Гигантский «мозг» ДНК
В каждой клетке вашего тела есть ядро, которое плавает в цитоплазме, словно желток в яйце. Ядро содержит ваши хромосомы, сорок шесть свернутых в спирали молекул, а каждая хромосома содержит до 300 миллионов пар генетических букв, называемых нуклеиновыми кислотами. Эти бесцветные желеобразные вещества (видимые невооруженным глазом только тогда, когда в лаборатории искусственным образом делают миллиарды копий) содержат генетический материал, который делает вас такими, какие вы есть.
Если распрямить ДНК в одной из ваших клеток, то 2,8 миллиарда спаренных оснований вытянутся в длину почти на три метра. Если распрямить ДНК из всех ваших клеток, то сплетенный из них «канат» не менее 5000 раз дотянется до Луны и обратно‹‹19››. Это очень много химической информации. Но ваши гены занимают лишь 2 процента из нее. Остальная последовательность — ну, остальные 98 процентов — это то, что ученые когда-то называли мусором. Они, конечно, не считали, что эта оставшаяся ДНК вообще ни на что не пригодна — просто не знали, для чего она. Но в последние два десятилетия ученые обнаружили, что этот материал обладает потрясающими способностями.
Эти открытия были совершены в отрасли генетики, которая называется эпигенетикой. Эпигенетики изучают, как гены включаются или выключаются. Именно так организм модулирует гены, реагируя на окружающую среду; именно поэтому два близнеца с одинаковой ДНК могут развить в себе совсем разные черты.
Ученые-эпигенетики, исследуя эту огромную генетическую территорию, нашли целый спрятанный мир, прекрасный в своей сложности. В отличие от генов, которые функционируют как относительно статичное хранилище закодированной информации, так называемая мусорная ДНК (или, если точнее, — некодирующая ДНК), похоже, предназначена для изменений, причем как в краткосрочной — в течение человеческой жизни, — так и в долгосрочной перспективе. Судя по всему, мусорная ДНК помогает биологическим механизмам принимать ключевые решения — например, превращать одну стволовую клетку (недифференцированную клетку, которая может развиться в клетку любого типа) в часть глаза, а другую стволовую клетку с такой же ДНК — например, в часть печени. Эти решения, похоже, принимаются под воздействием окружающей среды. Мы знаем, что это так: если взять стволовую клетку и поместить ее в печень животного, она становится клеткой печени. А если взять такую же стволовую клетку и поместить ее в мозг, она становится нервной клеткой‹‹20››. Мусорная ДНК пользуется химической информацией, располагающейся вокруг нее, чтобы определить, какие гены включать, когда и в каком количестве.
Один из самых занимательных — и неожиданных — уроков, которые мы получили из проекта «Геном человека» — это открытие, что наши гены очень похожи на гены мышей, которые похожи на гены других млекопитающих, а те, в свою очередь, на удивление похожи на гены рыб. Оказалось, что белки, вырабатываемые людьми, не уникальны в царстве животных. Людьми нас делают регуляторные сегменты генетического материала — те самые регуляторные сегменты, которые направляют развитие стволовых клеток во время роста в утробе и в течение всей остальной жизни. Может быть, те же механизмы, что способствуют созреванию клеток, функционируют и в течение поколений, помогая видам эволюционировать? По словам Артураса Петрониса, главы Эпигенетической лаборатории имени семьи Крембил в Центре борьбы с вредными привычками и душевными болезнями в Торонто, «нам нужен радикальный пересмотр ключевых принципов традиционной генетической исследовательской программы»‹‹21››. Другой эпигенетик дает нам и такую точку зрения на ошибочные взгляды на эволюцию: эволюционные изменения, вызываемые мутациями и отбором — это лишь вершина айсберга. «Подводная часть айсберга — это эпигенетика»‹‹22››.
Чем больше мы изучаем эти таинственные 98 процентов, тем лучше понимаем, что на самом деле они функционируют как сложнейшая регуляторная система, которая контролирует активность наших клеток, словно большой молекулярный мозг. Во всех клетках победителей генетической лотереи содержится ДНК, которая регулирует рост и активность клеток лучше, чем у среднего человека. Не потому, что им просто так повезло, а потому, что их регуляторная ДНК — хромосомный «мозг», расположенный в огромной некодирующей части хромосом, — работает лучше. Как и вашему мозгу, ДНК нужно помнить, чему она научилась, чтобы правильно работать.
ЯДРО: ТАМ, ГДЕ ПИЩА ПРОГРАММИРУЕТ ГЕНЫ
Вся ваша ДНК содержится в специальном «отсеке» ваших клеток — в ядре. В ядре ДНК разделена на части, которые называются хромосомы. Каждая из хромосом, если ее развернуть, будет в длину несколько футов, но все сорок шесть хромосом упакованы в пространство размером всего лишь несколько микронов, обернутые вокруг особых структур, называемых гистонами. Эти свернутые нити с генетической информацией могут ослабляться, делая какой-либо участок ДНК доступным для соединения с ферментами и таким образом «включая», или запуская экспрессию конкретного гена или набора генов. Питательные вещества из еды, в частности, витамины и минералы, а также гормоны и белки, вырабатываемые организмом, играют разнообразные роли в регулировании этого наматывания и ослабления, называемого «дыханием». Чем больше мы узнаём, тем лучше понимаем, что наши гены живут своей жизнью. Эпигенетика только-только затронула поверхность этой динамической системе контроля над регуляцией генов. Мы уже знаем, что хромосомные данные обрабатываются по аналоговому, а не цифровому принципу, что позволяет нашей ДНК хранить и обрабатывать намного больше информации, чем раньше представлялось.
Один из примеров того, что происходит, когда ДНК «забывает», как надо работать, — рак. Рак развивается в клетках, которые неправильно поняли свою роль как части совместного предприятия и разучились хорошо себя вести в организме. ДНК, управляющая раковой клеткой, по сути, перестает понимать, что происходит, и считает, что ее назначение — заставлять клетку постоянно делиться, не задумываясь о клетках-соседях, пока эта растущая масса клонов не начинает убивать соседние клетки. Вот как эпигенетика может работать против нас.
Одно из положительных качеств эпигенетики — способность придумывать новаторские, творческие решения для неидеальных генов и достигать умных компромиссов. Возьмем для примера развитие глаза. Внутри сетчатки на задней поверхности глаза располагается диск зрительного нерва, который служит центральной точкой фокуса для входящего в него света, обеспечивая так называемое центральное зрение. Такая простая вещь, как нехватка витамина А в раннем детстве, может заставить гены придумать, как сформировать этот диск в условиях нехватки питательных веществ. Результат? Вместо идеально круглого диска получается овальный, который приводит к близорукости и астигматизму‹‹23››. Это, конечно, не идеальный результат, но без этой способности к компромиссу ДНК бы пришлось принимать намного более радикальные решения — например, уничтожить получающие недостаточное питание клетки зрительного нерва целиком, оставив вас слепыми.
Творческие силы этого решающего проблемы «интеллекта» не могут работать без справочной информации. Каждое решение принимается на основе данных обо всех трудностях, которые довелось преодолеть вашей ДНК и ДНК ваших предков. Иными словами, ваша ДНК учится.
