Представьте себе Стэнфордское исследование, разрекламированное в прессе с заголовками вроде «Биология веры»! (Мне и сегодня приходится сдерживать себя, чтобы лишний раз не подчеркнуть, что новейшие исследования подтверждают выводы первого издания «Биологии веры». Это непросто, ведь долгое время мое заявление оставалось гласом вопиющего в пустыне.) Вот из U. S. News: «Окружающая среда одерживает победу над генами при формировании иммунной системы: исследования ученых». Из ScienceDaily: «Окружающая среда, а не гены, предписывает иммунные изменения у человека. Открытия ученых».
Согласно Стэнфордскому исследованию, три четверти изменений иммунной системы у однояйцевых близнецов происходили вследствие «ненаследственных» воздействий, связанных с окружающей средой, среди которых – микробы, токсины, диеты и вакцинации. По результатам этой работы воздействие факторов окружающей среды со временем сформировало иммунную систему обоих близнецов. Причем результаты у однояйцевых близнецов старше шестидесяти лет различались в большей степени, чем у близнецов младше двадцати лет. Стэнфордский микробиолог и иммунолог, ведущий исследователь Марк Дэвис заявляет: «Иммунная система здорового человека постоянно приспосабливается к встрече с враждебными микроорганизмами, дружественными кишечными микробами, пищевыми и другими компонентами, отодвигая на второй план влияние большинства наследственных факторов».
Все более очевидным становится ложность самого убеждения, будто программирование генома предсказывает, какими болезнями в жизни будут страдать люди. Что же до проекта «Геном человека», то вызванное им сомнение в традиционном понимании эволюции только увеличилось в масштабах. Когда я писал эту главу, исследования того времени предполагали, что у человека все-таки на 1 тысячу генов больше, чем у простого червя Caenorhabditis, но теперь даже это незначительное преимущество исчезло. Недавние технические достижения в чтении генов показали, что у человека их всего около 19 тысяч – или приблизительно столько же, сколько у этого червя. Более того, сегодня происхождение более 90 % генов человека отслеживается на более сотни миллионов лет тому назад – следовательно, в геноме червя и человека в основном содержатся схожие гены.
Таким образом, если вести счет эволюции в терминах генной метрики, то мы, люди, находимся значительно ниже к основанию «генеалогического древа» – картины, созданной в 1886 г. немецким эмбриологом Эрнстом Геккелем вскоре после того, как Дарвин, а потом Ламарк огласили свои представления об эволюции. У Геккеля эволюция животных прослеживается от простейших (бактерий) на стволе дерева до людей, занимающих его верхние ветви. Такая родословная имела смысл, когда ДНК расценивалась наукой как фактор управления жизнью, – ясно, что эволюционные биологи считали, что с продвижением по дереву более высокие эволюционные черты будут связаны со все большей генетической сложностью. Однако теперь, когда человек опустился к самому основанию генетического древа, стало более очевидным, что популяции генов не определяют эволюцию организма.
Вот еще один факт, который я привожу на своих лекциях в качестве предостережения против придания чрезмерного значения генам: ген кодирования кератина волос также определяет и все следующие структуры: кожу, ногти, когти, копыта и рога. То есть кодирующий синтез кератиновых белковых строительных блоков ген не контролирует способы использования молекул кератина.
Итак, кодирующие белок гены используются как строительные блоки клеток, но не определяют структуру организма или его сложность. Это ставит перед нами фундаментальный вопрос: кто же за это отвечает?
Поиски ответа приводят к следующему, совершенно неожиданному выводу из проекта «Генома человека»: гены, кодирующие белковые строительные блоки клеток, составляют менее 2 % от общего количества генома ДНК, и поэтому значительная часть ДНК не вносит вклада в популяцию белков клетки. Предположив, что эти ДНК не являются функциональными, Фрэнсис Крик обозначил их как «мусорные». Такой термин, с готовностью принятый публикой, раздражает большое число биологов, которым претит сама идея, что клетки несут в себе огромное количество «бесполезных» ДНК. Поэтому при обсуждении некодирующей ДНК генетики предпочитают использовать термин «темная материя».
Сосредоточившись на раскрытии тайн этой темной материи, консорциум ученых-генетиков создал проект Энциклопедия элементов ДНК, или ENCODE (сокращение от Encyclopedia of DNA Elements), чтобы разобраться в функциях так называемой «мусорной ДНК» генома. Исследования на момент публикации первого издания этой книги показали, что более 80 % некодирущих ДНК заняты регулированием производства и сборки белков, кодируемых генами. Большим открытием также стало, что «темные» ДНК содержат механизмы, благодаря которым информация об окружающей среде может использоваться для изменения считывания генов, кодирующих белок. Выяснилось, что темные ДНК используют эпигенетические механизмы, дающие человеческой клетке 19 тысяч генных программ, благодаря которым можно кодировать более сотни тысяч различных молекул белка!
Возможно, самым большим сюрпризом из находок консорциума, полученных по результатам 300 лет компьютерного времени, оказался вывод, что большая часть темных ДНК состоит из генетических «переключателей». Более четырех миллионов генетических переключателей в некодирующей ДНК образуют информационную кабельную систему, разобраться в которой почти невозможно. Такая система включает и выключает гены и обеспечивает механизм перезаписи структуры белка, кодируемой ДНК.
Подобная сложная информационная кабельная система напоминает мне игрушечный набор компании A. C. Gilbert Erector, от которого я был без ума в детстве. К ужасу родителей, в этот набор входили сотни запчастей, включая гайки и болты, различные металлические балки с размеченными отверстиями для сборки, шкивы, колесики, шестерни, а также маленький электромотор. Главное достоинство такого набора, как и современного конструктора LEGO в том, что пользователь может построить модель, а затем разобрать ее и без конца создавать из тех же частей нечто совершенно другое.
В аналогичном биологическом конструкторе гены являются кирпичиками физического здания, а некодирующая ДНК – «инструкцией» по сборке конкретных моделей (животных и растений) из набора, куда входят одни и те же кирпичики. Как и в конструкторе A. C. Gilbert Erector, из произведенных генами белков может быть собрано, разобрано, а затем вновь собрано множество разных организмов. Образ тела каждого организма, закодированный в темной ДНК, непосредственно связан с динамическим окружением через эпигенетические механизмы, интерпретирующие, переводящие и контролирующие активность генов, кодирующих белок.
Результаты деятельности Энциклопедии элементов ДНК существенно изменили исследовательские парадигмы, связанные с такими заболеваниями, как рак. До появления новых сведений о роли темной ДНК изучающие генетические заболевания ученые стремились лишь распознать мутации в генах генома, кодирующих белки. Но благодаря проводимой Энциклопедией оценке мы узнаем, как много связанных с заболеваниями мутаций скрывает темная материя или некодирующая ДНК, а также сколько их еще предстоит открыть. Объединив данные по проекту «Генома человека» и Энциклопедии элементов ДНК, исследователи могут распознать некодирующие участки ДНК, называемые «сверхчувствительными» областями. Эти участки мусорных ДНК показывают те же уровни мутаций, что и в кодирующих белок генах. Прочитав геномы 90 пациентов с раком груди, простаты и опухолью мозга, исследователи обнаружили около сотни мутаций некодирующих, сверхчувствительных областей, напрямую связанных с раком. Эти первые исследования таких ДНК, а также изучающие влияние некодирующей ДНК на другие заболевания сегодня находятся под пристальным вниманием.
