Эпигенетика

Глава 5. Почему однояйцевые близнецы не совсем одинаковы?

На протяжении многих десятилетий во всех человеческих культурах много внимания и интереса вызывала тема однояйцевых близнецов, не утратившая своей актуальности и в наши дни. Если мы обратимся за примерами лишь к западноевропейской литературе, то тут же найдем упоминание об однояйцевых близнецах Менехме и Социкле в одном из произведений Тита Макция Плавта, написанном приблизительно в 200 году до н. э., и интерпретацию этого же сюжета в «Комедии ошибок» Шекспира, датируемой 1590 годом; познакомимся с близнецами Труляля и Траляля из сказки «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, появившейся в 1871 году. Близнецы Уизли также присутствуют в современном цикле романов о Гарри Поттере писательницы Дж. К. Роулинг. Есть что-то интригующее в двух людях, выглядящих абсолютно одинаково.

Но есть и нечто такое, что вызывает у нас еще более острый интерес, нежели невероятная похожесть однояйцевых близнецов — это происходит тогда, когда мы замечаем различия между ними. Эта особенность постоянно находит свое отражение и нещадно эксплуатируется в кинематографе, начиная с Фредерика и Хуго в «Кольце вокруг Луны» Жана Ангуила и заканчивая Беверли и Эллиоттом Мэнтлами в «Связанных смертью» Дэвида Кроненберга. Мысленно доведя эти различия до максимума, вы даже сможете привести в пример доктора Джекилла и его вторую ипостась, мистера Хайда, являющего отражением абсолютного зла. Нет нужды продолжать искать подтверждения тому, что различия между однояйцевыми близнецами всегда захватывали воображение творческих людей из всех сфер искусства; в равной степени не оставляют они равнодушными и научный мир.

Однояйцевых близнецов в научной среде принято называть монозиготными (М3) близнецами. Оба они развиваются из одной и той же одноклеточной зиготы, образующейся при слиянии одной яйцеклетки и одного сперматозоида. В случае с М3 близнецами внутриклеточная масса бластоцисты разделяется надвое при первых делениях клетки, как разрезаемый пополам пирожок, и дает начало двум эмбрионам. И оба эти эмбриона генетически идентичны.

Такое разделение внутриклеточной массы для образования двух самостоятельных эмбрионов обычно считается случайным событием. Это мнение согласуется с периодичностью рождения М3 близнецов, которая, по большому счету, равномерно распределена по всему населению земли, как и с тем фактом, что эта особенность не передается по наследству. Мы привыкли думать, что однояйцевые близнецы рождаются очень редко, однако это не совсем так. Приблизительно одна из каждых 250 доношенных беременностей заканчивается рождением пары М3 близнецов, а это значит, что на сегодняшний день в мире насчитывается около 10 миллионов пар однояйцевых близнецов.

Для ученых М3 близнецы представляют особенный интерес по той причине, что помогают определить, до какой степени генетика является движущей силой таких важных жизненных событий, как определенные заболевания. Они дают нам возможность математически исследовать связи между последовательностями наших генов (генотипом) и нашей внешностью (фенотипом), будь то рост, состояние здоровья, наличие или отсутствие веснушек и все прочее, что мы хотели бы измерить. Для этого нужно подсчитать, насколько часто оба близнеца в паре бывают подвержены одному и тому же заболеванию. В науке этот показатель называется коэффициентом совпадения.

Ахондроплазия, довольно распространенная форма синдрома «карлика-коротконожки», является одним из примеров заболеваний, которые практически неизбежно поражают М3 близнецов в одинаковой степени. Если один из близнецов страдает ахондроплазией, значит, она обнаруживается и у второго. Коэффициент совпадения в данном случае составляет 100 процентов. И это не удивительно, если учесть, что ахондроплазия вызывается определенной генетической мутацией. Если эта мутация присутствовала в яйцеклетке или в сперматозоиде, которые, соединившись, сформировали зиготу, то все дочерние клетки, образующие внутриклеточную массу и, впоследствии, два эмбриона, также будут нести в себе эту мутацию.

Однако относительно немногие заболевания дают 100-процентный коэффициент совпадения, поскольку большинство болезней не провоцируются одной непреодолимой мутацией в ключевом гене. Отсюда вытекает вопрос, как определить, играет ли генетика какую-либо роль, и, если да, то насколько эта роль важна. И вот тут-то изучение близнецов приобретает первостепенное значение. Если мы исследуем большие группы М3 близнецов, то сможем определить, какой процент их продемонстрирует совпадение или несовпадение в подверженности определенным заболеваниям. Если заболевает один из близнецов, то обнаружится ли та же болезнь и у другого?

На рисунке 5.1 представлен график, показывающий коэффициенты совпадений для шизофрении. На основании его можно сделать вывод, что чем ближе наши родственные связи с человеком, страдающим этим заболеванием, тем выше вероятность того, что оно может проявиться и у нас. Наиболее важные для нас позиции на графике, на которые следует обратить особое внимание, это две полоски в самом низу, обозначающие близнецов. С их помощью мы можем сравнить коэффициенты совпадения у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Двуяйцевые близнецы развиваются в одной и той же среде (матке), но генетически они не более похожи друг на друга, чем любые другие братья и сестры, поскольку возникли из двух обособленных зигот вследствие оплодотворения двух яйцеклеток. Результаты сравнения коэффициентов совпадения двух типов близнецов важны по той причине, что, по сути, оба близнеца в паре (как однояйцевые, так и двуяйцевые) в процессе развития делят одну и ту же среду обитания. Если бы шизофрения была следствием влияния факторов среды, мы были бы вправе ожидать близкое подобие в коэффициентах совпадения для этого заболевания у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Однако мы видим, что если шизофренией заболевает один из двуяйцевых близнецов, то шансы второго на приобретение этого же заболевания составляют 17 процентов. А у М3 близнецов эта вероятность подскакивает чуть ли не до 50 процентов. Риск заболеть шизофренией у однояйцевых близнецов почти втрое превышает ту же опасность для двуяйцевых близнецов, и отсюда мы можем сделать вывод, что развитие шизофрении обусловлено неким важным генетическим компонентом.

^{Рис. 5.1. Коэффициенты совпадения для шизофрении. Чем в более близком генетическом родстве состоят два человека, тем выше вероятность того, что, при наличии у одного из них этого заболевания, оно же разовьется и у второго. Однако даже у генетически идентичных монозиготных близнецов коэффициент совпадения для шизофрении не достигает 100 процентов. Данные взяты из «Доклада главного врача государственной службы здравоохранения США о психическом здоровье» http://www.suraeonaeneral.aov/librarv/mentalhealth/chaDter4/sec41.html#etioloav}

Другие аналогичные исследования показали, что некий генетический компонент лежит в основе значительного количества и других присущих человеку заболеваний, в том числе рассеянного склероза, биполярного аффективного расстройства, системной красной волчанки и астмы. Это оказалось чрезвычайно важно для понимания значения генетической восприимчивости к целому комплексу заболеваний.

Но во многих отношениях еще более любопытной представляется обратная сторона этого вопроса. Не так интересны с научной точки зрения М3 близнецы, у которых развивается одно и то же заболевание. Намного более интригующими для исследователей представляются М3 близнецы, не дублирующие друг друга, когда у одного проявляется, например, параноидная шизофрения, а другой остается психически полностью здоровым, Почему два генетически идентичных индивидуума, в большинстве случаев существующих в очень схожих условиях, обладают столь различными фенотипами? Или, скажем, почему оба М3 близнеца крайне редко оказываются подвержены диабету 1 типа? Что еще, кроме генетического кода, может приводить к таким результатам?

Одним из возможных объяснений могло бы быть то, что совершенно случайно один из близнецов, страдающий шизофренией, спонтанно приобрел мутации в генах в определенных клетках, например, головного мозга. Это могло бы иметь место, если бы механизм репликации ДНК вдруг дал сбой в какой-то момент в процессе развития головного мозга. Эти изменения могли бы повысить восприимчивость этого близнеца к данному заболеванию. Такое развитие событий теоретически возможно, но ученым не удалось собрать достаточно данных в подтверждение этой теории.

Конечно, стандартный ответ всегда сводится к тому, что разница между близнецами обусловлена различиями в окружающей среде, в которой они находятся. Иногда это совершенно справедливо. Если бы мы исследовали, например, продолжительность жизни близнецов, то один из них, попавший под автобус 47-го маршрута и погибший под его колесами, несомненно, свидетельствовал бы в пользу теории о влиянии различий окружающей среды. Но это слишком экстремальный сценарий. Многие близнецы живут в очень схожих условиях, особенно на ранних этапах своего развития. Однако вполне вероятным представляется то, что какие-то многочисленные едва уловимые различия в их окружающей среде, которые очень трудно отследить корректно, действительно существуют.

Если мы согласимся с тем, что окружающая среда является еще одним важным фактором в возникновении и развитии заболеваний, то перед нами возникает очередная проблема. Для нас по-прежнему останется открытым вопрос о том, какова механика этого влияния окружающей среды. Каким образом стимуляторы, т. е. факторы среды, — будь это состав пищи, которую мы едим, химические вещества в дыме сигарет, ультрафиолетовые лучи солнечного света, выхлопные газы автомобилей или любые другие тысячи источников молекул и радиации, которым подвергаемся мы ежедневно, — влияют на наши гены и вызывают изменения в их экспрессии.

Большинство неинфекционных заболеваний, которым подвержены люди, развиваются в течение достаточно длительного времени, а затем остаются проблемой на многие годы, если у человека нет возможности обратиться за медицинской помощью. Факторы окружающей среды теоретически могли бы постоянно воздействовать на гены в клетках, работающих ненормально, и провоцировать развитие заболеваний. Но это представляется маловероятным, главным образом, по той причине, что при большинстве хронических заболеваний предполагалось бы влияние множества факторов среды на множество генов. Трудно представить себе, что все многообразие таких стимуляторов одновременно присутствовало бы на протяжении десятилетий. Альтернативой могло бы быть существование некого механизма, поддерживающего имеющие отношение к болезни клетки в ненормальном состоянии, то есть вызывающего в них неадекватную экспрессию генов.

При отсутствии каких-либо веских доказательств участия в этих процессах соматических мутаций, главным претендентом на роль такого механизма становится эпигенетика. В этом случае гены одного из близнецов могли бы оставаться нерегулируемыми, что в конечном итоге и приводило бы к болезни. Сейчас мы находимся в самом начале этих исследований, но уже постепенно накапливаем подтверждения того, что дело может обстоять именно так.

Один из наиболее прямых концептуальных экспериментов заключается в анализе того, меняются ли модели хроматиновых модификаций (эпигеном) по мере взросления М3 близнецов. В упрощенном варианте нам не пришлось бы даже исследовать эти параметры в контексте заболеваемости. Мы могли бы начать с проверки намного более простой гипотезы о том, что генетически идентичные индивидуумы в процессе взросления становятся эпигенетически неидентичными. Если эта гипотеза окажется верна, она станет подтверждением идеи о том, что М3 близнецы могут отличаться друг от друга на эпигенетическом уровне. А это, в свою очередь, укрепит нас в решимости продолжать исследования и определить роль эпигенетических изменений в развитии заболеваний.

В 2005 году крупная объединенная группа исследователей, возглавляемая профессором Манелем Эстеллером, который тогда работал в Испанском национальном раковом центре в Мадриде, опубликовала доклад, посвященный этой проблеме[31]. Им довелось сделать некоторые очень интересные открытия. Когда они исследовали хроматин у пар М3 близнецов в младенческом возрасте, то не нашли существенных различий в уровнях метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Когда же они изучали пары М3 близнецов, которые были значительно старше, например, в возрасте пятидесяти с лишним лет, то в уровнях метилирования ДНК и гистонового ацетилирования у близнецов пары обнаруживались заметные различия. И особенно явно такие несоответствия проявлялись в тех случаях, когда близнецы долгое время жили отдельно друг от друга.

Результаты этого исследования подтвердили предположение, что генетически идентичные близнецы в начале жизни эпигенетически очень похожи друг на друга, но по мере взросления эта похожесть становится все слабее. Чем старше были М3 близнецы и чем дольше жили они отдельно друг от друга в разном окружении, тем, соответственно, в большей степени они испытывали на себе влияние разных факторов окружающей среды. А то, что именно близнецы в таких парах наиболее отличались друг от друга эпигенетически, вполне согласовывалось с теорией, что эпигеном (полный спектр эпигенетических модификаций генома) отражает различия окружающей среды.

Согласно статистике, дети, завтракающие перед школой, учатся лучше, чем те, которые пренебрегают завтраком. Это, конечно, вовсе не означает, что успеваемость можно повысить лишней тарелкой кукурузных хлопьев. Это всего-навсего может значить, что завтракающим детям повезло иметь родителей, собирающих и провожающих их в школу каждый день, помогающих им в усвоении знаний и вообще уделяющих им больше внимания. Подобным же образом следует интерпретировать и результаты исследований профессора Эстеллера. Они демонстрируют, что существует некая зависимость между возрастом близнецов и тем, насколько различаются они эпигенетически, однако эти исследования не доказывают, что взросление вызывает изменения в эпигеноме. Но такая гипотеза, по крайней мере, имеет право на существование.

В 2010 году группа ученых, работавших под руководством доктора Джеффри Крэйга в Королевской детской больнице Мельбурна, также провела исследования метилирования ДНК у пар однояйцевых и двуяйцевых близнецов[32]. Они изучали несколько относительно небольших участков генома, но более подробно, чем это было описано в докладе Манеля Эстеллера. Проведя исследования нескольких пар новорожденных близнецов, они обнаружили, что у двуяйцевых близнецов наблюдаются значительные различия в схемах метилирования ДНК. Такой результат не был неожиданным, поскольку двуяйцевые близнецы генетически неидентичны, а у различных индивидуумов, соответственно, и эпигеномы различны. Более интересно то, что, согласно результатам исследований, и М3 близнецы также обнаруживают различия в схемах метилирования ДНК, а это свидетельствует о том, что однояйцевые близнецы начинают различаться эпигенетически уже в процессе внутриутробного развития. Ознакомившись с информацией из этих двух статей и добавив к ней данные некоторых других исследований, мы можем сделать вывод, что даже генетически идентичные индивидуумы эпигенетически отличаются друг от друга уже к моменту рождения, и эти эпигенетические различия становятся все более выраженными с возрастом и под влиянием разных условий окружающей среды.

Эти данные согласуются с теорией, утверждающей, что эпигенетические изменения могут считаться, по крайней мере, одной из причин, по которым М3 близнецы фенотипически неидентичны, но и это предположение содержит в себе много допущений. Дело в том, что в очень многих случаях человеческий организм представляет собой весьма ненадежную экспериментальную систему. Если мы решим дать оценку роли эпигенетики в вопросе, почему генетически идентичные индивидуумы различаются друг от друга фенотипически, нам придется сделать следующее:

1) анализировать сотни, а не просто пары, идентичных индивидуумов;

2) искусственно, под полным контролем, менять условия воздействующей на них окружающей среды;

3) переносить эмбрионы или младенцев от одной матери к другой, исследуя результаты изменений в развитии на его самых ранних этапах.

4) многократно и в строго определенные моменты брать всевозможные образцы самых разнообразных тканей.

5) контролировать, кто и с кем вступает в половую связь.

6) проводить исследования на протяжении четырех или пяти поколений генетически идентичных индивидуумов.

Нет необходимости говорить, что применительно к человеку это попросту нереально.

Вот почему в эпигенетике принято проводить эксперименты с опытными животными. Это дает ученым возможность искать и находить ответы на самые сложные и запутанные вопросы, так как исследователи могут максимально контролировать условия окружающей среды. Сведения, получаемые в результате исследования животных, позволяют делать предположения и выводы, которые мы затем можем пытаться экстраполировать и на человека.

Соответствие между человеком и животными, возможно, не идеальное, но, тем не менее, наши «меньшие братья» помогают нам раскрыть огромное количество тайн фундаментальной биологии. Многочисленные сравнительные исследования показывают, что многие системы совершенно разных организмов остаются практически неизменными на протяжении невообразимо длительных периодов времени. В эпигенетическом механизме дрожжей и человека, например, значительно больше подобия, нежели различий, несмотря на то, что общий предок этих двух видов жил на земле почти миллиард лет назад[33]. Так что эпигенетические процессы это, по большому счету, явления фундаментальные, и использование модельных систем может, по меньшей мере, указать нам направление, в котором следует двигаться для более глубокого понимания природы человека.

Применительно к конкретному вопросу, который мы рассматриваем в этой главе — почему генетически идентичные близнецы часто оказываются непохожими друг на друга, — животным, оказавшимся наиболее полезным для наших целей, стала наша близкая млекопитающая «родственница», а именно мышь. Пути развития мыши и человека разошлись всего лишь каких-то 75 или около того миллионов лет назад[34]. 99 процентов генов, обнаруженных у мыши, также присутствуют и у человека, хотя они, конечно, не абсолютно идентичны у представителей этих двух видов.

Исследователи научились выводить популяции мышей, в которых все особи генетически идентичны друг другу. Это чрезвычайно важно, поскольку позволяет изучать роль негенетических факторов в возникновении различий между отдельными особями. Теперь в распоряжении ученых не два генетически идентичных индивидуума — они могут создавать их сотнями и даже тысячами. Способ, которым это достигается, заставил бы залиться краской стыда древнеегипетскую династию Птолемеев. Ученые спаривают мышей, являющихся друг другу братом и сестрой. Затем они спаривают брата и сестру из появившегося в результате первого спаривания помета. Потом спаривают брата и сестру из следующего помета и так далее. Когда такое спаривание между братьями и сестрами продолжается на протяжении более двадцати поколений, все генетические различия вымываются из генома. Все мыши одного пола из данной популяции становятся генетически идентичными. Более того, ученые могут внести всего лишь одно изменение в ДНК этих генетически идентичных мышей. Они могут воспользоваться этим приемом генной инженерии для создания мышей, которые будут во всем идентичны друг другу, кроме одного участка ДНК, наиболее интересующего исследователей.

Наиболее подходящим экспериментальным образцом для исследования вопроса, как эпигенетические изменения могут привести к фенотипическим различиям между генетически идентичными особями, стала мышка под названием агути. В обычных условиях шерсть этих мышей имеет своеобразную окраску — каждый волосок у них черный у кончика, желтый в середине и снова черный у основания. Ключевую роль для образования желтого центрального участка играет ген, названный агути, который в активированном состоянии обеспечивает такой чередующийся окрас.

Существует мутировавшая версия гена агути (она называется а), которая никогда не активируется. У мышей, имеющих только а, мутировавшую версию гена агути, шерсть полностью черная. Есть также и особая популяция мышей-мутантов, называемая A^vy, что означает agouti viable yellow (то есть агути жизнеспособная желтая). У мышей A^vy ген агути постоянно активирован, и потому их шерстинки по всей своей длине желтые. Мыши несут две копии гена агути, унаследованных ими по одной от каждого из родителей. Версия гена A^vy доминантна по отношению к версии а, а это означает, что если одной копией является ген Мышка другого цвета, а другой — ген а, то Мышка другого цвета «одержит победу» над а, и волоски у такой мыши окажутся желтыми по всей длине. Вся эта информация проиллюстрирована на рисунке 5.2.

^{Рис. 5.2. На окрас шерсти мышей влияет экспрессия гена агути. В обычных условиях у мышей белок агути экспрессируется периодически, что приводит к характерной черно-желто-черной окраске шерсти. Нарушения такой цикличной схемы экспрессии могут стать причиной роста полностью желтой или черной шерсти по всей длине}

Ученые вывели популяцию мышей с одной копией A^vy и одной копией а в каждой клетке. Такая пара обозначается как A^vy/а. Поскольку A^vy доминантен по отношению к а, то можно было бы ожидать, что у всех мышей шерсть будет полностью желтой. Так как все мыши в популяции генетически идентичны, следовало предполагать, что и выглядеть они должны одинаково. Однако это не так. У одних оказалась совершенно желтая шерсть, окрас других был классическим для агути, в котором черные волоски имели желтые «вставки», а третьи отличались всевозможными вариациями промежуточных расцветок, как это видно на рисунке 5.3.

^{Рис. 5.3. Генетически идентичные мыши демонстрируют широкую вариативность в окрасе шерсти, который определяется экспрессией белка агути. Фотография любезно предоставлена профессором Эммой Уайтло}

И это действительно странно — ведь все мыши генетически абсолютно одинаковы. У каждой из них один и тот же код ДНК. Мы могли бы выдвинуть предположение, что различия в цвете шерсти обусловлены окружающей средой, но лабораторные условия настолько стандартизированы, что это представляется маловероятным. Среда не может иметь к этому отношения еще и по той причине, что мыши из одного помета демонстрируют ярко выраженные отличия в окрасе. Надо думать, что мыши из единственного помета содержались более чем в одинаковых условиях.

Разумеется, вся прелесть работы с мышами, особенно с популяциями, выведенными от прямых родственников, заключается в относительной простоте выполнения разнообразных генетических и эпигенетических исследований, тем более, когда мы имеем довольно четкое представление о том, что и где искать. В нашем случае главным объектом изучения был ген агути.

Работающие с мышами генетики знают, каким образом создается желтый фенотип у желтых мышей A^vy. Участок ДНК вводится в хромосому мыши непосредственно перед геном агути. Этот участок ДНК, который называется ретротранспозон, представляет собой одну из тех последовательностей ДНК, которые не несут информацию о белке. Вместо этого, в нем содержится информация об аномальном участке РНК. Экспрессия этой РНК нарушает обычное регулирование расположенного за ней гена агути и постоянно сохраняет этот ген во активированном состоянии. Вот почему шерсть у мышей A^vy желтая, а не полосатая.

Но это не дает нам ответа на вопрос, почему генетически идентичные мыши A^vy/а демонстрировали столь значительную разницу в окрасе шерсти. И этот ответ следует искать в эпигенетике. У некоторых мышей A^vy/a последовательность CpG в ретротранспозоне ДНК оказывалась очень сильно метилированной. Как мы узнали из предыдущей главы, метилирование ДНК такого рода подавляет экспрессию генов. Ретротранспозон переставал экспрессировать аномальную РНК, нарушавшую транскрипцию гена агути. И такие мыши рождались с вполне характерным для них полосатым окрасом шерсти. У других генетически идентичных им мышей А^vу/а ретротранспозон был неметилированным. Он производил свою дефектную РНК, препятствовавшую транскрипции гена агути таким образом, что тот постоянно оставался активированным, и мыши рождались желтыми. Мыши с промежуточными уровнями метилирования ретротранспозона имели промежуточные уровни желтого цвета в шерсти. Этот механизм продемонстрирован на рисунке 5.4.

^{Рис. 5.4. Вариации в метилировании ДНК (показано черными кружками) влияют на экспрессию ретротранспозона. Вариации в экспрессии ретротранспозона. в свою очередь, воздействуют на экспрессию гена агути, что приводит к разнообразию окраса шерсти у генетически идентичных животных}

В данном случае метилирование ДНК действует по принципу переключателя дальнего и ближнего света фар. Когда ретротранспозон неметилирован, он светит в полную мощь, производя аномальную РНК в больших количествах. Чем более метилированным становится ретротранспозон, тем больше «глушится» его экспрессия.

Мыши агути представляют собой довольно яркий пример того, как эпигенетическая модификация, в данном случае метилирование ДНК, может заставить генетически идентичных индивидуумов выглядеть фенотипически различными. Однако всегда остается опасение, что агути, возможно, это особый случай, и, может быть, такой механизм не очень типичен. Особенную озабоченность этот вопрос вызывает по той причине, что ген агути обнаружить у человека чрезвычайно сложно — похоже, что он принадлежит к тому самому 1 проценту генов, который не является общим для нас и наших «соседей» — мышей.

У мышей существует еще одна интересная особенность, а именно степень извитости хвоста. Этот признак, который называется Axin-переключением, также демонстрирует значительную вариабельность у генетически идентичных индивидуумов. Экспериментально подтверждено, что он, подобно окрасу мышей агути, является еще одним примером того, что подобная вариативность зависит от различных уровней метилирования ДНК в ретротранспозоне разных животных.

Это обнадеживает, так как доказывает, что рассматриваемый нами механизм не уникален, но закрученные хвосты, к сожалению, не представляют фенотип, имеющий непосредственное отношение к среднему человеку. Впрочем, все-таки есть такой показатель, которым мы можем оперировать: масса тела. Масса каждой генетически идентичной мыши далеко не всегда одинакова.

Насколько бы тщательно ни контролировали ученые условия содержания мышей и особенно количества получаемой ими пищи, идентичные мыши из инбредных линий все равно различались по массе. Эксперименты, проводившиеся на протяжении многих лет, показали, что только 20-30 вариаций в массе тела могут быть объяснены различиями среды, в которой содержались животные после рождения. Соответственно, возникает вопрос — чем провоцируются различия в массе тела у остальных 70-80 процентов[35]? Если к этому не имеет отношения ни генетика (все мыши идентичны), ни окружающая среда, значит, присутствует еще какой-то неизвестный фактор.

В 2010 году профессор Эмма Уайтло, подлинная энтузиастка в области генетики мышей, авторитетный и беззаветно преданный своему делу ученый из Института медицинских исследований Квинсленда, опубликовала поразительную статью. Взяв инбредную линию мышей, она с помощью генной инженерии вывела субпопуляции животных, которые во всем были генетически идентичны исходной популяции с единственным исключением — они экспрессировали только половину нормальных уровней определенного эпигенетического белка. Эмма Уайтло провела независимые исследования и с помощью методов генной инженерии она создала отдельные группы животных с мутациями разных генов, несущих информацию об эпигенетических белках.

Когда профессор Уайтло проанализировала массу тела большого количества обычных и мутировавших мышей, она получила очень любопытные результаты. В группе, состоявшей из обычных инбредных мышей, большинство животных имели относительно одинаковую массу, незначительные различия в котором соответствовали данным множества других экспериментов. У мышей с низким уровнем определенного эпигенетического белка вариабельность массы тела в пределах группы оказывалась существенно выше. В ходе дальнейших опытов, о которых рассказывалось в той же статье, была дана оценка роли понижения экспрессии этих эпигенетических белков. Как выяснилось, понижение уровня экспрессии было связано с изменениями в уровнях экспрессии генов, участвующих в метаболизме[36], и повышало вариабельность их экспрессии. Другими словами, эпигенетические белки осуществляли некий контроль над экспрессией других генов, что и можно было ожидать.

Эмма Уайтло протестировала в ходе экспериментов достаточно большое количество эпигенетических белков и обнаружила, что лишь некоторые из них вызывают увеличение вариабельности в массе тела. Одним из белков, приводящих к такому результату, оказался Dnmt3a. Это один из ферментов, переносящих метиловые группы к ДНК для репрессии генов. Другой эпигенетический белок, вызывавший увеличение вариативности массы тела, называется Trim28. Он образует комплекс с некоторым количеством других эпигенетических белков, и вместе они добавляют специфические модификации к гистонам. Эти модификации снижают уровень регуляции экспрессии генов около модифицированных гистонов, и потому их называют репрессивными гистоновыми модификациями или метками. Участки генома, имеющие большое количество репрессивных меток на своих гистонах, в большей степени подвержены метилированию ДНК, а это значит, что Trim28 может быть важен для создания подходящих условий для метилирования ДНК.

Результаты этих экспериментов заставили предположить, что определенные эпигенетические белки выступают в роли неких «глушителей». «Голая» ДНК весьма подвержена случайной активации, и суммарный эффект этого можно сравнить с «фоновыми помехами» в наших клетках. Оно называется транскрипционным шумом. Эпигенетические белки призваны понижать громкость этого беспорядочных помех. Для выполнения этой задачи они добавляют к гистонам модификации, понижающие экспрессию генов. Похоже, что различные эпигенетические белки важны для подавления разных генов в одних тканях в большей степени, чем в других.

Понятно, что это подавление не имеет тотального характера. В противном случае все инбредные мыши были бы полностью идентичны в каждом аспекте своего фенотипа, а это, как мы знаем, не так. Вариабельность массы тела присутствует даже у представителей инбредных линий, разница лишь в том, что эта вариативность в большей степени присуща мышам с подавленными уровнями эпигенетических белков.

Этот сложный уравновешивающий процесс, в котором эпигенетические белки приглушают транскрипционный шум, но не подавляют экспрессию генов полностью, является своего рода внутриклеточным компромиссом. Они оставляют клеткам достаточно свободы в экспрессии генов, чтобы те смогли реагировать на новые стимуляторы — будь то гормоны или питательные вещества, загрязняющие агенты или солнечный свет, но при этом гены не находятся в «боевой готовности» к спонтанной активации, до тех пор, пока их не призовут к действию. Эпигенетика дает возможность клеткам придерживаться того зыбкого баланса, при котором они должны оставаться (и сохраняться) клетками разных типов с широким разнообразием присущих им функций, но при этом не быть жестко привязанными к какой-либо единственной схеме экспрессии генов, при которой они стали бы неспособны адекватно реагировать на изменения окружающей среды.

Постепенно становится понятным и то, что именно раннее развитие является тем ключевым периодом, когда начинает обнаруживаться и формироваться эта система контроля над транскрипционным шумом. В конце концов, очень незначительная доля в вариативности массы тела в исходных инбредных линиях может быть объяснена различиями в условиях окружающей среды в послеродовой период (всего 20-30 процентов). В последнее время все больший интерес в научных кругах проявляется к роли феномена, называемого программированием развития и определяющего, как различные события и явления, имевшие место в период эмбрионального развития, могут сказываться в течение взрослой жизни. Надо сказать, что все большее число исследователей придерживается мнения, что в основе такого программирования лежат именно эпигенетические механизмы.

Такой вывод полностью согласуется с результатами исследований Эммы Уайтло, в которых она определяла влияние на мышей пониженных уровней Dnmt3a и Trim28. Разница массы тела становилась заметной, уже когда мышам было всего три недели от роду. Этот вывод также согласуется с тем фактом, что пониженные уровни Dnmt3a приводили к увеличению вариативности массы тела, тогда как пониженные уровни родственного ему фермента Dnmt1 не вызывали каких-либо отклонений в экспериментах Эммы Уайтло. Dnmt3a может добавлять метиловые группы к абсолютно неметилированным участкам ДНК, а это означает, что он несет ответственность за установку в клетках надлежащих схем метилирования ДНК. Dnmt1 является белком, поддерживающим уже установленные предварительно схемы метилирования ДНК. Складывается впечатление, что наиболее важным условием для приглушения вариабельности экспрессии генов (по крайней мере, применительно к массе тела) является, в первую очень, установление правильных схем метилирования ДНК.

Много лет назад ученые и политики поняли, какую важную роль играет здоровье матери и ее качественное питание в период беременности для повышения шансов на то, чтобы ее малыш родился с достаточной массой тела и смог правильно развиваться физически. В последние годы все более очевидным становится тот факт, что если мать во время беременности питается недостаточно, то ее ребенок подвергается значительно большему риску родиться слабым и отличаться хрупким здоровьем не только в младенчестве, но и на протяжении многих десятилетий взрослой жизни. И лишь совсем недавно мы начали осознавать, что это — по меньшей мере, отчасти — объясняется молекулярными эпигенетическими причинами, которые приводят к дефектам в программировании развития и продолжающимся всю жизнь нарушениям экспрессии генов и функций клеток.

Как уже отмечалось выше, существует ряд чрезвычайно веских этических и организационных оснований, не позволяющих считать человека подходящим для проведения экспериментов объектом. К несчастью, исторические события иногда приобретают такой ужасный оборот, когда экспериментальные условия складываются стихийно, и в этих непредумышленных опытах целые общности людей принимают участие помимо своей воли. Одним из наиболее известных примеров такого рода стала уже упоминавшаяся во введении «Голландская голодная зима».

Это было время чудовищных лишений и существования на грани голодной смерти, когда нацисты в последнюю зиму Второй мировой войны блокировали поставки топлива и продовольствия в Нидерланды. Двадцать две тысячи человек погибли от голода, а те, кому еще удавалось выживать, в отчаянии поедали все, что только могли отыскать, от луковиц тюльпанов до останков животных. Столь крайняя нужда привела к появлению уникальной для проведения научных исследований популяции. Люди, пережившие Голландскую голодную зиму, представляли собой четко очерченную группу индивидуумов, недостаточно питавшихся в строго определенный период времени, границы которого были абсолютно одинаковыми для всех.

Одним из первых вопросов, на которые обратили внимание исследователи, стало определение влияния недостаточного питания беременных в течение голодной зимы на массу тела новорожденных детей. Если мать хорошо питалась в период зачатия и недоедала лишь в последние несколько месяцев беременности, то ее ребенок с большой долей вероятности рождался с массой тела и ростом ниже нормы. С другой стороны, если мать получала недостаточное питание только в первые три месяца беременности (поскольку ребенок был зачат ближе к концу голодной зимы), а затем питалась полноценно, то масса тела ее новорожденного малыша в большинстве случаев соответствовала норме. Плод в утробе успевал «нагнать» массу, так как зародыш наиболее быстро растет именно в последние несколько месяцев беременности.

Интересно другое — эпидемиологи имели возможность изучать эти группы детей на протяжении десятилетий, и то, что они обнаружили, было поистине удивительно. Малыши, родившиеся с заниженными показателями, оставались худощавыми всю свою жизнь, и были в гораздо меньшей степени склонны к полноте, чем средне статистический человек. Еще более неожиданным оказалось то, что взрослые, чьи матери питались недостаточно только на первых этапах беременности, были предрасположены к полноте в большей степени, чем в среднем по стране. Недавно проведенные исследования показали, что на эту же группу приходится заметно больший процент и других заболеваний, в том числе и психических расстройств. Если матери голодали на ранних стадиях беременности, то у их детей с большой долей вероятности развивалась шизофрения. И это характерно не только для людей, родившихся вскоре после завершения Голландской голодной зимы; подобные отклонения присущи и тем, кто пережил чудовищный Великий китайский голод 1958-1961 годов, когда многие миллионы людей погибли от голода вследствие политики, проводимой Мао Цзэдуном.

И хотя представители этих групп внешне выглядели совершенно здоровыми при рождении, однако, что-то случившееся с ними в период внутриутробного развития, продолжало оказывать на них свое влияние на протяжении десятилетий. И дело было даже не в самом факте, что нечто произошло с ними, а в том, когда это произошло. Явления, имеющие место в первые три месяца беременности, в период, когда плод еще очень и очень мал, могут сказываться затем на протяжении всей жизни человека.

Эти выводы полностью соответствуют модели программирования развития и лежащей в ее основе эпигенетике. На ранних стадиях беременности, когда развиваются клетки различных типов, эпигенетические белки, вероятно, имеют жизненно важное значение для стабилизации схем экспрессии генов. Но не будем забывать, что в наших клетках содержатся тысячи генов, рассыпанных по миллиардам пар оснований, а эпигенетических белков насчитываются многие сотни. Даже при нормальном развитии вполне возможны незначительные отклонения в экспрессии некоторых из этих белков, каждое из которых оказывает определенное воздействие на конкретные участки хромосом. Чуть больше метилирования ДНК тут, чуть меньше — там…

Эпигенетический механизм усиливает, а затем поддерживает определенные схемы модификаций, задавая тем самым уровни экспрессии генов. Как следствие, эти изначально едва заметные флуктуации в модификациях гистонов и ДНК постепенно могут превратиться в «норму» и начать передаваться дочерним клеткам или сохраняться в таких клетках-долгожителях как нейроны на десятилетия. Из-за того, что эпигеном «дал сбой», то же самое может случиться со схемами экспрессии генов на определенных участках хромосом. На коротком отрезке времени последствия этих явлений могут быть минимальными и незаметными. Но за десятилетия все эти незначительные аномалии экспрессии генов, возникшие из-за чуть неверной модели хроматиновых модификаций, могут привести к постепенно усугубляющимся функциональным нарушениям. Мы не в силах определить это клинически, пока процесс не минует некий невидимый порог, после чего больной начнет демонстрировать определенные симптомы.

Эпигенетические вариации, возникающие в программировании развития, по сути, являются преимущественно случайным или, выражаясь научным языком, стохастическим процессом. Именно таким стохастическим процессом во многом могут быть объяснены различия, возникающие между М3 близнецами, рассказом о которых мы начинали эту главу.

Случайные флуктуации в эпигенетических модификациях на ранних этапах развития приводят к неодинаковым схемам экспрессии генов. Эти различия постепенно становятся эпигенетической нормой и с годами только усиливаются, в результате чего в итоге генетически идентичные близнецы становятся фенотипически разными, иногда кардинально отличаясь друг от друга. Такой случайный процесс, вызываемый индивидуально незначительными флуктуациями в экспрессии эпигенетических генов на ранних периодах развития, может служить нам превосходной моделью для понимания того, как генетически идентичные мыши A^vy/a могут рождаться с разным окрасом шерсти. Это может быть вызвано случайно варьируемыми уровнями ДНК-метилирования ретро-транспозона A^vy.

Такие стохастические изменения в эпигеноме являются вполне приемлемым объяснением того, что даже в полностью инбредной линии мышей, содержащихся в совершенно одинаковых условиях, у отдельных особей наблюдается разница в массы тела. Но стоит к этим стохастическим вариациям добавить сильный фактор стимуляции среды, как вариабельность немедленно станет еще более выраженной.

Основное метаболическое нарушение на ранних этапах беременности, такое как существенное сокращение рациона в период Голландской голодной зимы, могло в значительной степени изменить эпигенетические процессы, происходящие в клетках эмбриона. Клетки вынуждены были вносить изменения в собственный метаболизм в отчаянных попытках обеспечить как можно более здоровое развитие плода, несмотря на сокращение поступления питательных веществ. Клетки стали менять характер экспрессии генов в стремлении компенсировать недостаточное питание, и эти схемы экспрессии утвердились и на будущее из-за эпигенетических модификаций генов. Поэтому не приходится удивляться, что именно дети, чьи матери голодали на самых ранних этапах беременности, когда процесс программирования развития находился на своем пике, оказались подвержены большей склонности к полноте уже во взрослом возрасте. Их клетки оказались эпигенетически запрограммированными на то, чтобы использовать все возможное из ограниченных поступлений питательных веществ. Эта программа сохранилась даже после того, как спровоцировавшие ее условия среды — голод — исчезли.

Недавно проведенные исследования схем метилирования ДНК у больных людей, переживших Голландскую голодную зиму, показали изменения в ключевых генах, участвующих в процессе метаболизма. Несмотря на то, что обнаруженную взаимосвязь нельзя с полным правом назвать причинно-следственным фактором, полученные данные согласуются с мнением, что недостаточное питание в ранний период развития меняет эпигенетический профиль ключевых для метаболизма генов[37].

Важно учитывать, что даже у поколения, пережившего Голландскую голодную зиму, наблюдаемые явления не носят глобального характера. Далеко не каждый человек, чья мать недостаточно питалась в начале беременности, страдает ожирением. Когда ученые исследовали эту группу, то, что они обнаружили, справедливо было бы назвать повышенной вероятностью склонности к полноте во взрослом возрасте. И это снова согласуется с моделью, в которой случайная эпигенетическая вариативность, генотипы индивидуумов, условия среды на ранних этапах развития и реакции генов и клеток на окружающую среду сплетаются в одно огромное и сложное — и пока не поддающееся расшифровке полностью — уравнение.

Сильное недоедание — не единственный фактор, оказывающий на плод влияние, которое может сохраняться на протяжении всей жизни. Чрезмерное потребление алкоголя во время беременности является главной причиной врожденных пороков и умственной отсталости (плодный алкогольный синдром) в странах Запада[38]. Эмма Уайтло проводила эксперименты на мышах агути, пытаясь определить, способен ли алкоголь изменить эпигенетические модификации в мышиной модели плодного алкогольного синдрома. Как мы уже видели, экспрессия гена A^vy эпигенетически контролируется через ДНК-метилирование ретротранспозона. Любой стимулятор, вносящий изменения в ДНК-метилирование ретротранспозона, меняет и экспрессию гена А^vу. Это влияет на окрас шерсти. В данной модели цвет шерсти становится индикатором, сигнализирующим об изменениях в эпигенетических модификациях.

Беременным мышам был обеспечен неограниченный доступ к алкоголю. Цвет шерсти мышат, родившихся у потреблявших алкоголь матерей, сравнивался с окрасом тех новорожденных мышек, чьи матери были лишены подобной возможности. Как и предполагалось, распределение окраса шерсти и уровни ДНК-метилирования ретротранспозона у представителей этих двух групп оказались различными. Эти результаты подтвердили, что алкоголь спровоцировал изменение эпигенетических модификаций у мышей. Нарушения эпигенетического программирования развития способны стать причиной, по меньшей мере, некоторых негативно отражающихся на здоровье и сохраняющихся на всю жизнь симптомов плодного алкогольного синдрома у детей, матери которых во время беременности злоупотребляли алкоголем.

Бисфенол А — химическое соединение, используемое в производстве поликарбонатных пластмасс. Добавки бисфенола А в пищу мышам агути привели к изменениям в распределении окраса шерсти, что стало следствием влияния этого соединения на программу развития через эпигенетические механизмы. В 2011 году Европейский Союз запретил применять бисфенол А в производстве бутылочек для детского питания.

Раннее программирование также может быть и одной из причин, по которым очень сложно идентифицировать воздействие факторов окружающей среды, вызывающих некоторые хронические заболевания у человека. Если мы станем изучать пару М3 близнецов, различающихся по определенному фенотипу например рассеянному склерозу, то нам будет практически невозможно идентифицировать вероятную причину этой болезни, обусловленную средой. Может быть, все дело в том, что одному из близнецов просто очень не повезло со случайными эпигенетическими флуктуациями, которые устанавливали определенные ключевые схемы экспрессии генов на самой заре его существования. Ученые сейчас занимаются составлением карт распределения эпигенетических изменений у конкордантных (схожих) и дискордантных (различающихся) М3 близнецов при целом ряде заболеваний, пытаясь определить модификации гистонов или ДНК, соответствующие наличию или отсутствию того или иного заболевания.

Дети, которые были зачаты во время голода, и мыши с желтой шерсткой рассказывают нам очень удивительные и важные вещи о значении ранних этапов развития и о том, какую роль играет в этом процессе эпигенетика. Как ни странно, но эти две несопоставимые группы могут научить нас и кое-чему еще. В самом начале XIX века Жан Батист Ламарк опубликовал свою самую выдающуюся работу. В ней он выдвинул предположение, что приобретенные признаки могут передаваться от одного поколения следующему, и что именно это стимулирует эволюционный процесс. В качестве примера он приводил предполагаемого предка жирафа, обладавшего короткой шеей, который постоянно тянулся за листьями на высоких деревьях и тем самым постепенно удлинял шею на протяжении многих поколений, передавая эту особенность потомству. Эта теория не получила признания, и во многом она просто ошибочна. Однако поколение Голландской голодной зимы и желтые мыши показывают, что, как это ни парадоксально, еретическое учение Ламарка о наследственности может, пусть и иногда, попадать точно в цель, в чем нам сейчас и предстоит убедиться.