Гены говорят клеткам – крохотным рабочим вашего организма, – что делать. И снова от них зависит все, от свертывания крови, когда вы порезались, до сокращения мышц при беге или цвета ваших глаз. В сущности, клетки делают все это, объединяясь с другими клетками и производя различные белки, которые, упрощенно говоря, служат стройматериалами и инструментами на стройке, то есть в организме. У всех клеток одинаковый набор генов, отличие клеток пальца ноги от клеток зуба в том, что они используют разные гены для производства разных белков.
В 2004 году был завершен проект «Человеческий геном», который доказал, что в ДНК человека только 20–25 тысяч генов. Примерно столько же, сколько у мышей.
Что удивительно в ДНК всех живых организмов – от крохотной бактерии до огромной пальмы и от пеликана до вас и меня, – это то, что у нас у всех прописаны четыре буквы генетического кода. Они просто складываются в разные инструкции для разных организмов. Гены домашней кошки приказывают клеткам создать кошку. Гены гепарда создают гепарда. Ну, а у нас эти гены создают человека. Полный код ДНК внутри нас называется человеческим геномом.
Когда американский биолог Джеймс Уотсон и английский врач Фрэнсис Крик в 1953 году открыли структуру ДНК – и вероятную возможность ее расшифровки, – медицинская наука создала медицинскую генетическую модель. Точно так же, как когда-то мы пытались объяснить микробами каждую болезнь, теперь мы начали искать гены, чтобы объяснить каждую человеческую характеристику.
В 1990 году генетики начали работу над проектом «Человеческий геном» – международным проектом по расшифровке полной последовательности человеческой ДНК. Они хотели идентифицировать каждый ген (инструкцию) и определить, за что он отвечает. У разных людей разные геномы, поэтому изучение полного кода нужно, чтобы открыть каждый отдельный ген и узнать все его возможные комбинации[2].
Генетики были потрясающе уверены в потенциале проекта. Сама идея, что мы сможем понять код жизни, как компьютерную программу, была невероятной. Стивен Л. Тэлботт писал в журнале «Новая Атлантида» о генетиках: «Они объявляли об одном революционном открытии за другим – ген муковисцидоза… ген рака, ген ожирения, ген депрессии, ген алкоголизма, ген сексуальных предпочтений. Кирпич за кирпичом, генетики собирались показать, как живой организм можно построить из неразумной, безразличной материи»[3].
В 1992 году Нобелевский лауреат, генетик Уолтер Гилберт писал, что, возможно, однажды он будет держать в руке CD-диск с расшифрованным кодом ДНК и скажет: «Это человек: это я!»[4]
Генетики ожидали обнаружить около 100 тысяч генов в человеческом геноме, а некоторые ожидания доходили до двух миллионов. Объяснялось это тем, что именно столько генов нужно, чтобы детально раскрыть строение такого разнородного и сложного вида, как человек. Но когда проект «Человеческий геном» был завершен в 2004 году, казалось, что произошла какая-то ошибка. Оказалось, что в ДНК человека только 20–25 тысяч генов. Примерно столько же, сколько у мышей[5].
В реальности клеткам не нужны отдельные гены для того, чтобы создавать орган, системы организма и вообще все, что делает нас уникальными. Скорее они используют сочетания специфических генов, и окружение влияет на эти сочетания сильнее, чем мы думали. Спор, что сильнее – природа или внешнее влияние, длится очень давно, и сейчас мы понимаем, что на гены внешнее влияние очень сильно.
Продолжая аналогию со строительством, можно сказать, что в организме есть набор генов, которые дают клеткам, строящим кость челюсти, указания по строительству, но как именно выполняется задание – как задаются размеры челюсти, – зависит от наличия ресурсов, от условий окружающей среды и от обратной связи с руководством. Окончательный результат проекта называется экспрессией генов.
Как работает эпигенетика
Если ДНК не дает клеткам особых инструкций для каждой задачи, которую они выполняют, откуда они знают, что делать?
Помните, я говорил, что ДНК свернута в спираль в ядре клетки? Органеллы клетки, ее органы, которые и делают работу, должны считывать указания, чтобы знать, что делать. Как они читают сообщения? Ответ скрыт в еще одной молекуле – рибонуклеиновой кислоте, или РНК. РНК копирует задания ДНК и передает их органеллам.
До недавнего времени мы считали, что ДНК – это не только чертеж, но и подрядчик. Мы думали, что ДНК выбирает задания, которые получает РНК, чтобы та передала их остальной клетке.
Вот здесь и фокус: ДНК не выбирает, какие ее части скопирует РНК, и РНК тоже этого не делает. На самом деле этот выбор по большей части зависит от химических реакций, которые начинаются вне клетки, считываются и передаются через клеточную мембрану, а затем отправляются в ядро, где хранится ДНК[6].
Внешняя поверхность клетки (мембрана) оснащена сотнями тысяч белков-рецепторов, которые отвечают за получение различных сигналов, например, от питательных веществ, гормонов или нейротрансмиттеров[7]. Когда сигнал снаружи связывается с белком-рецептором, тот запускает внутрь ядра цепь химических реакций. Это первый шепот в игре в телефон, которая в той или иной мере определяет, какую часть ДНК скопирует РНК и какую часть РНК органеллы используют для того, чтобы создать новый белок.
Рис. 20. Как внешняя среда меняет ДНК в клетке
Окружающая среда в буквальном смысле меняет манеру генов выражаться. А в понятие окружающей среды входит в том числе и пища, которую вы едите.
Голландский голод
Поттенгер дал нам очень прямолинейный пример работы эпигенетики – на кошках. Но у нас также есть пример того, как эпигенетика работает у людей. Он появился после голландской Голодной зимы, которая случилась в Нидерландах в 1944–1945 годах[8].
В это время, в последние годы второй мировой войны западная часть страны была все еще оккупирована Германией. Блокада отрезала регион от поставок пищи, и у людей был доступ только к 30 процентам от их обычного рациона. Как следствие, все население было на грани голодной смерти, и людям приходилось любыми способами добывать пищу. Ели даже траву и луковицы тюльпанов. Пока союзники не освободили регион и не восстановили поставки продуктов, умерли около 20 тысяч человек. Эпидемиологи, которые занимаются изучением появления и развития болезней, использовали медицинские записи, чтобы изучить долгосрочное влияние голода у голландцев.
Одним из моментов, который они заметили, был то, что дети, зачатые во время голода и чьи матери недоедали в последние месяцы беременности, родились аномально маленькими. С другой стороны, дети, зачатые ближе к концу голода и чьи матери недоедали в первые пару месяцев, родились нормальными. Выходило, что дети, которым не хватало питания на ранних сроках беременности, могли догнать нормальный вес при рождении, а те, кто голодал на поздних сроках, – нет. Это достаточно логично. Но когда дети выросли, последствия голода проявлялись у них до конца жизни.
