарств для лечения тканевых опухолей. В отличие от лейкемии, тканевые опухоли более разнообразны, более сложны, так что в этой области будет крайне полезна комбинация эпигенетических лекарств с другими лекарствами, которые уже являются частью терапевтического арсенала.

Как мы уже говорили, проблема эпигенетических лекарств заключается в отсутствии избирательности (они действуют на все клетки, опухолевые они или нет, и влияют на весь эпигеном, а не только на поврежденные участки). Ученые работают в направлении создания лекарств и способов лечения, которые смогут управляемо выполнять свои функции и только на тех участках, где появилось эпигенетическое отклонение, которое привело к появлению болезни.

В то время как генетика, кажется, уже состоялась как наука, эпигенетика находится в стадии созревания. Однако, несмотря на ее молодой возраст, хочется верить, что все же большая часть открытий уже сделана, хотя многое еще предстоит. Невозможно отрицать, что мы продвинулись довольно далеко — от первых идей Уоддингтона о существовании наследования, связанного не только с ДНК, до современных технологий массового секвенирования эпигенома.

На сегодняшний день эпигенетика как дисциплина признана по всему миру, и достижения тех, кто посвятил себя этой науке, публикуются в самых престижных научных и медицинских журналах. Но многие из нас все еще помнят моменты, когда наши коллеги на конгрессах использовали время представления эпигенетических данных для походов в туалет… Сейчас же конференции по эпигенетике — «звезды» биомедицинских конгрессов, с залами, всегда заполненными публикой.

С другой стороны, мир гистонов, этих многофункциональных белков в форме шара, вокруг которых ДНК оборачивается, как клубок шерсти, тоже усложняется, так как сегодня мы знаем, что каждый классический гистон (Hl, Н2А, Н2В, НЗ и Н4) имеет варианты, или изоформы.

Пока мы занимаемся гистонами и гидроксиметилированием, все разнообразие загадочного мира некодирующей РНК — 45 % нашего генома — так и продолжает функционировать, спокойно ожидая своей очереди и зная, что за все эти годы исследований мы смогли всего лишь набросать эскиз ее «скелета».

Но каждая новая щель, каждое отверстие, которое мы открываем, проливает немного больше света. Например, мы знаем, что очень маленькие некодирующие РНК, называемые piPHK, необходимы для развития яичек и что, с другой стороны, существуют очень длинные некодирующие РНК, которые действуют как якоря, чтобы захватывать другие молекулы (кольцевые РНК). Существуют также некодирующие РНК, закрученные против часовой стрелки, которые растут в направлении, противоположном остальному геному, и регулируют другие гены… Это как вселенная, населенная бесконечными матрешками, которые при открывании показывают нам следующую, меньшую по размеру куклу внутри, и мы должны ее внимательно исследовать, изучить… и т. д.

Многие из этих новых открытий являются плодом технологического прогресса, то есть стали возможны благодаря тому, что исследователи располагают новым оборудованием и технологиями, которые позволяют им ставить эксперименты и проводить исследования. И это подводит нас напрямую к следующему разделу.

К сожалению, зачастую границы нашего прогресса обусловлены не экспериментальными, а финансовыми возможностями. Отсюда и необходимость продолжать вкладывать самым решительным образом силы и средства в исследования и знания. В настоящее время наша команда и некоторые другие, занимающиеся эпигенетическими исследованиями, уже получили полные данные об эпигеноме человека, собаки, кошки, мыши, растений… и о многих патологиях, которые нас поражают, таких как рак, Альцгеймер или атеросклероз.

Также мы получили первые примеры эпигенома, отвечающего за старение человека, благодаря исследованию изменений в метилировании ДНК у индивидов с рождения до девяноста лет. Это позволило нам доказать, что эпигеном, который вырождается и делает геном более хрупким (например, преждевременное старение при прогерии или синдроме Гетчинсона — Гилфорда), связан с изменениями в метиломе.

Однако существует всего пара десятков случаев, когда мы получили полный эпигеном, поэтому нам нужны еще сотни или тысячи исследований, чтобы прийти к еще более убедительным выводам об испытуемых, особенно в части того, что касается наследования приобретенных признаков или роли «темного» генома в наших клетках.

Мы уверены, что скоро будем поражены удивительными возможностями новых технологий, которые предоставят нам возможность с помощью трехмерного измерения узнать, какая часть эпигенома хромосомы взаимодействует с другим участком, эпигенетически регулируемым в другой, далекой хромосоме. Таким образом, ждем момента и готовимся надевать ЗЭ-очки, чтобы изучать эпигеном!

Медицина извлекает пользу из сделанных открытий, но пока первые диагностические анализы, основанные на эпигенетике, все еще довольно редки в клинической практике. Однако недавно был утвержден анализ, основанный на статусе метилирования ДНК, определяющий рак толстой кишки по фекалиям, и уже существуют похожие анализы для выявления рака простаты. Эти анализы используются, когда диагностика не дает точного результата или чтобы предсказать реакцию опухоли на химиотерапию.

В настоящее время лаборатории всех крупных фармацевтических компаний располагают программами исследования новых эпигенетических лекарств, в которых используются в высшей степени роботизированные технологии для сортировки тысяч составляющих. Уже существуют пациенты, у которых была диагностирована опухоль лимфатической железы и злокачественные трансформации кровяных клеток, вылеченные благодаря существованию эпигенетических лекарств.

Поэтому наша цель — расширить применение этих технологий для лечения других типов рака.

Прежде всего мы хотим отметить невероятную важность профилактики. Мы должны осознавать необходимость избегать агрессивной окружающей среды, которая может навредить нашему прекрасному эпигеному. Мы никогда не перестанем настаивать на этом. Потому что, повторим еще раз, и погромче: ни один из нас не должен забывать, что лучше всего поддается лечению та болезнь, которой нет.

Можно сказать, что эпигенетика занимается изучением наследуемых признаков, не зависящих от факторов, которыми традиционно занималась генетика и которые не следуют тем же правилам.

Таким образом, если генетическая информация закодирована в последовательности ДНК, эпигенетика занимается изучением информации, которая может передаваться без кодирования в последовательности ДНК.

Метафора с буквами алфавита, о которой мы уже говорили, помогает нам лучше понять значение этой разницы: если мы представим, что содержащаяся в ДНК информация — эквивалент текста, букв в книге, то эпигенетические модификации будут шрифтом, полужирным или курсивным, прописными или строчными буквами, подчеркиванием, знаками препинания, в общем, информацией, не содержащейся строго в алфавите, но необходимой для понимания того, о чем говорится в книге.

Так что генетика — алфавит, а эпигенетика — его орфография и грамматика, и даже если основная информация содержится в тексте, форма, в которой она изложена также является важной, поскольку это не одно и то же: например, когда информация выделена большим заголовком или, наоборот, замаскирована под маленький текст. Эту стратегию передачи информации хорошо знают публицисты и журналисты, которые освоили ее использование лучше кого бы то ни было, чтобы наиболее эффективно доносить что-либо до читателя.

Похожим образом природа применяет код знаков, чтобы манипулировать данными, которые содержатся в ДНК, так что информация, встроенная в эпигенетические модификации, столь же важна, как и генетическая информация, то есть та, что записана «буквами» ДНК.

Чтобы углубиться в последствия эпигенетических эффектов и различных аспектов, связанных с эпигенетикой, нелишним будет маленькое повторение. Рассмотрим некоторые основные аспекты как в генетике, так и в молекулярной биологии.

Эпигенетические изменения не перестают удивлять ученых в последние десятилетия, но сейчас мы приближаемся к более научному, более рациональному определению эпигенетики, причем некоторые из вопросов, которые выдвигает современная наука, например что именно управляет формированием эмбриона после слияния яйцеклетки и сперматозоида, уже были заданы биологами XIX века. Они, сами о том не подозревая (поскольку термин «эпигенетика» не появится до второй половины XX века), заложили основу этой дисциплины.

Хотя эпигенетика не существовала (или ее так не называли), действительно было слово «эпигенез», которое впервые использовал в 1850 году ученый Каспар Фридрих Вольф, берлинец, родившийся в 1733 году и почитаемый сегодня как отец современной эмбриологии. Он получил докторскую степень в Университете в Галле за работу «Theoria Generations», которую написал в 25 лет и опубликовал в 1759 году. В этой работе Вольф восстанавливает теорию эпигенеза, ранее выдвинутую Аристотелем и Уильямом Гарвеем, в которой утверждается, что любая особь развивается из зиготы, или оплодотворенной яйцеклетки. Вольф, основываясь на очень точных наблюдениях и научных исследованиях, пришел к выводу о том, что у эмбриона разные органы развиваются из однородной недифференцированной массы благодаря некоей организующей существенной (эссенциальной) силе. Сегодня это утверждение кажется нам очевидным, но в свое время оно произвело фурор, так как восставало против теории преформации, безраздельно царившей в физиологии того времени. Согласно этой теории, организмы уже преформированы в семени. Это, чтобы вы понимали, то же самое, что утверждать, что каждое живое существо развивается из точной миниатюры взрослой особи, заложенной в сперме. Так, согласно преформациони-стам, развитие эмбриона представляет собой не что иное, как увеличение в размере уже существующих и сформированных органов, вызванное накоплением питательных элементов.

Новатор Вольф, наоборот, говорил не о маловероятной идее «разрастания», а о существовании процесса, при котором загадочные силы природы допускают формирование структур de novo из бесструктурных масс, делая слияние яйцеклетки и сперматозоида возможным. И эта магия, обозначим это таким образом, эта «существенная сила», как он ее назвал, была нечем иным, как эпигенезом.

С точки зрения современной науки (ни много ни мало два с половиной века спустя!), хотя Вольф и не осмелился предположить, какие именно силы отвечают за организацию материи, которая позволяет зиготе создавать организм, можно сказать, что отчасти его теория уже тогда признавала процессы перепрограммирования и контролируемой регуляции генетической экспрессии.

Однако термин «эпигенетика» сам по себе появился только в 1942 году, когда Конрад Уоддингтон, профессор Эдинбургского университета, предложил его для определения соотношения между генотипом и фенотипом. Уоддингтон родился в 1905 году и провел первые годы жизни в Индии, учился в Кембридже, где окончил отделение палеонтологии и геологии, но вскоре его привлекла генетика, причем до такой степени, что он стал блестящим эмбриологом, генетиком, биологом и даже философом. Благодаря своим исследованиям и достижениям он сформулировал многие концепции генетической канализированности (также используются термины «автономность», «авторегуляция»), генетической ассимиляции и эпигенетического ландшафта, с помощью которых сделал предположение о противопоставлении процессов, которыми занимается генетика, то есть наследования, и механизмов, которыми занимается эпигенетика, по которым генотип становится основой для фенотипа.

Хотя в тот момент Уоддингтон не мог предложить никакие модели механизмов и работы эпигенетических процессов, его определение и особенно принятие существования двух разных типов развития, задействованных в наследовании, сделали его прародителем эпигенетики и принесли ему признание и награды. Его вклад был настолько значителен, что позволил ему открыть первую эпигенетическую лабораторию в 1950 году.

Определение Уоддингтона оставалось нетронутым в течение десятков лет, пока в 1987 году его не переформулировал молекулярный биолог Робин Холлидей — один из первых ученых, который использовал молекулярную биологию в изучении процессов старения. Свое детство он провел, переезжая с места на место со своей семьей, затем поступил в Кембридж, а в 1953 году, когда будущий ученый учился на последнем курсе, была расшифрована структура двойной спирали ДНК. В 1954 году, за год до окончания университета, после участия в конференции, посвященной этому открытию, он решил, что хочет посвятить все свои силы генетическим исследованиям. Он добился выдающихся результатов, и его исследования и открытия дали толчок невероятному прогрессу в этой области. В 1964 году он, например, предложил модель рекомбинации, то есть обмена генетической информацией между молекулами ДНК, которая был назван в его честь — «структура Холлидея». Речь идет о чрезвычайно важной модели, поскольку она предлагает объяснение тому, как две гомологичные молекулы ДНК могут скрещиваться и обмениваться генетическим материалом.

Десять лет спустя, в 1975 году, Холлидей смог доказать, что метилирование ДНК влечет за собой сайленсинг генов у млекопитающих. До самой своей смерти в 2014 году он не переставал работать и заниматься исследованиями. Однако, по нашему мнению, самое выдающееся его достижение заключалось в том, что он дал ясное описание того, что такое эпигенетика и чем она отличается от генетики. Он сделал это самым точным образом, после его объяснения никакие слова больше не нужны:

Когда мы говорим об экспрессии генов, то имеем в виду момент, в который гены «говорят».

Что говорят гены? Да, это нужно объяснить: в генах содержится информация для формирования белков, так что когда ген экспрессируется, он активируется и его информация считывается для формирования конкретного белка.

В 1994 году, семь лет спустя после того как Робин Холлидей сформулировал свое первое определение эпигенетики (процитированное выше), он предложил два новых варианта этой дефиниции, в первую очередь указав на то, что изменения в экспрессии генов появляются не только в процессе развития, но и во взрослом состоянии организма. Опираясь на этот нюанс, Холлидей переформулировал определение эпигенетики: это «изучение изменений в экспрессии генов, которые происходят в организмах с дифференцированными клетками, и митотическое наследование имеющихся паттернов экспрессии». Кроме того, он сделал акцент на том, что его определение «ничего не говорит о механизмах, и поэтому подразумевает любой вид взаимодействий белков и ДНК, а также изменения на уровне ДНК».

Это новое определение, в свою очередь, обозначило новую проблему: наследование паттернов экспрессии генов. Холлидей подчеркивал, что ДНК может быть подвержена необратимым изменениям, которые влияют на последовательность, и эти модификации передаются следующим поколениям. С другой стороны, «возможно, существуют связанные с экспрессией генов изменения, наследуемые напрямую, которые могут быть обратимы в последующих стадиях и не подразумевают изменения ДНК», или, другими словами, «клеточное наследование, не основанное на различиях в последовательности ДНК». Холлидей почти пришел к определению современной концепции эпигенетики, которое окончательно сформировалось, сочетая в себе идею изменений в экспрессии генов и способности этих изменений передаваться по наследству.

И вот перед нами финальное (но это только на данный момент) определение эпигенетики, которая с этими последними дополнениями, все еще словами Холлидея звучит так: «изучение изменений в генетической функции, которые наследуются без изменения в последовательности ДНК».

Хорошо, а сейчас, когда мы уже определили границы эпигенетики, может, мы уже остановимся и пойдем отдохнем?

Ну уж нет! Наука должна двигаться вперед, и сейчас самое время, чтобы задавать новые вопросы, а именно:

О каких изменениях в функционировании генов мы сейчас говорим?

Почему они так важны и в каких ситуациях происходят?

До настоящего времени мы говорили об эпигенетических изменениях без углубления в природу этих вариаций. В научном сообществе эпигенетические изменения долгие годы считались скорее чем-то мистическим, чем осязаемой и измеримой реальностью.

Это происходило из-за того, что традиционной генетике казалось парадоксом, что два аллеля могут иметь ту же самую генетическую последовательность, но разные возможности наследования. Это противоречие разрешалось предположением, что, помимо последовательности ДНК, наследовалось также состояние экспрессии или активированности генов, которое было установлено и унаследовано с помощью некоей модели, заключающейся в том, что аллель может быть в «закрепленнном» или «нетронутом» состоянии в зависимости оттого, работает эта модель или нет.

Напротив, на сегодняшний день мы знаем, что эпигенетическое воздействие основано на одной из физических модификаций, которая определяет возможности экспрессии аллеля. Эти модификации идентифицированы и могут быть двух типов: с одной стороны, те, что напрямую влияют на молекулу ДНК, и с другой стороны, те, что имеют место не в ДНК, а в гистонах — белках, связанных с ДНК.

У ДНК есть собственный язык, состоящий из четырех оснований, или букв А, Т, Ц и Г, которые соответствуют аденину, тимину, цитозину и гуанину соответственно. Эти основания распределяются одно за другим, формируя огромную цепочку, или нить, ДНК. Интересно, что нить ДНК не изолирована, а прикручивается к другой нити ДНК таким образом, что вместе они формируют спираль — знаменитую двойную спираль ДНК. В этой двойной спирали каждое основание, которое составляет ДНК, находится напротив комплементарного ему основания и связано с ним химически (рисунок 5), и эта комплементарность всегда является сочетанием аденина и тимина (или наоборот) и цитозина и гуанина (или наоборот).

Рис. 5. Двойная цепочка в спирали ДНК в процессе репликации, чтобы создать «дочерние» двойные цепочки (на рисунке А соответствует А, Т — Т, G — Г, С — Ц)

Метилирование ДНК, то есть добавление химической группы, называемой метильной группой, к другому веществу, имеет глубокое воздействие на форму экспрессии генов. Как если бы речь шла о письменном языке, ударение на основании Ц (цитозин) с метильной группой имеет собственные правила. Обычно цитозин метилирован, когда за ним следует гуанин. То есть метилирование цитозина появляется в комбинациях цитозин-гуанин (CG) или CpG (где «р» обозначает фосфат, который скрепляет цитозин и гуанин).

Так как ДНК состоит из комплементарных цепей, метилируется как цитозин, являющийся частью последовательности CpG, так и цитозин из комплементарной последовательности. Но самое важное заключается в том, что эти «ударения» должны быть прочитаны механизмом в ядре клетки. Это как если бы ДНК благодаря такой постановке ударений передавала двойную информацию: ту, что предназначается для определенной последовательности, и ту, что появляется благодаря ударениям над некоторыми Ц.

При метилировании ДНК появляется любопытный феномен: один и тот же физический субстрат — тот же самый текст — используется для предоставления двойной информации. Это как смотреть фильм с субтитрами. С одной стороны, есть сообщение, закодированное в текст, привычным нам языком букв, и с другой — есть метилирование, которое расставляет акценты на определенных словах в последовательностях CpG, чтобы транслировать второе сообщение, до этого неизвестное.

Последовательность ДНК млекопитающих показывает, что комбинация CpG не так уж и распространена в их геноме. Цитозин и гуанин по отдельности появляются довольно часто, но комбинации CpG единичны. С другой стороны, анализ генома также показывает нам, что распределение динуклеотидов CpG неоднородно, так как хотя глобально эти CpG последовательности довольно частотны, все же появляются короткие участки, где их плотность повышена. Эти участки называются CpG-островками именно потому, что на этих участках длиной от 500 до 2000 оснований ДНК частотность CpG очень высока. Однако самое интересное заключается в том, что эти CpG-островки не связаны ни с одним из перечисленных факторов, но, как правило, они совпадают с регуляторными участками генов.

Напомним, что именно регуляторные участки генов, в отличие от кодирующих участков (которые содержат информацию для синтеза белков), контролируют, где и как активируется этот ген. А так как эти регуляторные участки многих генов богаты CpG, это равносильно тому, как если бы они были готовы стать ударными с помощью метильных групп.

Если анализировать состояние метилирования цитозина в CpG млекопитающих, можно обнаружить интересный феномен: обычно последовательности CpG, которые не находятся внутри CpG-островка, то есть CpG, которые появляются единично в последовательности, метилированы. Эти CpG появляются в виде 5-метилцитозина. Однако CpG, которые находятся внутри CpG-островков, как правило, не метилированы. Важно помнить о том, что цитозин, метилированный или нет, не нарушает порядок последовательности.

Тогда на кого вообще все это влияет?

С тех пор как было открыто метилирование ДНК, одним из феноменов, с которыми оно оказалось связано, была транскрипционная активность, то есть процесс «копирования» с целью получения РНК.

Остановимся на этом более подробно: ДНК содержит инструкции в генах для формирования белков, но эта информация «копируется», или транскрибируется, в другую молекулу — РНК, и она уже в конечном счете считывается, чтобы белок мог сформироваться. Так вот, было обнаружено, что когда последовательность метилируется, транскрипция репрессируется (другими словами, ген «выключается»).

Что это значит? Что метилирование CpG-островков действует как знак запрета транскрипции гена, который был метилирован.

И какой самый важный вывод мы можем сделать на основе этого последнего утверждения?

Что ДНК — наследуемый материал, обладает двойным функционалом: с одной стороны, содержит в своей последовательности инструкции для формирования белков, копируясь сначала в РНК, с другой — в условиях метилирования приобретает информацию с целью инициировать или задержать механизм формирования белков.

Но кто считывает метилирование ДНК?

В последние годы в лабораториях интенсивно изучается, какие именно факторы ядра интерпретируют данные, закодированные в конкретном профиле метилирования. А именно, ученые задались вопросом, существуют ли системы, направленные на чтение информации, закодированной в определенном профиле метилирования, схожие с системой считывания информации, содержащейся в последовательности ДНК, и ее трансляции в белки через генетический код.

Сейчас мы это проверим.

Генетический код — соответствие, которое связывает различные комбинации из трех азотистых оснований с соответствующими аминокислотами. Например, когда в мРНК появляются три азотистых основания GAG, это служит сигналом для присоединения аминокислоты, называемой глютаминовой кислотой, а когда появляются основания AGA, это означает, что она должна присоединиться к белку, который формируется из аргининовой аминокислоты.

Воздействие метилирования

Открытие того, что метилирование приводит к формированию более компактных и недоступных структур хроматина, пролило свет на изменения, связанные с метилированием ДНК: структура хроматина становится более компактной, когда ДНК, которая его составляет, метилирована. С другой стороны, ученые пришли к еще одному выводу, который вполне сочетается с предыдущим, о связи метилирования ДНК с уменьшением транскрипционной активности.

И каковы же последствия компактизации хроматина?

Из-за метилирования регуляторные участки генов становятся менее доступными транскрипционным механизмам, вследствие чего снижается транскрипционная активность, то есть экспрессия генов.

После всех этих открытий начало создаваться впечатление, что модель работает, и казалось, что наука встала на путь решения проблемы, которая занимала нас в предыдущем разделе. Загадка, кто именно отвечает за чтение метилирования ДНК, казалась почти решенной… Но для того чтобы пазл сошелся, все еще не хватало одной важной детали: какое отношение между метилированием ДНК и компактизацией хроматина?

После изнуряющих исследований что-то начало проясняться: существуют белки, или ядерные факторы, которые обладают способностью распознавать метилированную или неметилированную ДНК и присоединяться к ней в зависимости от ее состояния. Эти факторы,

с помощью какого-то механизма, функционирование которого еще только предстоит изучить, могут сформировать измененную структуру хроматина, не дающую доступа транскрипционным механизмам.

Поиск этой модели стимулировал исследования в погоне за открытием факторов, способных различать метилированную и неметилированную ДНК.

Белки MeCPl и МеСР2

Исследования продолжались, и в начале 1990-х годов группа ученых из Эдинбургского университета отделила от клеточного ядра два белка, способных присоединяться к метилированной ДНК.

Эти белки были названы MeCPl и МеСР2, и на протяжении последующих лет была проделана колоссальная работа по их анализу: были задействованы различные учреждения, преимущественно лаборатория Эдинбургского университета (центр клеточной биологии Welcome Trust под руководством профессора Эдриана Берда, с 1999 по 2011 год) и лаборатория Национального института здоровья США под началом Алана Вольфа.

В первую очередь исследовательская группа Берда определила, какая именно часть белка МеСР2 придает ему способность присоединяться к метилированной ДНК. Этот фрагмент состоит еще из четырех белков, идентифицированных немного позднее, и сейчас они известны как MBD1, MBD2, MBD3 и MBD4. Все они, наряду с МеСР2, составляют семейство белков, умеющих связываться с метилированной ДНК. Какое-то время спустя обе упомянутые лаборатории смогли независимо друг от друга доказать, что каждый из этих белков формирует комплексы, то есть создает связи с другими белками, которые модифицируют хроматин.

Что особенно важно, комплекс, к которому относится МеСР2, модифицирует гистоны, добавляя знаки. На самом деле МеСР2 и другие белки из этого семейства действуют как посредники между метилированной ДНК и определяют степень компактизации хроматина.

Значимость открытия этих белков заключалась в установлении связи между метилированием ДНК и модификациями хроматина в момент определения состояния активированности или инактивированности генов. Это стало переломным моментом, потому что объясняло механизм подавления активности генов путем метилирования ДНК. Кроме того, позднее обнаружилось, что МеСР2, вне зависимости от участия в метилировании, оказался чрезвычайно важным белком для здоровья человека, так как его мутация порождает синдром Ретта, вторую (после синдрома Дауна) по частотности причину задержки умственного развитии у женщин.

И еще одно не менее важное последствие заключалось в том, что эти открытия и их распространение способствовали контактам и обмену информацией между исследовательскими группами, которые работали параллельно над отдельными областями: метилирование ДНК и его влияние на болезни человека, рак и исследования хроматина, — объединяя под общим знаменем ученых из разных университетов и стран.

Таким образом произошло открытие метилирования ДНК как эпигенетического изменения, позволяющего клетке модулировать экспрессию генов, на которые было оказано воздействие, и как механизма изменения структуры хроматина.

Тогда следующий шаг (да, как мы знаем, в науке одно открытие никогда не дает ответа на все вопросы, всегда что-то остается…) заключался в решении, что же определяет метилирование ДНК и как оно передается от одного поколения к следующему.

Но кто ответственный за метилирование генов?

Ответ не так прост: метилирование ДНК возникает как следствие действий целого специального механизма и является продуктом деятельности некоторых ферментов, называемых ДНК-метилтрансферазами (DNMT). Этот механизм занимается размещением метильных групп на цитозины, как будто он авто корректор, который ставит точки над «ё» в словах после того, как они уже написаны.

DNMT занимаются переносом метильных групп из молекулы, называемой SAM (S-аденозилметионин), на аденин и особенно на цитозин ДНК. И как будто этого мало, DNMT бросают вызов догме молекулярной биологии, потому что внедряют в ДНК наследуемую информацию, которая не закодирована в последовательности нуклеотидов.

Напомним, что дупликация или репликация ДНК должна происходить до деления клетки. ДНК реплицируется благодаря комплементарности оснований. В процессе используются свойства цепей, которые составляют ДНК, чтобы копировать их. При репликации 5-метилцитозин ведет себя точно так же, как цитозин без метильной группы. В результате репликации одна из цепей метилирована (на некоторых из своих цитозинах, как и первоначальная модель), а другая нет (рисунок 6).

Рис. 6. Репликация ДНК, начиная с которой каждая дочерняя цепочка генерирует цепочку, ей комплементарную (на рисунке А соответствует А, Т — Т, G — Г, С — Ц)

Необходим дополнительный механизм, или, как показано выше, автоматический корректор, занимающийся расстановкой ударений в комплементарной цепи, которая сформировалась заново и которая сейчас не метилирована. А также очень важно, чтобы как минимум одна из цепей осталась метилированной в дочерней цепочке ДНК. A DNMT (белки, которые гарантируют, что эта новая цепочка ДНК метилировалась) поддерживают метилирование в дочерних клетках, расставляя ударения, или метильные группы, на цитозин в паре CpG, комплементарной метилированным CpG.

Выключатель

Итак, существует другой тип DNMT: они известны под именем DNMT de novo и являются главными ответственными за метилирование пар CpG.

На сегодняшний день все еще неизвестно, кто отдает приказы, чтобы эти DNMT de novo приходили в движение, но, тем не менее, уже доказано, что их дисфункция катастрофична для клетки, потому что метилирование CpG-островков, которые не должны быть метилированы, заставляет выключаться транскрипцию генов. Этот феномен называется «транскрипционный сайленсинг».

А сейчас поговорим немного об одном важном процессе, о котором не стоит забывать, и раз уж он так важен, мы используем метафору, которая, надеемся, будет достаточно наглядна. Наша ДНК не раздета, она стыдливо, но элегантно прикрыта оболочкой из белков, которые формируют то, что мы называем хроматином. Он похож на бусы из жемчужин-белков, нанизанных на нить ДНК.

Традиционно хроматин (другими словами, наши прекрасные жемчужные бусы) считался статичным образованием с исключительно структурирующей ролью, так что открытие деталей механизмов, которые связывают метилирование ДНК с клеточными механизмами, модифицирующими хроматин, стало событием особой важности, так как дало новый импульс в исследовании активной роли хроматина в контроле деятельности генов.

А дело все в том, что, как мы уже говорили, один из существующих типов белков в хроматине — гистоны — отвечает в основном за упаковку ДНК в ядре клетки.

И эта доминирующая роль хроматина, как и его функция, были неизвестны еще несколько лет назад: изначально хроматин казался просто скелетом, а гистоны — белками, которые создают структуры шарообразной формы, вокруг которых оборачивается ДНК. Именно по этой причине микроскопическая картинка очень похожа на жемчужные бусы, то есть на статичную структуру, монотонную и повторяющуюся.

В этих особых бусах структурная единица хроматина, то есть жемчужина, получила название нуклеосомы. Каждая нуклеосома формирует, в свою очередь, группу из восьми гистонов четырех разных типов, окруженных фрагментом ДНК из 147 оснований. Большая часть гистонов находится внутри этой структуры, но их хвосты остаются снаружи.

В 1970-е годы прогресс в исследованиях структуры хроматина был заметен невооруженным глазом. Эти исследования сформировали представление о статичной модели хроматина, и возможно, поэтому в последующие годы интерес к ним сильно ослабел. И так продолжалось целое десятилетие, пока в начале 1990-х годов результаты новых исследований структуры хроматина не активизировали работу по его изучению.

Два открытия оказались основополагающими. Первое — структурный мотив, присутствующий во многих транскрипционных факторах и отвечающий за взаимодействие гистонов друг с другом и с ДНК. Второе — сложные механизмы, занимающиеся модификациями хроматина; механизмы, являющиеся частью самого хроматина и отвечающие за то, чтобы он выстраивался в различные структуры, которые делают его сочетающимся или несочетающимся с транскрипционной активностью.

Далее остановимся немного на этих механизмах.

Существует два типа механизмов, модифицирующих хроматин: первый состоит из групп белков, которые используют выделяемую некоторыми молекулами энергию, чтобы изменить структуру хроматина. Эти группы получили название комплексов ремоделирования хроматина, и они помогают нуклеосомам скользить по ДНК в движении, позволяющем определенным последовательностям, которые блокируются наличием нуклеосом, стать доступными для ядерных факторов, и наоборот.

По последним доступным сведениям, хроматин может находиться в различных эпигенетических состояниях, которые можно разделить на две группы. Первая зависит от положения нуклеосом на последовательности ДНК. Поэтому согласно локализации нуклеосом некоторые последовательности становятся доступными или недоступными для транскрипционных факторов. Эти позиции наследуются, и их движение на протяжении последовательности подчиняется деятельности комплексов ремоделирования хроматина.

Вторая группа — состояние модификации гистонов, так как эти специализированные белки имеют собственный язык.

Стоит отметить, что в последнее время изучение гистонов стало модным среди молекулярных биологов (да, мы уже об этом говорили, так что не удивляйтесь: ученые обычно довольно странный народ). А чему обязан такой внезапный интерес к этим белкам, которые всего несколько лет назад считались однообразными и скучными? Как вообще получилось, что они наделали столько шума в мире регуляции экспрессии генов?

Этот новый интерес уходит корнями именно в то, что раньше их делало такими скучными, — природа

сделала гистоны до чрезвычайности повторяющимися белками.

Объясним. Чтобы наглядно продемонстрировать консервативность гистонов, нужно всего лишь сравнить последовательность их аминокислот у таких эволюционно далеких друг от друга видов, как горох и человек. В результате мы не без удивления обнаруживаем, что различий между этими двумя последовательностями почти нет. Эта однородность гистонов позволяет ДНК упаковываться в блоки и превращаться в чрезвычайно компактную структуру, и именно этот феномен пробудил интерес ученых всего мира.