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.
Как жизненный опыт родителей влияет на генетику детей
Как теперь известно, такие тонкие подстройки под влиянием окружающей среды могут передаваться из поколения в поколение. В замечательной работе, опубликованной в номере журнала Molecular and Cellular Biology за 1 августа 2003 г., исследователи из Университета Дьюка доказывают, что за счет обогащенной среды можно даже преодолеть генные мутации у мышей. Ученые исследовали влияние пищевых добавок на беременных мышей – носительниц аномального «гена агути». Такие мыши имеют золотистую окраску и страдают ожирением, из-за которого становятся особо подвержены диабету, а также сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям.
Сестры агути. Годовалые генетически идентичные женские особи мышей агути. Обогащенный метильными группами рацион матерей меняет окрас их потомства с золотистого на бурый, а также уменьшает частоту случаев ожирения, диабета и рака. (Фото предоставлено Джертлом и Уотерлендом©)
В ходе эксперимента группа страдающих ожирением мышей агути получала пищевые добавки, богатые метильными группами (продаются в магазинах здоровой пищи): фолиевую кислоту, витамин B 12, бетаин и холин. Богатые метилом добавки были выбраны потому, что перед тем ряд свидетельств показали, что эта группа принимает участие в эпигенетических модификациях. Прикрепляясь к молекуле ДНК, метильные группы изменяют условия для связывания с ней регуляторных хромосомных белков. Если такие белки связываются с ДНК чересчур сильно, белковый «рукав» оказывается невозможно удалить, и содержащиеся в ДНК гены не поддаются считыванию. Метилирование ДНК способно подавить или изменить генную активность.
На сей раз газетные заголовки наподобие «Диета побеждает гены» говорили чистую правду. Матери, получавшие пищевые добавки, обогащенные метильной группой, производили на свет обыкновенных бурых мышей нормальной комплекции, хотя у них присутствовал тот же самый ген агути, что и у их собственных матерей. Что же до матерей, не получавших таких добавок, то их потомки имели золотистый окрас, ели вдвое больше обычных мышат и набрали в конце концов намного больший вес, чем их поджарые сверстники «псевдоагути».
Приведенный на предыдущей странице снимок, предоставленный Университетом Дьюка, производит огромное впечатление. Будучи генетически идентичными, две мыши кардинально отличаются по внешнему виду. Одна из них поджарая и бурая, другая – тучная и желтая. Кроме того, хотя этого и нельзя увидеть на фотографии, тучная мышь страдает диабетом, а поджарая полностью здорова.
Другие исследования обнаружили, что эпигенетические механизмы являются причиной целого ряда заболеваний – онкологических, сердечно-сосудистых, диабета. Вообще говоря, только 5 % сердечников и раковых больных имеют право списывать свою болезнь на наследственность. Средства массовой информации, поднявшие большой шум вокруг открытия генов рака груди BRCA1 и BRCA2, почему-то гораздо меньше распространялись о том факте, что в 95 % случаев рак груди возникает не из-за уна следованных генов. У значительной части онкологических больных злокачественность возникает вследствие экологически обусловленных эпигенетических изменений, а не дефектов в генах. Не так давно выдающийся ученый и врач Дин Орниш открыл, что одна только смена диеты и образа жизни в течение 90 дней у пациентов с раком простаты меняет активность более чем 500 генов. Многие из этих генов изменяют биологические процессы, критически важные для формирования опухолей.
Эпигенетические свидетельства оказались столь убедительными, что некоторые особо смелые ученые даже рискнули вспомнить многократно обхаянного эволюциониста Жана-Батиста Ламарка, считавшего, что приобретенные при взаимодействии с окружающей средой признаки могут передаваться по наследству. Философ Эва Яблонка и биолог Марион Лэм в своей вышедшей в 1995 г. книге «Эпигенетическое наследование и эволюция – ламаркистский аспект» пишут: «В последние годы специалисты по молекулярной биологии установили, что геном – объект гораздо более подвижный и подверженный влиянию среды, чем предполагалось ранее. Они показали также, что информация может быть передана потомкам иными путями, нежели базовая последовательность (код) ДНК».
Итак, мы вернулись к тому, с чего начали эту главу, – к среде. В лаборатории мне приходилось неоднократно наблюдать, как перемены в окружении влияют на изучаемые мной клетки. Но только в конце моей научной карьеры в Стэнфорде я проникся этой идеей по-настоящему, когда обратил внимание, что эндотелиальные клетки, которые выстилают изнутри кровеносные сосуды, изменяют структуру и функцию в зависимости от среды. Например, если я добавлял в тканевую культуру раздражающие химические вещества, то клетки быстро превращались в некое подобие макрофагов – этих мусорщиков иммунной системы. Больше всего меня поразило, что превращение этих клеток происходило, даже если я разрушал их ДНК с помощью гамма-лучей. Эндотелиальные клетки таким образом были энуклеированы, однако они полностью меняли свое биологическое поведение в ответ на раздражающие вещества – как если бы их ядра оставались нетронутыми. Эти клетки явно служили примером некоего «разумного» управления при полном отсутствии генов.
Через двадцать лет после того, как мой учитель Ирв Кенигсберг посоветовал мне обращать внимание на среду, если с клетками что-то не в порядке, я наконец-то в полной мере оценил этот совет. ДНК не управляет живыми организмами, и ядро – не мозг клетки. Точно так же, как вы или я, клетки приспосабливаются к окружению, в котором они живут. Иными словами, для особо непонятливых: все дело в среде!
* * *
Бурлящее поле эпигенетических исследований не только придало Жану-Батисту Ламарку образ провидца – оно сделало похожим на него моего наставника, профессора Ирва Кенигсберга, вдохновившего меня на название этой главы. Опять же более чем пятьдесят лет спустя повторяю для особо непонятливых: все дело в среде!
