Эпигенетика: новая наука о самоуправлении

 

Теоретики «генной предопределенности» проигнорировали столетней давности результаты насчет энуклеированных клеток, но у них не выйдет игнорировать данные новейших исследований, которые подрывают их веру в генетический детерминизм. Пока газетные заголовки кричали о проекте «Геном человека», группа ученых положила начало новому, революционному направлению в биологии, получившему название эпигенетики. Наука эпигенетика (буквально это слово означает «над генетикой») кардинальным образом меняет наше понимание об управлении жизнью. Эпигенетические исследования последнего десятилетия показали, что ДНК‑программы, передаваемые по наследству с помощью генов, вовсе не «высечены в камне» при рождении. Гены отнюдь не «предопределены»! Внешние воздействия – питание, стресс и эмоции – могут изменять гены, не меняя при этом собственно генетического кода. И как установили эпигенетики, эти модификации могут передаваться по наследству ничуть не хуже тех кодов, которые передаются при помощи двойной спирали ДНК.

 

Первенство среды. Новая наука приходит к выводу, что управление живой материей начинается с информационных сигналов окружающего мира, которые управляют связыванием регуляторных белков с ДНК. А регуляторные белки управляют активностью генов. Функции ДНК, РНК и белков те же самые, что и в концепции «Первенства ДНК». Обратите внимание: поток информации больше не является однонаправленным. В 1960‑х гг. Говард Темин подверг сомнению Центральную Догму, экспериментально установив, что РНК способна переписывать ДНК, тем самым поворачивая информационный поток вспять. Поначалу поднятый на смех и обвиненный в «ереси», Темин затем получил Нобелевскую премию за описание обратной транскрипции – молекулярного механизма, при помощи которого РНК может переписывать генетический код. Обратная транскрипция сегодня на слуху, так как именно таким образом РНК вируса СПИДа влияет на ДНК инфицированной клетки. Сегодня также известно, что изменения в молекуле ДНК, например добавление или удаление так называемых метильных групп, влияют на связывание с ней регуляторных белков. Судя по всему, белки также способны работать в направлении, обратном классическому информационному потоку, поскольку белковые антитела в иммунных клетках изменяют ДНК тех клеток, которые их синтезировали. Размеры стрелок, указывающих на рисунке направление информационного потока, неодинаковы. На обращение этого потока наложены жесткие ограничения – это позволяет не допустить слишком существенных изменений в геноме клетки.

 

Конечно, открытия в области эпигенетики отстали от достижений генетики. Начиная с конца 1940‑х гг. ученые выделяют ДНК из клеточного ядра для изучения генетических механизмов. При этом они извлекают ядро из клетки, проникают сквозь окружающую его мембрану и выделяют содержимое хромосом, состоящее наполовину из ДНК и наполовину из регуляторных белков. В своем стремлении исследовать именно ДНК большинство ученых отбрасывают белки прочь – выплескивая, как мы теперь знаем, с водой и ребенка. А эпигенетики возвращают «ребенка» обратно – они изучают хромосомные белки, которые, как выясняется, играют в механизме наследственности столь же ключевую роль, как и ДНК.

ДНК образует как бы сердцевину хромосомы, белки же обволакивают ее наподобие рукава. Когда гены укрыты, содержащуюся в них информацию «прочитать» невозможно. Представьте себе, что ваша рука – это участок ДНК с геном, кодирующим голубизну глаз. В клеточном ядре такой участок ДНК покрыт связанными с ней регуляторными белками, как рука – рукавом рубашки.

Как же снять этот рукав? Необходим внешний сигнал, побуждающий белок «рукава» изменить конфигурацию – т. е. отделиться от двойной спирали ДНК и открыть ген для его прочтения. Когда ген открывается, клетка делает его копию. Активность генов, таким образом, «управляется» присутствием или отсутствием покровных белков, что в свою очередь определяется сигналами внешней среды.

Рассказать об эпигенетическом управлении – это описать, как сигналы окружающего мира контролируют активность генов. Сегодня уже понятно, что схема «Первенства ДНК» устарела, а новую схему информационного потока следовало бы назвать «Первенством среды». В этой более сложной схеме распространение биологической информации начинается с сигналов среды, затем идет через регуляторные белки, и лишь затем в игру вступают ДНК, РНК и, наконец, новый белок.

Наука эпигенетика также установила, что существует два механизма, посредством которых организмы передают из поколения в поколение наследственную информацию. Этот факт открывает ученым возможность исследовать вклад в человеческое поведение как «природы» (генов), так и «воспитания» (эпигенетических механизмов). Если же, как это делалось многие десятилетия, обращать внимание только на генетические программы, то механизм влияния среды понять невозможно.

Приведу аналогию, которая чуть лучше прояснит отношения между эпигенетическим и генетическим механизмом. Если вы не слишком молоды, то, вероятно, помните те дни, когда телевизионные программы передавались только до полуночи. По окончании обычных передач на экране возникала так называемая «настроечная таблица». Большинство таких таблиц представляли собой что‑то наподобие круглой мишени для стрельбы.

Представьте себе, что структура этой таблицы закодирована неким геном (скажем, геном карих глаз). При помощи ручек и переключателей своего телевизионного приемника вы можете добиться появления или исчезновения настроечной таблицы, а также подстраивать целый ряд ее характеристик: цвет, оттенок, яркость, контрастность, положение по вертикали и горизонтали. Тем самым вы можете изменить характер изображения на экране, никак не воздействуя при этом на сигнал, поступающий из телецентра. Именно такова роль регуляторных белков. Исследования и синтез этих белков показали, что благодаря эпигенетическим «ручкам» одна и та же генная программа ДНК может реализоваться в виде двух и более тысяч вариантов белков.

 

В этой эпигенетической аналогии настроечная таблица на экране телевизора выступает в роли структуры белка, закодированной в гене. При помощи ручек управления телевизором можно изменить ее вид, не оказывая влияния на первоначальную структуру передачи (т. е. ген). Эпигенетическое управление изменяет характер реализации гена, не меняя кода ДНК.