Эпигенетика: новая наука о самоуправлении

Если уж конфуз с энуклеированными клетками не пошел теоретикам всевластия генов впрок, то новей­шие научные исследования в буквальном смысле выбивают почву у них из-под ног. Пока газетные заголовки трубили о проекте «Геном человека», группа ученых положила начало новому, революционному направлению в биологии, получившему название эпигенетика (это слово буквально означает «надгенетика»). Эпигенетика кардинальным образом меняет наши представления о том, как управляется жизнь [Pray 2004; Silverman 2004]. Эпигенетические исследования последнего десятилетия показали, что ДНКпрограммы, передаваемые по наследству с помощью генов, вовсе не «запечатлеваются в камне» при рождении — они могут изменяться под влиянием внешних воздействий, таких, как питание, эмоции и cтpeccы[Reik and Walter 2001; Surani 2001].

Генетики выделяют ДНК из клеточных ядер и изучают генетические механизмы с конца 1940х годов. Они проникают сквозь мембрану клетки, извлекают клеточное ядро и выделяют хромосомы, состоящие наполовину из ДНК и наполовину из регуляторных белков. Поскольку их интересует только ДНК, они, за ненадобностью, отбрасывают регуляторные белки прочь — как говорится, выплескивая с водой ребенка. Эпигенетики возвращают этого «ребенка» обратно — они изучают хромосомные белки, которые, как выясняется, играют в механизме наследственности не меньшую роль, чем ДНК.

ДНК образует как бы сердцевину хромосомы; белки же обволакивают ДНК наподобие рукава. Когда гены укрыты, содержащуюся в них информацию «прочитать» невозможно. Представьте себе, что ваша рука — это участок ДНК, содержащий ген, в котором закодирован голубой цвет глаз. В клеточном ядре такой уча сток ДНК покрыт связанными с ней регуляторными белками, как рука — рукавом рубашки.

Главенствующая роль среды. Новая наука приходит к выводу, что информационный поток, управляющий живой материей, начинается с сигналов окружающей среды, которые управляют связыванием «рукава» регуляторных белков с ДНК и, значит, — с активностью генов. Обратите внимание: поток информации больше не является однонаправленным. В 1960х годах Говард Темин установил экспериментально, что РНК способна переписывать ДНК. тем самым поворачивая информационный поток вспять, в направлении, обратном предписанному Главной догмой. Говард Темин, которого поначалу подняли на смех и обвинили в «ереси», позднее, получил Нобелевскую премию за описание обратной транскрипции — молекулярного механизма, при помощи которого РНК может переписывать генетический код. Обратная транскрипция нынче на слуху, так как именно таким образом РНК вируса СПИДа захватывает ДНК инфицируемой клетки. Сегодня также известно, что изменения в молекуле ДНК, например, добавление или удаление так называемых метиловых 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. Толщина стрелок, указывающих на рисунке направление информационного потока, неодинакова: на обращение информационного потока наложены жесткие ограничения — это позволяет не допустить существенных изменений в геноме клетки

Как же «засучить рукава» регуляторных белков? Необходим внешний сигнал, побуждающий белок «рукава» изменить конфигурацию, отделиться от двойной спирали ДНК и открыть ген для «прочтения», Когда ген оказывается открыт, клетка делает его копию. Таким образом, активность генов управляется присутствием или отсутствием покровных регуляторных белков, что, в свою очередь, обусловливается сигналами внешней среды.

Разобраться в тонкостях эпигенетического воздействия — значит разобраться в том, как сигналы окружающего мира управляют активностью генов. Сегодня уже понятно, что схема «верховенства ДНК» устарела; новую схему информационного потока следовало бы назвать «главенство среды». Согласно этой новой, более сложной схеме, распространение биологической информации начинается с сигналов среды, действующих через регуляторные белки, и лишь затем в игру вступают ДНК, РНК и, наконец, белок.

Эпигенетика также установила, что есть два механизма — генетический и эпигенетический, посредством которых организмы передают из поколения в поколение наследственную информацию. Этот факт открывает возможность исследовать вклад в человеческое поведение как природыnature (генов), так и воспитанияnurture (эпигенетических механизмов). Если же принимать во внимание только генетические программы (как это делалось многие десятилетия), механизм влияния среды понять невозможно [Dennis 2003; Chakravarti and Little 2003].

Приведу аналогию, которая, возможно, прояснит отношения между эпигенетическим и генетическим механизмами. Если вы не слишком молоды, то, вероятно, помните те дни, когда телевизионные программы передавались только до полуночи. По окончании телепрограмм на экране телевизора появлялась так называемая «настроечная таблица». Большинство таких таблиц представляли собой что-то вроде концентрических мишеней для стрельбы (см. рисунок). При помощи ручек и переключателей телевизионного приемника, можно было добиться появления или исчезновения настроечной таблицы, а также под­страивать целый ряд ее характеристик: цвет, оттенок, яркость, контрастность, положение по вертикали и горизонтали. Иными словами, имелась возможность изменять характер изображения на экране, никак не воздействуя при этом на сигнал, поступающий из телецентра. Так вот, то же самое делают и регуляторные белки. Благодаря этим эпигенетическим «ручкам» одна и та же генная программа может реализоваться в виде двух и более тысяч вариантов белков [Вгау 2003; Schmuker, et al, 2000].