Ряд революционных исследований, проведенных за последние пять лет, показал, что существуют определенные структуры, способные присоединяться к некоторым генам, тем самым подавляя их экспрессию. Эти структуры выполняют роль генетического выключателя – по сути, они выключают гены, к которым присоединились. Самое же интересное в этих исследованиях то, что факторы внешней среды – такие как наше питание и табакокурение – могут этими выключателями управлять [130].
Эти исследования в корне меняют наше представление о генетике – они даже привели к появлению науки под названием «эпигенетика». Эпигенетика занимается изучением того, как дети могут наследовать, казалось бы, новые признаки от своих родителей, которые не сопровождаются соответствующими изменениями в последовательности ДНК. Другими словами, инструкции остаются теми же самыми, но выполняются они по какой-то причине уже по-другому.
Гены предстали перед нами в совершенно новом свете.
* * *
Термин «эпигенетика» был впервые введен в сороковых годах прошлого века, однако современная наука эпигенетика гораздо моложе – можно сказать, что она только-только вылезла из подгузников. Первый по-настоящему серьезный прорыв произошел лишь в 2003 году – и преподнесла нам его тощая коричневая мышка.
Удивительно в этой мышке то, что ее оба родителя были толстыми желтыми мышами. Если точнее, то много поколений ее предков были толстыми желтыми мышами. Эти мыши были специально выведенными носителями гена под названием agouti, который придавал их шерсти характерный светлый окрас и способствовал ожирению. Когда толстые желтые мыши спаривались между собой, у них раз за разом рождалось потомство толстых желтых мышей. Во всяком случае, до тех пор, пока они не попали в Университет Дьюка.
Команда ученых из Университета Дьюка разделила мышей на две группы – контрольную и экспериментальную. С контрольной группой ничего особенного не делали – их кормили привычным рационом и позволяли спариваться в свое удовольствие, в результате чего рождались все те же самые толстые желтые мыши. Ничего удивительного не происходило.
Мыши в экспериментальной группе также спаривались, только будущим мамам из этой группы был обеспечен более качественный предродовой уход – помимо обычного рациона им также давали витамины в виде пищевых добавок. На самом деле им давали смесь различных веществ, аналогичную тем добавкам, что принимают современные беременные женщины, – витамин В12, фолиевая кислота, бетаин и холин.
Полученный результат взбудоражил научное сообщество. У толстых желтых мышей появилось потомство худых коричневых мышат. Казалось, это перечеркнуло все, что знали ученые о наследственности. Исследование генома коричневых мышек только еще больше запутало ученых. Оказалось, что их гены полностью идентичны генам родителей. Ген agouti находился ровно там, где ему положено было быть, готовый запустить процесс выполнения инструкций, в соответствии с которыми мыши должны были стать желтыми и толстыми. Так что же произошло?
По сути, один или несколько компонентов тех пищевых добавок, которые давали беременным мышам, добирался до эмбрионов и выключал ген agouti. Когда рождались мышата, их геном по-прежнему содержал ген agouti, но его экспрессия была подавлена – молекулы присоединялись к гену и подавляли выполнение заложенных в нем инструкций.
Процесс подавления экспрессии генов называется метилированием ДНК. Метилирование имеет место быть, когда группа атомов под названием «метильная группа» присоединяется к гену, меняя его экспрессию, не меняя при этом ДНК как таковую.
В состав витаминных пищевых добавок входят так называемые доноры метильных групп – молекулы, образующие метильные группы, которые затем выключают те или иные гены.
Худоба и коричневый окрас были не единственными преимуществами, которые получили мыши благодаря метилированию. Мышиный ген agouti связан с повышенным риском диабета и рака. У мышей с выключенным геном agouti рак и диабет развивались гораздо реже, чем у их родителей.
Разумеется, мы уже давно понимали, что правильное питание будущей матери играет важную роль в здоровье ребенка. Более того, мы понимали, что эта связь не ограничивается очевидным: потребностью в питательных веществах, здоровым весом при рождении и т. д. Мы знали, что правильное питание во время беременности способствует снижению вероятности развития у ребенка определенных заболеваний в течение жизни. Вместе с тем, вплоть до проведения вышеупомянутого исследования механизм, отвечающий за эту взаимосвязь, оставался неведомым. Как сказал Рэнди Джиртл, один из руководителей этого исследования: «Уже давно ни для кого не секрет, что питание матери глубочайшим образом отражается на склонности ее потомства к болезням, но сама причинно-следственная связь по-прежнему оставалась для нас загадкой. Впервые в истории нам удалось продемонстрировать, как именно пищевые добавки, даваемые матери, способны навсегда изменить экспрессию генов ее потомства, оставляя сами гены при этом без изменения» [131].
Проведенное в Университете Дьюка исследование оказало колоссальный эффект на научное сообщество, и с момента его публикации наука эпигенетика зашагала семимильными шагами. Несложно понять причину подобного интереса.
Во-первых, эпигенетика заставила отказаться от убеждения в том, что генетический код написан несмываемыми чернилами. Ученым внезапно пришлось принять во внимание тот факт, что гены неявляются носителями незыблемых инструкций. Один и тот же набор генов может привести к различному результату в зависимости от того, какие из этих генов оказались подвержены процессу метилирования, а какие – нет. Оказалось, что необходимо учитывать совершенно новые для ученых реакции, происходящие на уровень выше генетического кода и меняющие конечный результат, оставляя сам код неизменным (так, собственно, и произошло название «эпигенетика» – от греческой приставки ἐπι, означающей нахождение над чем-то, добавление к чему-то). Данное открытие не должно было стать совсем уж абсолютнымсюрпризом – вот уже пятьдесят лет некоторые ученые указывали на примеры того, как одни и те же гены не всегда приводят к одному и тому же результату: у однояйцевых близнецов (с полностью идентичной ДНК), к примеру, в течение жизни развиваются разные болезни, да и отпечатки пальцев у них не идентичные – похожие, но не более того.
Во-вторых, проведенное в Университете Дьюка исследование заставило вспомнить о давно позабытом Ламарке. Было продемонстрировано, что факторы окружающей среды, воздействующие на мать, влияют на процесс наследования генетических признаков ее потомством. Эти факторы не приводили к изменению ДНК, наследуемой мышиным потомством, однако за счет изменения экспрессии этой ДНК они меняли характер наследования признаков.
После этих первых экспериментов с мышами другие ученые из Университета Дьюка продемонстрировали возможность стимулировать развитие умственных способностей мышей за счет банального добавления щепотки холина в рацион питания беременной мыши. Холин активизировал метильную группу, которая выключала ген, обычно ограничивающий процесс деления клеток в центре памяти головного мозга. За счет избавления от этого ограничения у этих мышей начали в ускоренном темпе развиваться клетки, отвечающие за работу памяти, которые, как и следовало ожидать, наделили их «сверхмышиной» памятью. Нейроны этих мышей работали гораздо быстрее, и, достигнув зрелого возраста, мыши побили все известные рекорды по преодолению лабиринтов.
