Эпигенетика

Глава 1. Мерзкая жаба и прекрасный человек

В организме обычного человека насчитывается от пятидесяти до семидесяти триллионов клеток. Именно так, 50 000 000 000 000 клеток. Эта оценка весьма приблизительна, но и удивляться этому не приходится. Представьте, что мы смогли каким-то образом разделить человека на отдельные клетки и решили пересчитать их, установив для себя скорость по одной клетке в секунду. Если мы не будем устраивать перерывы на чашечку кофе и, сбившись, не станем пересчитывать сначала, то при самом благоприятном развитии событий на эту работу у нас уйдет около полутора миллионов лет. Из наших клеток сформировано множество самых разных типов тканей, в высшей степени специфических и совершенно непохожих друг на друга. Если что-нибудь не пойдет уж совсем наперекосяк, то почки не станут расти у нас посреди лба, а глазные яблоки не ощетинятся зубами. Нам это представляется само собой разумеющимся, но почему так происходит? Такая избирательность кажется довольно странной, особенно если мы вспомним, что каждая клетка нашего организма возникла в результате деления единственной начальной клетки. Эта первичная клетка называется зиготой. Зигота образуется при слиянии одного сперматозоида с одной яйцеклеткой. Зигота делится надвое; затем уже две клетки снова делятся пополам, и так продолжается до тех пор, пока не завершится формирование удивительного конечного результата, именуемого человеческим телом. В процессе деления клетки все больше и больше отличаются друг от друга и образуют специфические типы клеток. Этот процесс известен как дифференциация. Именно он играет главенствующую роль в формировании любого многоклеточного организма.

Если мы посмотрим на бактерии под микроскопом, то убедимся, что все бактерии одного вида выглядят абсолютно одинаково. А теперь под тем же микроскопом рассмотрим некоторые клетки человека — скажем, всасывающие пищу клетки тонкой кишки и нейроны головного мозга, — и, скорее всего, будет весьма сложно поверить в то, что они имеют одно и то же земное происхождение. Так в чем же дело? Ведь и те, и другие клетки развились из одного и того же, общего для них, генетического материала. Именно общего, в том-то все и дело, так как они произошли от единственной первичной клетки, зиготы. А это значит, что клетки могут становиться совершенно разными, несмотря на то, что берут свое начало от одной клетки с записанным в ней единственным планом развития.

Одно из объяснений этого феномена заключается в том, что клетки разным образом используют одну и ту же информацию, и это, несомненно, так и есть. Однако такое объяснение не никак не помогает нам в наших поисках истины. В экранизации 1960 года «Машины времени» Г. Дж. Уэллса, где Род Тейлор исполнил роль путешествующего по времени ученого, есть одна сцена, в которой он демонстрирует изобретенный им аппарат своим высокообразованным коллегам (исключительно мужчинам, естественно), и один из них просит объяснить, как эта штука работает. И наш герой рассказывает, как путешественник, бороздя время, будет управлять машиной с помощью следующего нехитрого механизма:

«Перед ним располагается рукоятка, задающая направление движения. Отжимая рукоятку от себя, он посылает аппарат в будущее. Прижимая ее к себе, отправляется в прошлое. И чем сильнее давление на рукоятку, тем выше скорость развивает машина».

Все глубокомысленно кивают, выслушав это объяснение. Вот только проблема в том, что это никакое не объяснение, а всего лишь описание. То же самое мы вправе возразить и в ответ на утверждение о том, что клетки разными способами используют одну и ту же информацию, — это заявление не сообщает нам ничего нового, в нем только лишь перефразировано то, что нам и так было известно.

Куда интереснее было бы выяснить, каким образом клетки могут использовать одну и ту же генетическую информацию различными способами. Еще интереснее и важнее узнать, как клеткам удается помнить о том, что им предстоит делать, и продолжать делать это.

Клетки в нашем костном мозге производят клетки крови, клетки в печени продолжают производить клетки печени. Почему это происходит?

Одно из возможных и весьма привлекательных объяснений заключается в том, что по мере того как клетки становятся все более специфическими, они перестраивают свой генетический материал и, вероятно, утрачивают гены, в которых больше не нуждаются. Печень принадлежит к числу жизненно важных и чрезвычайно сложных органов. На вэб-сайте фонда British Liver Trust[3] говорится, что печень выполняет в организме свыше 500 функций, включая участие в переработке пищи, усвоенной кишечником, нейтрализации токсинов и выработке ферментов, выполняющих в нашем организме самый широкий спектр задач. Однако чем печень не занимается никогда и ни при каких условиях — это перенос по организму кислорода. Эта обязанность возложена на красные кровяные тельца, которые до отказа заполнены особым белком, гемоглобином. Гемоглобин захватывает кислород в тканях, где того в избытке, например в легких, а затем освобождается от него, когда красные кровяные тельца достигают тканей, нуждающихся в этом важнейшем химическом элементе, таких как, скажем, крошечные кровяные сосуды в кончиках наших пальцев ног. Печень никогда не возьмет на себя эту функцию, так как, возможно, она просто «избавилась» от гена гемоглобина, который никогда так и не использовала?

Такое объяснение представляется вполне разумным — клетки попросту утрачивают генетический материал, который им в будущем не пригодится. В процессе дифференциации клетки могут отбросить сотни генов, в которых они больше не нуждаются. Возможен, конечно, и несколько менее кардинальный способ решения этой проблемы — может быть, клетки всего лишь отключают те гены, которыми не пользуются. И, возможно, они проделывают это настолько эффективно, что эти гены уже никогда не смогут снова активироваться в той же клетке, то есть гены оказываются необратимо подавленными. В ключевом эксперименте, исследовавшем эти две в равной степени допустимые гипотезы — утрату генов или их необратимую репрессию, — приняли участие мерзкая жаба и прекрасный человек.

Этой работе дали начало эксперименты, проведенные Джоном Гердоном многие десятилетия назад в Англии, сначала в Оксфорде, а затем в Кембридже. В настоящее время профессор сэр Джон Гердон по-прежнему работает в своей кембриджской лаборатории, превратившейся теперь в роскошное, оснащенное самым современным оборудованием здание и носящей его имя. Это совершенно очаровательный, скромный и выдающийся человек, который и через сорок лет после своего сенсационного открытия продолжает публиковать результаты проводимых им исследований в области, основателем которой, по сути, он и является.

Даже своей внешностью Джон Гердон производит самое неизгладимое впечатление, резко выделяясь на фоне всех обитателей Кембриджа. Разменявший восьмой десяток, это высокий и худощавый мужчина с зачесанной назад роскошной гривой седых волос. Он похож на собирательный образ старого английского джентльмена, какими их изображают в американских фильмах, и в этом нет ничего удивительного, учитывая, что получать образование он начинал в Итоне. Рассказывают, что Джон Гердон все еще трепетно хранит характеристику, данную ему в ту пору его школьным учителем биологии, в которой говорится: «Если не ошибаюсь, Гердон собирается заниматься наукой. В свете его нынешней успеваемости эти идеи представляются смехотворными»[4]. Такое мнение его учитель высказал на основании нежелания юноши бездумно вызубривать несвязанные между собой факты. Но, как мы убедимся чуть позже, для такого выдающегося ученого, каким стал Джон Гердон, память куда менее важна, нежели воображение.

В 1937 году венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за научные достижения, в число которых входило и открытие им витамина С. Одной фразой, имеющей несколько слегка различающихся переводов, которые, впрочем, не искажают ее смысла, он так описал процесс открытия: «Видеть то, что видят другие, но думать так, как никто раньше не думал»[5]. И эти слова, пожалуй, лучше любых других характеризуют то, чем занимаются настоящие ученые. А Джон Гердон с полным правом принадлежит к их числу и вполне может последовать по стопам Сент-Дьердьи к нобелевскому Олимпу.

В 2009 году он стал лауреатом Ласкеровской премии, которая соотносится с Нобелевской премией практически так же, как «Золотой Глобус» с «Оскаром» в кинематографе. Работы Джона Гердона настолько потрясающи, что, когда знакомишься впервые с изложенным в них материалом, он кажется таким очевидным, что поражаешься, как это раньше никто до такого не додумался. Вопросы, которые он ставит, и манера, в которой он дает на них ответы, обладают такой восхитительной научной простотой и изысканностью, что представляются не требующими никаких дополнительных доказательств.

В работе, о которой пойдет речь, Джон Гердон использовал неоплодотворенные яйцеклетки лягушек. Любой из нас, кто когда-либо был счастливым обладателем аквариума, полного лягушачьей икры, и наблюдал, как из ее желеобразной массы появляются головастики, а затем превращаются в крошечных лягушат, имел дело с оплодотворенными яйцеклетками, то есть с теми, в которые проникли сперматозоиды и создали новое полноценное ядро. Яйцеклетки, с которыми работал ученый, были практически такими же, но с единственным отличием — они не имели контактов со сперматозоидами.

У Джона Гердона были веские причины, чтобы использовать для экспериментов именно яйцеклетки лягушек. Икринки земноводных обычно очень крупные, они откладываются в больших количествах, развиваются вне материнского организма и, наконец, прозрачны. Благодаря всем этим особенностям земноводные представляют собой очень удобный экспериментальный материал для ученых, занимающихся биологией развития, поскольку обращаться с их яйцеклетками довольно просто. Вне всяких сомнений, проще, чем с человеческой яйцеклеткой — трудно достижимой, чрезвычайно хрупкой для манипулирования, непрозрачной и настолько маленькой, что нам потребовался бы микроскоп только для того, чтобы увидеть ее.

Джон Гердон работал с африканской шпорцевой лягушкой (Xenopus laevis, если представить ее официально), с одной из тех, ярым почитателем которых является Джон Малкович, пытаясь выяснить, что происходит с клетками по мере их развития, дифференциации и взросления. Он хотел узнать, по-прежнему ли клетка ткани взрослой лягушки содержит в себе весь генетический материал, которым она обладала когда-то, или он утрачен, или же его какая-то часть была необратимо репрессирована в процессе специализации клетки. Способ, которым он решил это выяснить, заключался в том, чтобы извлечь ядро из клетки взрослой лягушки и поместить его в неоплодотворенную яйцеклетку, из которой было предварительно удалено ее собственное ядро. Эта техника, с которой мы постоянно будем сталкиваться на протяжении всей книги, называется «перенос ядра соматической клетки» (ПЯСК). Термин «соматический» происходит от греческого слова, означающего «тело».

Осуществив ПЯСК, Джон Гердон поместил яйцеклетки в подходящую среду (совсем как тот малыш с полным лягушачьей икры аквариумом) и стал ждать, когда из этих обработанных икринок вылупятся маленькие головастики.

Этому эксперименту предстояло проверить следующую гипотезу: «По мере того как клетки становятся все более специфическими (дифференцированными), они претерпевают необратимую утрату/репрессию генетического материала». Итогом эксперимента должен был стать один из двух возможных результатов:

1. Гипотеза была верна, и «взрослое» ядро утратило часть изначального плана создания нового индивидуума. В этом случае взрослое ядро ни при каких обстоятельствах не будет способно заменить ядро яйцеклетки и не произведет новую здоровую лягушку со всеми присущими ей разнообразными и дифференцированными тканями.

2. Гипотеза была ошибочна, и новые лягушки могут быть созданы при удалении ядра из яйцеклетки и замене его ядром из взрослой ткани.

Другие исследователи пытались проделать нечто подобное еще до того, как Джон Гердон взялся за решение этой проблемы. Двое ученых, Бриггс и Кинг, проводили эксперименты с другим представителем земноводных — лягушкой Rana pipiens. В 1952 году они пересадили ядра из клеток на очень ранней стадии развития в яйцеклетки, из которых были удалены собственные ядра, и в итоге получили жизнеспособных лягушек. Тем самым, они продемонстрировали существование технической возможности переноса ядра из одной клетки в «пустую» яйцеклетку, при котором клетка не погибала. Однако затем Бриггс и Кинг опубликовали результаты следующего эксперимента, в ходе которого они прибегли к той же процедуре, но перенесли ядро более развитого клеточного типа, и на этот раз не получили ожидаемого результата — лягушки не вылупились. Разница между клетками, использовавшимися для переноса ядер в двух экспериментах, казалась ничтожно малой — всего лишь на какой-то день старше, а лягушат уже и нет. Это служило подтверждением гипотезы о том, что в процессе дифференциации клеток имеет место некая необратимая репрессия. Человека менее целеустремленного, чем Джон Гердон, такое известие, возможно, выбило бы из седла, однако он более десяти лет посвятил решению этой проблемы.

План проведения экспериментов следовало продумать самым тщательным образом. Представьте, что мы начали читать детективные повести Агаты Кристи. Прочитав первые три произведения, мы выдвигаем следующую гипотезу: «Убийцей в книгах Агаты Кристи всегда является доктор». Читаем следующие три повести и обнаруживаем, что в каждой из них действительно свирепствует врач. Подтвердили ли мы нашу гипотезу? Нет. Нас обязательно будет преследовать мысль, что, может быть, стоит прочесть хотя бы еще одно произведение, просто чтобы удостовериться. А что если какая-то из ее книг не напечатана? А вдруг мы не смогли ее отыскать? Сколько бы книг мы ни прочли, мы никогда не можем быть абсолютно уверены, что изучили все собрание сочинений. Но в этом-то и заключается вся прелесть опровержения гипотез. Все, что нам для этого требуется, это обнаружить одно-единственное произведение, в котором Пуаро или мисс Марпл убеждаются, что доктор является образцом законопослушания, а убийство совершил викарий, и тогда наша гипотеза разобьется вдребезги. Именно так строятся самые образцовые научные эксперименты — чтобы опровергнуть, а не подтвердить идею.

И здесь в полной мере проявила себя гениальность Джона Гердона. В то время, когда он проводил свои эксперименты, то, чего он пытался достичь, находилось на грани или даже за гранью возможностей современных ему технологий. Если бы ему не удалось произвести лягушат из ядер взрослой особи, это просто можно было бы списать на недостаточно высокое качество оборудования. Сколько бы раз он ни ставил эксперимент, который не приводил бы к появлению лягушат, это отнюдь не означало бы, что он подтвердил гипотезу. А вот если бы жизнеспособные лягушки действительно появились из яйцеклеток, собственные ядра которых были заменены взрослыми ядрами, тогда бы он опроверг эту гипотезу. Он бы со всей убедительностью продемонстрировал, что при дифференциации клеток их генетический материал не утрачивается необратимо и не меняется. Красота этого подхода заключалась в том, что единственная лягушка способна была перевернуть с ног на голову всю теорию — что она и сделала.

Джон Гердон всегда был и остается чрезвычайно щедр на благодарности в адрес своих коллег по научному сообществу, отмечая их вклад в проделанную им работу и говоря о прекрасных условиях, предоставленных ему лабораториями и университетами. Ему посчастливилось начать эксперименты в идеально оснащенной лаборатории, оборудованной новейшим инструментарием и установкой ультрафиолетового света. Благодаря этому он получил возможность убивать собственные ядра яйцеклеток-реципиентов, не нанося последним вреда, а также «размягчать» клетку, чтобы затем тончайшими стеклянными иглами для подкожных инъекций вводить в них донорские ядра. Другим исследователям, работавшим в той же лаборатории над собственными проектами, удалось вывести лягушек с явно выраженной, но не угрожавшей их жизни мутацией. Как почти все мутации, она возникла в ядре, а не в цитоплазме. Цитоплазма — это густая жидкость внутри клеток, в которой располагается ядро. Джон Гердон брал яйцеклетки лягушек одной группы и донорские ядра мутировавшей группы. Таким образом, он мог бы неоспоримо продемонстрировать, что все вылупившиеся в результате эксперимента лягушки несут в себе информацию донорского ядра и не являются продуктом экспериментальной ошибки, что могло бы иметь место, если бы несколько ядер реципиентов были оставлены в яйцеклетках после их обработки.

Джон Гердон занимался этими исследованиями, которые он начал в конце 1950-х годов, около пятнадцати лет, продемонстрировав в итоге, что ядра из специфических клеток действительно способны развиваться в полноценное живое существо, если их поместить в соответствующую среду, то есть в неоплодотворенную яйцеклетку[6]. Чем более дифференцированной (специфичной) была донорская клетка, тем менее успешным оказывался результат, если говорить о количестве животных, но в этом и состоит красота опровержения гипотез. Для начала эксперимента нам может потребоваться очень много лягушачьих икринок, но, чтобы наш эксперимент считался успешным, мы отнюдь не обязаны получить в итоге столь же много живых лягушек. Всего лишь одного врача, оказавшегося не убийцей, будет вполне достаточно, помните?

Тем самым Джон Гердон показал, что, несмотря на присутствие в клетках некоего механизма, способного поддерживать определенные гены в активированном или репрессированном состоянии в разных типах клеток, этот механизм, как бы он не действовал, не приводил к утрате или необратимой репрессии генетического материала. Когда Гердон помещал взрослое ядро в соответствующую среду — в данном случае, в «пустую» неоплодотворенную яйцеклетку, то это ядро напрочь «забывало», к какому клеточному типу принадлежало раньше. Оно вновь становилось наивным ядром эмбриона, чтобы опять с нуля начать собственный процесс развития.

На вопрос о том, чем же является этот механизм, и отвечает эпигенетика. Предмет исследований этой отрасли биологии развития заключается в изучении того, как ведут себя гены в ДНК, иногда на протяжении многих сотен циклов клеточных делений, и каким образом клетки наследуют определенные особенности своих «родителей». Эпигенетические модификации программы развития не оказывают влияния на генетический код, они не затрагивают его ни с какой стороны и программируют клетки на десятилетия вперед. Но при определенных обстоятельствах этот слой эпигенетической информации может быть удален, и под ним обнаружится все та же «белая и пушистая» последовательность ДНК, которая никуда и не девалась. Именно это и происходило, когда Джон Гердон помещал ядра полностью дифференцированных клеток в неоплодотворенные яйцеклетки.

Знал ли Джон Гердон механизм этого процесса, создавая новых лягушат? Нет. Становится ли от этого его открытие менее значимым? Нисколько. Дарвину абсолютно ничего не было известно о генах, когда он разрабатывал теорию эволюции, основываясь на изучении законов естественного отбора. Мендель ничего не знал о ДНК, когда в саду одного из австрийских монастырей развивал идею о наследственных факторах, передающих «истину» от одного поколения горошка другому. Это не имеет никакого значения. Они увидели то, что прежде не удавалось увидеть никому, и благодаря им мы вдруг получили возможность совершенно иначе взглянуть на окружающий мир.

Как это ни удивительно, но, когда Джон Гердон занимался этой работой, уже существовала некая концептуальная основа эпигенетики. Отправьтесь на любую конференцию, в названии которой присутствует слово «эпигенетика», и рано или поздно кто-либо из докладчиков непременно сошлется в своем выступлении на так называемый «эпигенетический ландшафт Уоддингтона». Он представит на ваше обозрение крупнозернистый рисунок, показанный на рисунке 1.1.

^{Рис. 1.1. Графическое изображение эпигенетического ландшафта, выполненное Конрадом Уоддингтоном. Положение шарика отражает вероятные судьбы различных клеток}

Конрад Уоддингтон был в высшей степени выдающимся британским эрудитом. Он родился в 1903 году в Индии, однако для получения школьного образования был отправлен в Англию. Выпускник Кембриджа, он большую часть своей жизни проработал в университете Эдинбурга. Его научные интересы были поистине безграничны и варьировались от биологии развития до изобразительных искусств, от философии до перекрестного оплодотворения, и едва ли не в каждой из этих отраслей знаний он стал первооткрывателем новых путей в их изучении.

Свой образный эпигенетический ландшафт Уоддингтон представил в 1957 году для иллюстрации концепций биологии развития[7].

Выполненный им рисунок заслуживает того, чтобы остановиться на нем подробнее. Как вы видите, на вершине холма располагается шарик. Начиная скатываться с возвышенности, он может направиться по одному из нескольких желобов, ведущих к подножью холма. Визуально мы легко можем представить себе этот процесс, поскольку в детстве каждому из нас не раз приходилось катать мячики по горкам, ступеням и т. д.

Что нам сразу же приходит в голову, когда мы видим рисунок уоддингтоновского ландшафта? Мы понимаем, что как только шарик достигнет низшей точки, то он, вероятно, так в ней и останется, если мы не будем его трогать. Мы знаем, что закатить шарик наверх будет намного сложнее, чем отправить его сверху вниз. Кроме того, мы осознаем, что перекатить шарик из одного желоба в другой также будет довольно обременительно. Пожалуй, легче будет частично или полностью снова подкатить его к верхней точке, чтобы затем направить вниз по новому руслу, чем пытаться перекатить из одной выемки в другую через разделяющий их «хребет». И наша задача усложнится многократно, если два интересующих нас желоба разделены более чем одним холмом.

Этот образ чрезвычайно полезен для зрительного представления того, что может случиться в процессе развития клетки. Шарик на вершине холма — это зигота, начальная клетка, возникающая в результате слияния одного сперматозоида и одной яйцеклетки. Когда различные клетки организма начинают дифференцироваться (становиться более специфичными), каждую из них мы можем сравнить с шариком, катящимся по склону холма и направляющимся по одному из желобов. Достигнув конечной точки своего движения, каждый шарик так в нем и остается. Если не случится нечто действительно экстраординарное, определенная клетка никогда не превратится в клетку другого типа (не перепрыгнет через барьер в соседнюю ложбину). Точно также и не направится она вверх, к вершине холма, чтобы снова скатиться с него и дать начало клеткам самых разнообразных типов.

Ландшафт Уоддингтона, подобно навигационной рукоятке путешественника во времени, на первый взгляд кажется всего лишь еще одним описанием. Однако это не просто описание, а модель, помогающая нам нащупать новые способы мышления. Как и очень многие ученые, упоминавшиеся в этой главе, Уоддингтон не знал принципов действия этою механизма, но неужели это имеет какое-то значение? Он предоставил нам новый и очень эффективный способ осмысления проблемы.

Эксперименты Джона Гердона показали, что иногда, если у него получалось достаточно поднатужиться, ему удавалось закатить клетку со дна ложбины у основания холма на самую вершину этого холма. Оттуда она могла снова скатиться вниз и опять превратиться в клетку любого типа. И каждая лягушка, созданная Джоном Гердоном и его командой, учила нас двум важным вещам. Во-первых, тому, что клонирование — воссоздание живого организма из клеток взрослой особи — возможно, поскольку именно его Гердон и осуществил. Во-вторых, мы узнали, что клонирование — чрезвычайно сложный процесс, так как для появления каждого лягушонка ученому приходилось выполнить сотни ПЯСК.

Вот почему такой фурор был произведен в 1996 году, когда Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут из Рослинского института впервые в истории клонировали млекопитающее, овцу Долли[8]. Как и Джон Гердон, они воспользовались ПЯСКом. В случае Долли ученые перенесли ядро из клетки молочной железы взрослой овцы в неоплодотворенную яйцеклетку овцы, предварительно удалив из него собственное ядро. Затем они поместили ее в матку овцы-реципиента. Настойчивость, которую пионеры клонирования проявили в своей работе, трудно назвать иначе, чем маниакальной. Кэмпбелл и Вилмут выполнили не менее трехсот пересадок ядра, прежде чем были вознаграждены рождением того легендарного животного, которое ныне вращается в стеклянном кубе в Королевском шотландском музее Эдинбурга. Даже сегодня, когда уже были клонированы самые разнообразные животные — от скаковых лошадей до племенного крупного рогатого скота и от декоративных пород собак до домашних кошек, — этот процесс все еще чрезвычайно малоэффективен.

Два вопроса продолжают оставаться в высшей степени актуальными с той поры, когда Долли шагнула в анналы истории на своих слабых трясущихся ножках, которым вскоре предстояло ощутить на себе все тяготы преждевременного артрита. Первый:: по каким причинам процесс клонирования животных настолько малоэффективен? И второй: почему полученные в результате клонирования животные отличаются значительно менее крепким здоровьем, чем их родственники, появившиеся на свет естественным путем? Ключом к ответам на оба эти вопроса является эпигенетика, и ключ этот лежит в области молекулярной биологии, в чем мы убедимся в ходе наших дальнейших исследований этой темы. Пока же последуем примеру путешественника во времени Г. Дж. Уэллса и, оставив Джона Гердона в Кембридже, перенесемся на тридцать с лишним лет вперед в японскую лабораторию, где некий не менее настойчивый ученый обнаружил совершенно иной способ клонирования животных из взрослых клеток.