Текст книги "Читая между строк ДНК. Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем"
Автор книги: Петер Шпорк
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)
Петер Шпорк
Читая между строк ДНК
Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем
Моим родителям, бабушкам и дедушкам, которые дали мне гораздо больше, чем геном и его переключатели
Предисловие. Революция!
Если бы мы были компьютерами, наши гены составляли бы аппаратную часть. Естественно было бы предположить и существование программного обеспечения – именно его вот уже несколько лет пытаются расшифровать эпигенетики – да-да, не генетики, а именно эпигенетики. Эти ученые исследуют те элементы нашего наследственного материала, которые его программируют – сообщают ему, какой ген должен работать, а какой нет.
Компьютерный софт определяет, можем ли мы использовать ПК для работы с текстом, графическими изображениями, электронными таблицами или для игр, а благодаря эпигенетическому программному обеспечению наши клетки «знают», в каких процессах они участвуют – в процессе мышления, пищеварения, синтезирования гормонов или в борьбе с болезнями. Кто способен целенаправленно перепрограммировать этот софт, тот может эффективно использовать весь огромный потенциал, скрытый в генах.
Слова «революция» или «революционный» будут часто встречаться в этой книге. Слишком часто, попеняют некоторые. Слишком редко, возразят другие. Как популяризатор науки и биолог могу заверить, что обычно я этими понятиями не злоупотребляю. Но в связи с эпигенетикой они прямо-таки напрашиваются. Ибо эта новая научная область обещает перевернуть нашу жизнь и жизнь наших потомков.
Эпигенетика помогает исследователям разрабатывать совершенно новые препараты и методы лечения. Она учит нас, как, изменяя свой образ жизни, мы можем частично управлять собственными генами. Она объясняет, как сформировались различные черты нашего характера и как наши привычки отражаются на личности наших детей. Эпигенетика показывает, как здоровый образ жизни продлевает нам жизнь, а в придачу – и жизнь наших потомков. К тому же она изменяет некоторые фундаментальные положения генетики.
Профилактическая медицина, онкология, педагогика, психология, психиатрия, геронтология, эволюционная биология – все эти отрасли извлекают пользу и получают сильные импульсы развития от новой области генетики. Думается, что такое позволительно назвать революцией.
Введение. Клеточная память
Власть, о которой не предполагалиЧто у вас было сегодня на завтрак? Регулярно ли вы ездите на работу на велосипеде? Удавалось ли вам в последнее время уделить внимание себе и снять стресс? Когда вы в последний раз гладили своего ребенка по голове и хвалили его?
Почему я задаю такие вопросы? Они затрагивают темы, о которых пойдет речь в этой книге. Потому что почти все наши действия и то, как поступают с нами другие, отражается на наших клетках. Все это оставляет след на молекулярно-биологической основе нашего организма. Новая наука способна доказать, что подобные следы, если только они устойчивы и достаточно глубоки, влияют на самую сердцевину наших клеток – наследственный материал.
«Над нашими генами и генами наших детей мы имеем власть, о которой не предполагали», – говорит Рэнди Джертл, биолог из Дюкского университета (Дарем, США). В рамках одного примечательного эксперимента он предопределяет состояние здоровья и внешний вид генетически идентичных мышей исключительно благодаря составу корма их матерей во время беременности. Если корм содержит специальные витамины и биодобавки, детеныши будут поджарыми, здоровыми, бурыми. При отсутствии этих добавок они окажутся толстыми, болезненными и желтыми.
Их гены не подвергаются воздействию. Значит, у мышей, когда они находятся в чреве матери, должно меняться что-то еще, а не просто текст генома. Нечто определяющее всю их жизнь – например, будет ли у них в старости склероз коронарных сосудов сердца.
Исследователи из разных стран уже разгадали причины этого феномена. Ими занимается новая наука, о которой пойдет речь в книге, – эпигенетика. Девять из десяти человек, случайным образом опрошенных на улице, ничего о ней не слышали. Эпигенетика означает «над-генетика» или «около-генетика», [1]1
Греческая приставка «эпи-» означает «на-», «над-», «сверх», «около», «рядом». (Здесь и далее, если не указано особо, – прим. пер.).
[Закрыть]она изучает эпигеномы, которые располагаются «над» геномами наших клеток (некоторые говорят «за», «рядом» или «на»).
Геном – совокупность всех генов, содержащихся в наследственном материале. Геном в свою очередь состоит из кажущейся почти бесконечной последовательности всего лишь четырех разных химических компонентов. Это буквы генетического текста, образующие код, который клетки умеют читать как «монтажную схему» и переводить в многочисленные белки – из них строится живое существо.
Тот факт, что люди так рознятся из-за минимальных отличий некоторых генов, а сестры и братья похожи, поскольку унаследовали от родителей много совпадающих генов, уже стал общеизвестным. Но это только половина правды. Если бы решающую роль играл один лишь генетический текст, мы гораздо больше походили бы друг на друга. Даже шимпанзе мало чем отличались бы от нас.
Еще один феномен нельзя объяснить только генетическим кодом. Почему наш организм способен строить разные типы клеток, хотя в них заключен один и тот же геном? Почему существуют нервные клетки, клетки волоса, печени и многие другие? Неужели клеточные ядра моей мышечной ткани содержат точно такой же наследственный материал, как слизистая оболочка кишечника или, например, щитовидная железа?
Вот тут в игру вступает эпигенетика. Она изучает структуры, которые наделяют индивидуальностью каждую клетку и в совокупности образуют ее эпигеном. Последний отвечает за хранение в клетке не только «монтажных схем» всех возможных белков, но и указания, какие из них должны быть реализованы. Эти указания клетки при делении могут передавать вместе с генетическим текстом своим дочерним клеткам.
Можно сказать, эпигеном определяет назначение клетки. Он сообщает геному, как тот должен использовать свой потенциал. Он решает, какой именно ген и в какой момент активируется, а какой – нет. Он даже программирует скорость старения клетки, ее восприимчивость к внешним раздражителям, склонность к заболеваниям и длительность функционирования.
Инструменты эпигенома – так называемые эпигенетические переключатели. Они целенаправленно присоединяются к определенным участкам генома и определяют, какие именно гены клетка в принципе может использовать, а какие – нет. Таким образом эпигеном создает грамматику, структурирующую текст жизни. Это программное обеспечение, софт, помогающий клеткам правильно использовать свое «железо», то есть генетический код. Ибо если каждая клетка стала бы одновременно считывать все свои гены и синтезировать все белки, «монтажные схемы» которых она хранит, – воцарился бы хаос.
Согласно биологическому определению эпигенетика занимается всей молекулярно-биологической информацией, которую клетки хранят и передают своим дочерним клеткам, но которая не содержится в наследственном материале.
«То есть как? – удивитесь вы теперь. – В школе нам это объясняли совсем по-другому. Клетки передают по наследству только свой геном. И больше ничего». А вот и нет! Несколько лет назад биологи убедились в том, что наши школьные знания надо скорректировать. Клетки при делении наследуют также эпигенетическую программу.
Собственно говоря, существование эпигеномов можно было предположить давно. И многие ученые догадывались о них уже в начале прошлого века. Так что генетики пользуются понятием «эпигенетика» почти 70 лет. Но лишь теперь, когда ученые полностью расшифровали генетический код человека, потратив на это пять десятилетий и огромное количество труда, наука вновь обращается к старым идеям. Например, в центре внимания оказывается следующий вопрос: почему в сердце растут только его собственные клетки, тогда как из одной стволовой клетки может развиться много разных типов этих элементарных единиц организма?
Однако покинуть тесную башню из слоновой кости и отвлечься от фундаментальных исследований эпигенетике помогло открытие другого феномена – оказалось, что эпигенетические переключатели обладают способностью меняться. Они реагируют на внешние воздействия. Поэтому многие факторы способны перепрограммировать наши гены – воспитание, любовь, питание, стресс, гормоны, голод, время, проведенное в материнской утробе, отравления, психотерапия, никотин, чрезмерные нагрузки, психические травмы, климат, разнообразные страдания, спорт и многое другое.
Подобные факторы могут значительно изменить биохимию клетки, оставляя в неприкосновенности генетический код. В этом открытии заключены колоссальные возможности, которые Моше Шиф, израильский эпигенетик из Монреальского университета (Канада), формулирует следующим образом: «Раз окружающая среда влияет на изменение наших эпигеномов, разрыв между биологическими и социальными процессами практически ликвидируется. И это в корне меняет наш взгляд на жизнь». Ибо эпигенетика объясняет, каким образом внешний мир может надолго изменять наши тело и психику.
И видимо, чем мы моложе, тем сильнее наши клетки реагируют на внешние воздействия. Мыши Рэнди Джертла еще находятся в утробе матери, когда питание на всю жизнь отключает у них несколько генов, определяя цвет шерсти и склонность к болезням.
Множатся свидетельства, что те же процессы характерны и для человека. Прежде всего, стало наконец понятно, почему характер ребенка настолько зависит от эмоционального опыта, приобретенного им самим и его родителями незадолго до и сразу после рождения. Например, некоторые люди более склонны к депрессиям и тревожным состояниям, чем другие. Более того – эпигенетика приходит к пониманию, что часто уже до рождения определяется, заболеем ли мы в будущем раком или диабетом, будем ли страдать от ожирения, какой-нибудь мании или сердечно-сосудистых заболеваний. Она может также объяснить, почему нездоровый образ жизни одним людям вредит меньше, чем другим.
То, что уже сегодня известно ученым, звучит сенсационно: более или менее сознательно меняя программу генома, мы можем оказывать устойчивое влияние на свой организм – на тело и психику. И на нас ложится огромная ответственность перед потомками. Поскольку некоторые решения, принятые порой задолго до их рождения, изменят их личность, здоровье, продолжительность жизни.
«Десятилетие генетики давно окончилось. Мы добрались до середины десятилетия эпигенетики. В этой области молекулярной биологии сегодня происходит все самое важное и самое захватывающее», – объяснил мне Рудольф Йениш из знаменитого Уайтхэдского института (Кембридж, США), немецкий первопроходец в области генной инженерии и исследования стволовых клеток, многолетний кандидат на Нобелевскую премию.
И, как считает Томас Йенувайн, возглавляющий секцию эпигенетики Института иммунобиологии Общества Макса Планка во Фрайбурге, мы находимся в преддверии формирования нового биологического мышления, в преддверии перехода к «постгеномному обществу». Ведь новая отрасль генетики – связующее звено между окружающим миром и генами, которое так долго искали ученые. Она наконец лишает оснований дискуссию о социогенетизме и биогенетизме, [2]2
«Социогенетизм или биогенетизм» – дискуссия о роли воспитания и природных факторов в формировании характера и способностей человека, бывшая особенно жаркой в 1970-е годы. (Прим. ред.).
[Закрыть]которая вот уже сто лет движет этой наукой. Вопрос о том, какие свойства мы унаследовали от предков, а какие приобрели под влиянием воспитания, культуры и взаимодействия с внешней средой, в такой форме больше не стоит. Внешняя среда влияет на наследственность и наоборот.
«Эпигеном – это язык, посредством которого геном сообщается с внешней средой», – говорит Рудольф Йениш. И добавляет – именно сложность делает эпигенетику столь увлекательной: «Все геномы ваших клеток одинаковы. Изучив один, вы поймете все. Но у каждого человека есть тысячи разных эпигеномов». Когда все их разнообразие будет изучено, откроются невиданные перспективы для новых исследований и методов лечения.
В конце концов эпигенетика сможет осуществить то, что не удалось ее могущественной матери генетике, – завершить биомедицинскую революцию XXI века.
Второй кодСамое важное, что я хочу сказать этой книгой: не чувствуйте себя марионеткой во власти собственных генов. Поверьте, вы можете изменить свою конституцию, обмен веществ, свою личность. Вопреки утверждениям биофаталистов, снова и снова звучавшим в течение последних десятилетий, наша жизнь не полностью предопределяется наследственностью. Да, существуют биологическая судьба, генетическая программа, управляющая телом и психикой и определяющая, какими нам быть – болезнеустойчивыми, толстыми, долгожителями, предрасположенными к раковым заболеваниям, медлительными, ласковыми, склонными к зависимости или очень умными, однако в значительной степени эта судьба – в наших собственных руках.
Измените стиль жизни – и вы положите начало цепочке биохимических изменений, которые станут незаметно, но неуклонно помогать и вам, и, возможно, всем вашим потомкам до конца их жизни на Земле. Благодаря эпигеномам внешние факторы и последствия нашего собственного образа жизни порой на несколько десятилетий вперед определяют то, что происходит с нами и нашими потомками.
Эпигенетика обусловила прогресс сразу в нескольких областях науки, например в изучении стволовых клеток и в противораковых исследованиях.
Особый интерес представляет влияние эпигенетики на геронтологию. Великая тайна долгожителей кроется, как представляется, не в последнюю очередь в эпигеномах их клеток. Молекулярно-биологические переключатели влияют на так называемую программу продления жизни, которая есть практических у всех организмов, от дрожжей до человека. Эти программы – если они включены – позволяют некоторым из нас сохранить здоровье и бодрость до глубокой старости.
Психология тоже не остается внакладе, ведь эпигенетики выясняют, как формируется человеческий характер, что делает одних трусливыми, слабыми и даже агрессивными «людишками», других – уравновешенными, спокойными и устойчивыми личностями. Новая наука дает ответы на интересные вопросы: какую роль играют в формировании мозга первые годы жизни и время, проведенное в утробе матери? Как поступать родителям, чтобы их дети развивались наилучшим образом? Какие изменения производит психотерапия в мозгу людей, страдающих, например, от депрессии или посттравматического шока?
Изменчивость эпигеномов объясняет даже, почему условия и обстоятельства перед рождением и в первые годы жизни решающим образом определяют предрасположенность к болезням в старости.
Благодаря новой дисциплине теорию эволюции также необходимо скорректировать в одном очень важном аспекте. Теперь уже не подлежит сомнению, что вопреки учению великого Дарвина эпигенетически зафиксированные внешние воздействия могут иногда наследоваться.
Притягательность эпигенетики очень точно выразил молекулярный биолог Ренато Паро. «Благодаря эпигеному клетки обладают памятью», – широко улыбаясь и сияя, заявил профессор во время нашей встречи в только что открывшемся Базельском институте, где он работает.
Институт оснащен на самом высоком уровне. Очевидно, Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха, которому принадлежит этот центр, вполне осознает значение нового научного направления. Эпигеном наделяет клетки памятью, и если мы когда-нибудь поймем, как эта память работает и научимся ее контролировать, то овладеем невероятно действенным биологическим, фармацевтическим, диагностическим, психологическим и медико-профилактическим инструментом.
Даже если бы я и без того не решил писать о хранении информации помимо и вне гена, меня непременно раззадорил бы энтузиазм ученых, с которыми я беседовал в течение нескольких месяцев, пока собирал материал. После того как генетика достигла своей вершины, расшифровав геном человека, прошли годы, однако эта наука смогла сдержать лишь некоторые из своих обещаний. Задачу исследовать сверхсложные механизмы генного контроля берет на себя новое поколение биологов.
В конечном счете эти механизмы решают судьбу каждой клетки, а тем самым и биологического развития всего организма. Популяризатор науки и профессор психосоматики из Фрайбурга Иоахим Бауэр в своей книге «Память тела» одним из первых дал этому открытию превосходное определение: «Тайна здоровья – и это касается подавляющего большинства болезней – кроется не в генном тексте, а в регулировании его активности». Тогда этот тезис представлялся довольно спорным, сегодня под ним подписалось бы большинство ученых.
Одно из названий этой книги – «Второй код» – отражает главную идею эпигенетики. Первый код – последовательность букв генного текста – определяет не все. Существует еще одна биологическая информационная система. Именно благодаря ей каждая наша клетка знает, откуда она происходит, какой путь ей предстоит и куда она придет.
Генетический код сообщает организму, какие биомолекулы он может синтезировать, а второй, эпигенетический код сообщает ему, когда, где и какую из принципиально возможных биомолекул он в действительности должен синтезировать. Второй код закрепляет важную информацию и в геноме, и на геноме, но при этом работает в ином временном масштабе, нежели первый. Эпигенетическая информация меняется в течение лет и десятилетий, динамично реагируя на изменения внешней среды. Классическая генетическая эволюция а-ля Дарвин тратит на изменения тысячелетия.
Многие из этих открытий сделаны в результате опытов с дрожжевыми грибками, растениями, мухами или грызунами. Тем не менее большинство исследователей уверены в возможности перенесения результатов на человека. Частично такое перенесение уже увенчалось успехом. И ряд доселе непонятных феноменов можно теперь объяснить с помощью эпигенетики. Кроме того, речь идет о фундаментальных процессах, протекающих в клетках, а здесь мы не так уж сильно отличаемся от животных.
В этой книге я стремлюсь выполнить три задачи. Я хочу объяснить, что такое эпигеномы и как они функционируют. Представить многочисленные выдающиеся открытия, совершенные эпигенетиками на сегодняшний день. Но прежде всего мне хотелось бы обратить внимание на последствия этих открытий для нас и нашего образа жизни, высказать рекомендации по поводу возможных положительных изменений уже сегодня, чтобы осмысленно использовать власть над нашей наследственностью, которую дает нам второй код.
При этом я основываюсь исключительно на высказываниях и прогнозах признанных ученых. Таким образом, велика вероятность, что большая часть написанного в этой книге останется в силе и через несколько десятилетий.
Поймите меня правильно: несмотря на то что в свете дальнейших исследований некоторые высказывания могут оказаться неверными, эпигенетика как таковая в самом ближайшем будущем радикально изменит нашу жизнь. Политики, работающие в области здравоохранения, разработают программы, которые окажут психологическую, финансовую и диетологическую поддержку будущим родителям – ради долгой и здоровой жизни их детей. Курильщику придется искать себе гораздо больше оправданий, поскольку вредит он не только себе, но и здоровью еще не родившихся детей и внуков. Некоторые химикаты, широко используемые сегодня, будут запрещены, поскольку они модифицируют эпигеномы наших клеток.
Появятся также и новые лекарства, эффективно борющиеся с раком, депрессиями и многими другими болезнями – за счет обратимости неправильного эпигенетического программирования. Наконец, можно будет применять стволовую терапию, так как ученые научатся перепрограммировать второй код отдельных клеток. Следовательно, благодаря эпигенетике выздоровеют многие люди, которые сегодня считаются неизлечимо больными.
В 2006 году была присуждена первая Нобелевская премия за открытие в области эпигенетики. Нобелевский комитет отметил ученых из США Эндрю Файера и Крейга Мелло за работу по так называемой РНК-интерференции. Под этим обозначением подразумевается один из трех механизмов, с помощью которых клетки формируют эпигенетическую память. Я убежден, что исследование второго кода принесет еще больше революционных открытий.
Вполне вероятно, что один из многих ученых, процитированных в этой книге и беседовавших со мной в лаборатории или в кулуарах научных конгрессов, тоже однажды получит Нобелевскую премию.
Я присудил бы ее всем им.
1
От генетики к эпигенетике: почему генам нужны переключатели
Книга жизниДо конца срока на посту президента США Уильяму Джефферсону – или просто Биллу – Клинтону остается еще несколько месяцев. Он входит в церемониальный зал Белого дома. Размеренным шагом приближается к трибуне, растягивает сжатые губы, как делает всегда, если собирается сказать о чем-то важном, и объявляет многочисленным иностранным гостям и представителям средств массовой информации, а также удивленным телезрителям: «Сегодня здесь, в Восточном зале, собрались представители всего мира, чтобы посмотреть на совершенно особую карту». Речь шла «о самой важной, самой удивительной карте, которую когда-либо создавало человечество».
26 июня 2000 года. Клинтон выступает не один. Два героя стоят рядом с ним, оба именитые молекулярные биологи: справа – Фрэнсис Коллинз из Национального института здравоохранения США, представитель международного проекта «Геном человека», финансируемого из бюджета. Слева – Крейг Вентер из частной фирмы «Селера Джинетикс». Обе команды последние десять лет вели жесткую конкурентную борьбу. Речь шла не более и не менее, как о расшифровке биологической основы человека, – так, по крайней мере, представлялось.
В тот момент команда Крейга Вентера, подгоняемая честолюбием и поддерживаемая неисчерпаемым частным капиталом, заметно лидирует, однако соперники объединяются по случаю общественно важного события. Они совместно представляют, по их выражению, «рабочую версию» карты генома человека: на их диаграммах проставлены 97 % всех букв генного кода человека. «Книга жизни» – как назвали эту карту Клинтон и ученые – теперь может быть прочитана.
По спутниковой связи результаты исследования комментируют генетики из Парижа, Лондона, Пекина, Токио и Берлина. Подключается и премьер-министр Великобритании Тони Блэр. Оба политика не скупятся на высокопарные выражения. Генетическая карта, по словам президента США, несравнимо важней географической карты Америки, которую Томас Джефферсон, предшественник Клинтона в Белом доме, представлял в этом же зале 200 лет назад. Затем президент поздравляет Блэра с тем, что ожидаемая продолжительность жизни его недавно родившегося сына увеличилась на 25 лет. Такие массовые болезни, как рак, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера или диабет, в ближайшее время станут излечимыми благодаря новым данным.
Эйфория кажется оправданной, ибо ученые наконец могут почти полностью расшифровать текст из 3,3 миллиарда букв, который образуют ступени двойной спиральной лестницы наследственного вещества человека. Эта лестница – самая известная двойная спираль в мире, дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, известная также по аббревиатуре своего англоязычного названия – DNA. Все наследственное вещество человека содержится в 46 молекулах ДНК – их называют хромосомами. Существуют 22 пары одинаковых хромосом. У женщин имеется еще две Х-хромосомы, у мужчин одна X– и одна Y-хромосома. В каждой паре одна хромосома наследуется от отца и одна – от матери.
Молекулы ДНК – невероятно длинные, но толщиной всего в десяток атомов – есть в ядре каждой клетки. Секрет их наследуемости кроется в особой форме, которая легко репродуцируется. Когда клетка делится, чтобы образовать две дочерние, ее двойная спираль раскрывается подобно замку-молнии. Затем она синтезирует недостающую цепь, так что из одной молекулы ДНК получается две идентичные дочерние молекулы. Каждая дочерняя клетка получает в наследство одну из этих молекул, а с ней – полный геном материнской клетки.
Для продолжения рода у людей сначала образуются яйцеклетки или сперматозоиды, в которых каждая хромосома определенного типа существует в единственном числе. Только случай решает, какой ген будет унаследован от дедушки или бабушки. Поэтому братья и сестры, если они не однояйцевые близнецы, генетически отличаются друг от друга. Пол ребенка также зависит от случая: если он унаследует от отца Х-хромосому, родится девочка, если Y-хромосому – мальчик.
При оплодотворении яйцеклетка и сперматозоид сливаются, и новая клетка опять приобретает полный набор из 46 хромосом. Эта невероятно малая первоначальная единица жизни содержит почти всю информацию, которая обеспечивает ее биологическое развитие и последующую жизнеспособность. Через много лет, в соответствии с очень сложной программой, записанной большей частью также в ДНК, из нее разовьется новый взрослый человек со своими совершенно особыми свойствами, сохраненными в индивидуальной книге жизни.
