Одним из результатов развития технологий генетики, которого удалось добиться благодаря проекту «Геном человека», оказалось «секвенирование нового поколения», с помощью которого стало возможно быстро расшифровывать большие участки генома, так что теперь мы можем сканировать весь геном пациентов и находить мутации, которыми и обусловлено то или иное заболевание. Затем, как мы уже упоминали выше, обнаружилось, что в случае самых распространенных генетически обусловленных заболеваний только 5 % генных мутаций, связанных с их развитием, действительно вызывают эти заболевания. При наследовании этих «полностью проявляющихся» мутаций развитие болезни гарантировано. (Их также называют генными мутациями Менделя, по имени основателя генетики, знаменитого монаха Грегора Менделя, который выращивал горох.)

Первые гены болезни Альцгеймера, которые Руди и другие открыли в конце 1980-х – начале 1990-х гг., содержали эти мутации. Однако в 95 % случаев наследственных заболеваний варианты ДНК многочисленных генов взаимосвязаны между собой и, по сути дела, определяют риск развития заболевания, если тому способствуют жизненный опыт и образ жизни человека. Эти варианты ДНК называют факторами генетического риска. При этом наличие некоторых генов защищает нас от риска развития заболеваний. Однако в большинстве случаев результат зависит от образа жизни человека и среды, в которой он живет.

Для отдельных людей выяснение, насколько именно самочувствие человека обусловлено генетически, превращается в детективную историю, и они будут высчитывать многочисленные генные варианты и соотносить результаты с семейной историей пациента, его жизненным опытом и условиями его жизни. Та к что, несмотря на значительный успех таких охотников за генами, как Руди и его команда, варианты генов, связанных с такими заболеваниями, как шизофрения, ожирение, биполярное расстройство и рак груди, обусловливают риск их развития на 20 %.

В случае самых сложных заболеваний доказано, что в их развитии важна взаимосвязь природы и питания. И в этой взаимосвязи влиянию эпигенетических факторов отведена важная роль. Уже установлена связь эпигенетических механизмов с многочисленными детскими болезнями, синдромом Ретта, синдромом Прадера – Вилли и синдромом Ангельмана. В некоторых случаях генная активность прекращается непосредственно из-за метилирования оснований ДНК самого гена. В других случаях с гистонами, которые связывают ДНК и прекращают активность гена, происходят химические изменения (метилирование и ацетилирование).

Но это только усложняет картину. Теперь, когда у нас есть возможность секвенировать геном в целом, мы обнаружили, что у каждого из нас насчитывается 300 мутаций, которые ведут к прекращению функционирования определенных генов, а также около 100 вариантов, связанных с риском развития определенных заболеваний. Более того, некоторые мутации, которые влияют на этот риск, не присутствовали в геноме наших родителей, но развились у сперматозоида или яйцеклетки. Их называют мутациями de novo или первичными мутациями. Первичные мутации могут возникать у сперматозоидов и яйцеклеток, в результате соединения которых получается эмбрион. Такие мутации развиваются в 1,2 случая на каждые 100 000 000 оснований ДНК, которые вы наследуете от родителей.

Это означает, что в вашем геноме присутствуют 72 мутации de novo, которых не было в геноме ваших родителей. (Количество мутаций de novo сильно зависит от возраста отца на момент зачатия ребенка. Каждые 16 лет после достижения тридцатилетнего возраста количество мутаций в сперматозоидах отца удваивается, что вызывает риск развития таких заболеваний, как аутизм.)

Кроме вариантов по одному основанию, у вас присутствует огромное количество дупликаций, делеций, инверсий и перестроек примерно миллиона оснований ДНК, известных как структурные варианты. Как и варианты по одному основанию (или по одному нуклеотиду), структурные искажения ДНК либо наследуются от родителей, либо проявляются в виде мутаций de novo. При болезни Альцгеймера наличие дупликации гена APP, первого гена болезни Альцгеймера, неминуемо ведет к раннему наступлению старческого слабоумия (в возрасте до 60 лет).

Структурные варианты и варианты по одному нуклеотиду могут обнаруживаться при секвенировании ДНК нового поколения. Но другой тип генетического анализа позволяет оценивать экспрессию генов (или генную активность) по всему геному. Эта практика называется транскриптомный анализ. Когда ген вырабатывает белок, он сначала образует РНК-транскрипт, который будет использоваться при направлении синтеза белка. Транскриптомный анализ можно использовать при тестировании эпигенетической регуляции генов, поскольку он предоставляет информацию о генной активности, а не о последовательности ДНК.

Дело в том, что сейчас стали доступны крайне эффективные средства, которые позволяют расшифровать непростой механизм развития большинства сложных генетически обусловленных заболеваний. Один из вопросов заключается в том, что сложное заболевание развивается постепенно, шаг за шагом, и эти шаги связаны между собой. В повседневной жизни, когда вы простудитесь, сперва замечаете слабо выраженный симптом вроде першения в горле, и, если вы не попытались остановить простуду на столь ранней стадии (например, приняв препараты цинка), опыт подсказывает вам, что за этим симптомом последует цепь других. Что-то подобное происходит и на генетическом уровне. Транскриптомный анализ используют в генетических исследованиях вместе с определением последовательности полного генома при «анализе процесса», который одновременно рассматривает множество генов, отвечающих за развитие заболевания. Эта информация помогает понять патологические механизмы возникновения и развития заболевания. Определенные биологические процессы, например, заживление ран или воспаление, влияют на риск возникновения заболевания. Этот анализ также помогает понять, какие новые изучаемые гены могут участвовать в развитии заболевания, на основании последствий биологических процессов. Например, в ходе исследования генов, наличием которых обусловлен риск болезни Альцгеймера, проведенном Руди и его коллегами, результаты анализа процессов указали на важность влияния иммунной системы и воспаления. О какой бы человеческой болезни ни шла речь, будь то рак, диабет, болезнь Альцгеймера или сердечно-сосудистые заболевания, убийцей, который выводит человека из строя, почти всегда оказывается воспаление. Если говорить об эпигенетических изменениях, которые, возможно, имеют наибольшее влияние на регулирование биологических процессов, возможно, это окажется воспаление.

Около 400 миллионов людей в мире страдают диабетом второго типа, и ожидается, что в течение следующих двадцати лет это число увеличится до 500 миллионов. При диабете второго типа уровень глюкозы в плазме крови (сахар крови) повышается, часто в результате генетической предрасположенности и образа жизни, в частности, пищевых привычек. Главный фактор риска – ожирение. Можно часто наблюдать развитие диабета в семьях, и при том, что это может привести к генным мутациям само по себе, члены семьи также едят вместе, у них один и тот же рацион и, возможно, одни и те же пищевые привычки.

Риск становится точнее, но не обязательно проще. Уже известно, что с риском развития диабета второго типа у взрослых связаны десятки генов. (Неудивительно, что многие из этих генов связаны с ожирением и изменением уровня глюкозы в крови.) Однако большинство вариантов ДНК этих генов оказывает незначительное воздействие на риск развития заболевания на протяжении всей жизни. Куда большее влияние имеет образ жизни, что, как вы уже знаете, означает действие эпигенетики. Наиболее убедительные доказательства этому появились, когда стало понятно, что режим питания и рацион человека в раннем возрасте определяет риск развития диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Индейцы племени пима в Аризоне сильно подвержены ожирению и диабету второго типа. Если мать из народа пима была больна диабетом второго типа во время беременности, у ее детей будет крайне высокая предрасположенность как к диабету второго типа, так и к ожирению.

Научное обоснование связей эпигенетики со сложными заболеваниями развивается с огромной скоростью. Сейчас нам доступна технология генных чипов, с помощью которой можно среди миллионов участков генома найти, на каком именно из них метилирование прекращает активность любого из 23 000 наших генов. Эти участки можно просканировать на наличие определенных заболеваний, например диабета, и выяснить, какие именно гены задействованы в их развитии. Эти так называемые исследования целого эпигенома проводятся сейчас по всему миру и помогают обнаруживать все наиболее распространенные заболевания. В случае диабета второго типа основная часть важнейших эпигенетических изменений связана с геном FTO, влияющим на развитие ожирения и индекс массы тела, с помощью которого измеряют процент жира в общей массе тела.

Еще один фактор риска возникновения диабета – масса тела при рождении. Оказывается, наибольшему риску диабета подвержены дети, которые родились с недостаточной либо избыточной массой тела. Эпигенетическое влияние на геном детей с низкой массой тела при рождении может начаться еще в утробе матери. У детей с избыточной массой тела при рождении этот риск зависит от наличия диабета у матери во время беременности. В конечном счете, риск возникновения диабета второго типа почти всегда возникает в результате генетической предрасположенности, образа жизни, эпигенетических причин и тесного взаимодействия всех этих факторов. Эту же модель можно применить к большинству сложных заболеваний, от нарушений обмена веществ до зависимостей и психических расстройств.

Болезнь Альцгеймера – область исследования, которая всегда привлекала Руди. В 2015 г. журнал «Nature» опубликовал результаты комплексного исследования роли эпигенетики в развитии болезни Альцгеймера, и результаты были шокирующими. Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством д-ра Ли Хуэй Цая исследовали мышей, которым при помощи генной инженерии был внедрен человеческий ген, вызывавший у них потерю нервных клеток, или нейродегенерацию. Это очень похоже на то, что происходит с мозгом человека на последних стадиях болезни Альцгеймера, который практически обкрадывает сам себя.

Когда в мозгу мышей началось отмирание нервных клеток, исследователи стали наблюдать за сопутствующими изменениями эпигенома животных. Когда у мышей началась стремительная нейродегенерация мозга, на двух основных видах генов обнаружились эпигенетические метки. Среди них были гены, отвечающие за нейропластичность и изменения в нейронных сетях, именно благодаря этим генам мозг может самообновляться, а также гены, отвечающие за иммунную систему мозга. Последняя использует воспаление для защиты мозга, часто за счет нервных клеток, которые отмирают в результате сильного воспаления.

В последнем случае у клеток под названием микроглия, которые поддерживают работу нервных клеток и убирают продукты их деятельности, возникает ошибочное ощущение, что мозг переживает атаку бактерий или вируса. Поэтому возбужденные клетки микроглии начинают вырабатывать в большом количестве свободные радикалы (снаряды на основе кислорода), чтобы убить захватчиков извне. В процессе они убивают еще больше нервных клеток в виде сопутствующего ущерба.

Затем команда ученых из Массачусетского технологического института сравнила геномные сигнатуры мозга измененных мышей и мозга людей, умерших от болезни Альцгеймера. Совпадения, которые они увидели, были пугающими. (Подобные же признаки обнаружили позже и у живых людей, страдавших болезнью Альцгеймера.) С начала исследования в 2008 г. группа Руди находила все больше и больше генов, связанных с болезнью Альцгеймера, функционирование которых было частью работы иммунной системы мозга и мутации которых вызывали предрасположенность к воспалению. Когда результаты проекта Руди «Геном человека с болезнью Альцгеймера» объединили с данными ученых Массачусетского технологического института, их суть была предельно ясна: болезнь Альцгеймера – не что иное, как иммунопатология, которая развивается в результате взаимодействия мутаций генов, отвечающих за иммунитет, и образа жизни, в конце концов вызывающая эпигенетические изменения генов, отвечающих за иммунитет.

Появилась абсолютно новая парадигма причины возникновения и развития болезни Альцгеймера. Команда Руди и прочие до сих пор пытаются понять, как «успокоить» иммунную систему мозга, чтобы стали возможными профилактика и лечение этой болезни. Ответы на этот вопрос несомненно связаны со способами управления генами иммунитета, и понимание этих механизмов поможет справиться со стремительной нейродегенерацией мозга.

Мы хотели бы обратиться к многообещающим ключевым моментам, которые разрешили одну из самых главных загадок болезни Альцгеймера. Оказалось, что одним из важнейших ключевых моментов был сон. Нарушения цикла сна и бодрствования связаны с многочисленными неврологическими и психическими заболеваниями, в том числе и болезнью Альцгеймера. Наука нашла замечательное обоснование их связи. Известно, что болезнь обусловлена избыточным содержанием в мозге белка под названием бета-амилоид (Aβ) (принятое написание: β-амилоид или амилоид-β), что было не всегда очевидно. В середине 1980-х гг., когда Руди был студентом, он и другие исследователи, которые работали в этом направлении, знали, что болезнь Альцгеймера возникает из-за отложений амилоида в головном мозге. В 1986 г. Руди и другие исследователи открыли ген (APP), который вырабатывает Aβ (это также оказался первый из обнаруженных генов болезни Альцгеймера), а 28 лет спустя он и его коллеги разработали модель болезни Альцгеймера, вырастив в лабораторной чашке Петри нервные клетки мозга в искусственной среде, напоминающей мозг. В этом исследовании Руди и его коллеги Ду Ён Ким, Се Хун Чой и Дора Ковакс впервые сумели полностью имитировать засоряющие мозг людей с болезнью Альцгеймера сенильные (амилоидные) бляшки и сплетения в нервных клетках.

За созданием «болезни Альцгеймера в чашке», как назвали этот эксперимент в «New York Times», когда результаты исследования опубликовали в журнале «Nature», последовала дискуссия, которая продолжалась 30 лет и была самой крупномасштабной за все время исследования болезни Альцгеймера. Дискуссия была посвящена в основном вопросу, может ли избыток амилоида вокруг пораженных клеток мозга быть фактической причиной образования сплетений внутри клеток и вести к их отмиранию. (Сплетения – это аномальные скопления белка внутри мозговых клеток. Их наличие совершенно точно указывает на болезнь Альцгеймера.) Новое исследование говорит о том, что болезнь Альцгеймера – самая распространенная причина слабоумия у пожилых людей и страдающие этой болезнью люди часто испытывают большие проблемы со сном. При том, что на расстройства сна не обращают внимания и часто считают их следствием болезни, нам известно, что они происходят на ранних этапах и могут стать причиной болезни Альцгеймера. Многочисленные данные указывают на то, что цикл сна и бодрствования тесно связан с выработкой β-амилоида в мозгу человека и мышей с болезнью Альцгеймера. Как показали результаты исследований коллеги Руди Дэвида Хольтцмана из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, больше амилоида вырабатывается на более высоких уровнях мозга, когда мы бодрствуем и нервные клетки более активны.

Рак груди – еще одно заболевание со сложным комплексом факторов риска. Ученые Университетского колледжа Лондона обнаружили большую часть эпигенетической сигнатуры рака груди, когда изучали здоровых женщин, а затем продолжили исследование с женщинами, страдавшими от рака груди с мутацией гена BRCA1 или без нее. Мутациями гена BRCA1 обусловлены около 10 % случаев рака груди, но остальные 90 % в основном так и остаются загадкой. Вопрос состоит в том, насколько «утерянная наследуемость» обусловлена эпигенетически. Оказалось, что эпигенетические изменения у обеих групп женщин были очень похожи. Иными словами, изменения не зависели от наследования мутации гена BRCA1. Когда эпигенетическая сигнатура заболевания известна, становится возможным предсказать, кто из женщин находится в группе риска развития рака груди, до того, как заболевание обнаружат, и это огромное преимущество, учитывая, что каждый год им заболевают 250 000 женщин, причем 40 000 со смертельным исходом.

То, что влияние эпигенетики на риск столь очевидно, означает, что необходимо в корне пересмотреть и изменить образ жизни и начать с питания. В перечень продуктов питания и пищевых добавок, ценность которых в снижении риска развития рака груди подтверждена, входят аспирин, кофе, зеленый чай и витамин D.

В случае с аспирином самые достоверные данные удалось получить по результатам исследования, длившегося 30 лет, в котором участвовали 130 000 человек. У тех, кто регулярно принимал аспирин (минимум 2 таблетки аспирина для взрослых в неделю), наступило улучшение в 20 % случаев рака ЖКТ и в 25 % случаев колоректального рака. По результатам исследований именно этих разновидностей рака нельзя судить о раке в целом, и участникам программы потребовалось принимать аспирин в течение 16 лет, чтобы результаты были достоверными. В случае прекращения приема аспирина на протяжении 3–4 лет прекращался и его эффект. Причина эффективности аспирина против рака связана с его противовоспалительным действием (что неудивительно) и доказанной способностью противостоять формированию новых раковых клеток.

Нам также известно, что риск развития сердечно-сосудистых заболеваний обусловлен генетической предрасположенностью и образом жизни, но, как в случае диабета и рака груди, влияние также оказывают эпигенетические изменения (метилирование), из-за которых активность некоторых генов прекращается. Одно из исследований обнаружило, что уровень содержания в крови двух видов жиров (триглицериды и липопротеин очень низкой плотности (VLDL) холестерин) связан с метилированием гена под названием карнитин-пальмитоилтрансфераза 1A (или CPT1A). Этот ген вырабатывает энзим, который необходим для сжигания жиров. Когда эпигенетические механизмы прекращают его активность, вместо того чтобы трансформироваться в энергию, жирные кислоты остаются в кровотоке, чем повышают риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. На метилирование гена CPT1A влияют питание, употребление алкоголя и курение.

Даже на алкогольную зависимость можно повлиять на эпигенетическом уровне. Алкоголизм наносит тяжелый урон не только здоровью его жертв, но и членам их семей, каждый тридцатый случай алкоголизма смертелен. Самые известные гены, связанные с алкогольной зависимостью, – алкогольдегидрогеназа (ADH) и альдегид-дегидрогеназа (ALDH). Оба вырабатывают энзимы, которые помогают расщеплять алкоголь внутри организма. Но варианты этих генов объясняют лишь небольшую степень наследуемости алкоголизма. «Утерянная наследуемость», скорее всего, обусловлена эпигенетическими изменениями, привязанными к центрам удовольствия мозга, которые и дают человеку чувство удовлетворения, когда он выпьет.

Теперь мы знаем, что эти центры удовольствия изменяются на уровне генной активности, которая начинается после употребления алкоголя. Это значит, что разные люди по-разному реагируют на потребление алкоголя в зависимости от активности их генов. У запойных алкоголиков может повыситься уровень вещества под названием гомоцистеин, что в конечном счете приведет к метилированию, которое прекращает активность определенных генов. Такая генная активность может загнать в порочный круг, в котором реакция на удовольствие и боль изменяется, появляется неудержимое желание выпить как можно больше, а удовольствия это приносит все меньше.

Помимо всего прочего, эпигенетические изменения могут быть связаны с такими психическими расстройствами, как шизофрения и биполярное расстройство. Однако попытки обнаружить наследуемые генные мутации, которыми эти заболевания обусловлены, пока имеют переменный успех. Это, опять же, указывает на возможную важность эпигенетики в заполнении утерянной наследуемости и роли образа жизни. Поступает все больше доказательств, что шизофрения и биполярное расстройство не обязательно гарантированы из-за генных мутаций, передаваемых по наследству, или зависят от них.

Подозревать во влиянии на образ жизни человека можно питание, химические токсины и воспитание, которое также влияет на эпигенетические изменения. Образ жизни может определять эпигенетические метки, которые человек приобретает с рождения, но эксперименты на мышах показали, что можно унаследовать другие эпигенетические метки. Возможно, они появляются как последствия образа жизни родителей или даже их родителей. (Пожалуйста, имейте в виду, что мы не хотим ни на кого переложить вину. Вопрос эпигенетики психических заболеваний изучен еще не вполне основательно. Еще никто не связывал А и Б при любом образе жизни, который может привести к психическим расстройствам.)

При полноэпигеномном исследовании шизофрении и биполярного расстройства предсказуемо удалось обнаружить эпигенетические метки на некоторых генах, например, на тех, которые производят нейрохимические соединения, которые и раньше связывали с психическими расстройствами. Но кое-что было менее предсказуемым. Например, активность иммунных генов в комплексе гистосовместимости (HLA) повысилась. Это позволяет предположить, что иммунная система может каким-то образом относиться к склонности к шизофрении и биполярному расстройству. Конечно же, в этом вопросе, а также в вопросе других эпигенетических сигнатур, связанных с риском, причина и следствие представляют проблему. Откуда мы можем знать, появились ли эпигенетические метки до возникновения заболевания (причина) или как его результат (следствие)? Пока что безопасно будет сказать, что эпигеномные тесты каждого отдельного заболевания станут бесценными для каждого его аспекта, от предотвращения до полного излечения.

На самом деле мы весьма оптимистично смотрим на путь, которым идет современная генетика, но реалистический взгляд нам тоже не чужд. Остается острое разногласие между двумя сферами – видимого и невидимого. Все мы живем в обеих этих сферах, и сей факт нельзя игнорировать. Когда клеточный биолог смотрит в микроскоп, он может заметить миллионы изменений в функционировании клетки, но нельзя увидеть самый основной компонент – опыт, за которым следуют эти изменения. Нефизический аспект влияет на жизнь человека каждую секунду его жизни, и мы считаем это основной причиной того, почему генетикам следует смотреть поверх материализма и оценки вероятностных шансов.

В будущем найдутся данные, которые смогут подкрепить столь радикальную смену перспективы, но куда более важно сформулировать идеи, которые подтвердят эти данные, – это и есть цель нашей книги, и мы сделали в этом направлении несколько гигантских шагов. Вы знаете о динамической природе своего генома даже больше, чем знали генетики двадцать или тридцать лет назад. Однако особенно важно применить эти знания для улучшения активности своих генов. Прежде чем сделать это, необходимо представить еще гору генетической информации, которая исходит из источника, от которого никто этого не ожидал.