Глава 15
Цветущие монстры
«А у Тима здесь есть настоящий цветок Линнея».
Я снова оказался в Колд-Спринг-Харборе, на этот раз – по поводу этого самого растения. Переехавший в США англичанин Роберт Мартиенсен приветствовал меня на пороге своей лаборатории. То утро мы провели, восхищаясь его покрывшей местный водоем ряской и высокими побегами экспериментальной кукурузы. Затем мы направились в одну их лабораторных теплиц, чтобы встретиться там с Тимом Маллиганом, управлявшим этим хозяйством. У того был с собой черный пластиковый горшок с цветком.
Маллиган поставил цветок на дощатый стол, и я наклонился, чтобы его рассмотреть. В горшке находилось одно-единственное растение с дюжиной или около того ярко-желтых цветков. Цветки были похожи на миниатюрные геральдические трубы. Лепестки, обернутые друг вокруг друга, образовывали длинную трубку. Каждая трубка на конце раскрывалась, образуя ободок из пяти шпор.
Это было симпатичное растение, но, гуляя по лугу, я легко мог бы случайно наступить на него, попадись оно мне на пути. Однако для Мартиенсена оно оказалось интереснейшим организмом на планете. В нем скрывалась древняя тайна наследственности и тех форм, которые она может принимать.
У цветка, который я рассматривал, была хорошо известная родословная. Он происходил прямо от того растения, которое в 1742 г. нашел студент одного из шведских университетов Магнус Сёберг. Студент прогуливался по одному из островов неподалеку от Стокгольма, когда случайно заметил растение с цветками, похожими на трубу. Оно смутило Магнуса, потому что, если не смотреть на цветки, остальная часть растения выглядела совершенно так же, как хорошо знакомая ему льнянка. Но у нормальной льнянки цветки обладали зеркальной симметрией. Они состояли из нескольких маленьких желтых лепестков, расположенных справа и слева от воображаемой оси, а также у них была шпора, направленная к земле. У цветков на растении, которое нашел Сёберг, симметрия была радиальной.
Сёберг выдернул находку из земли, положил ее меж страниц книги и отнес в Уппсальский университет, чтобы показать своему профессору Улофу Цельсию. Цельсий был поражен. Он немедленно передал этот цветок своему коллеге, одному из самых известных естествоиспытателей на свете, – Карлу Линнею.
В то время Линней работал над новой системой классификации растений и животных. Мы до сих пор используем ее. При классификации растений Линней уделял особое внимание форме их цветков. Когда выдающийся швед взглянул на добычу Сёберга, то подумал, что Цельсий решил его разыграть. Должно быть, тот приклеил к стеблю льнянки цветки от другого вида. Однако Цельсий заверил Линнея, что это подлинное растение.
Линней решил, что Сёберг нашел уродца. Однако такие нелепые цветки должны быть стерильны, а Линней обнаружил, что образец Сёберга может оказаться плодовитым – у него были все структуры, необходимые для производства жизнеспособных семян. Линней удивился еще больше, когда рассмотрел растение внимательно. Оно не было похоже ни на что когда-либо виденное самим Линнеем или ботаниками до него. Линней упросил Сёберга опять сходить на тот остров и принести ему несколько живых цветов.
Сёберг выполнил просьбу и вернулся в Уппсалу с живым растением с неповрежденными корнями и стеблем. Оно было высажено в университетском ботаническом саду, но завяло и погибло. Линней отчаянно использовал недолгое существование цветка, сделав множество наблюдений. Он написал длинный отчет об этом единственном растении, каждая страница которого выдавала изумление ученого.
Линней утверждал: «Несомненно, это не менее удивительно, чем если бы корова родила теленка с волчьей головой». Он рассматривал это растение с трубковидными цветками как самостоятельный вид. Линней назвал его «пелория» – монстр по-гречески. Пытаясь разобраться в этом, как он говорил, «удивительном творении природы», Линней предположил, что это потомок обычной льнянки. Пыльца другого вида оплодотворила растение льнянки, каким-то образом запустив внезапное образование новой формы. Говорить такое в 1740-х гг., за 100 лет до работ Менделя и Дарвина, граничило чуть ли не с ересью. Предполагалось, что все виды были неизменны со времен создания. Наследственность не могла резко сменить курс, чтобы возник новый вид. Некий епископ писал сердито Линнею: «Ваша пелория всех растревожила. Как минимум нам следует избегать опасного предположения, что этот вид появился после Творения».
Продолжая в последующие годы изучать и другие экземпляры, Линней все хуже понимал, что же на самом деле представляет собой это растение. Он обнаружил, что иногда на одной и той же пелории появляется смесь из уродливых цветков, похожих на трубу, и обычных – с зеркальной симметрией. Ему так и не удалось окончательно решить, действительно ли это отдельный вид или же какой-то странный сорт, бросающий вызов всем законам ботаники.
Пелория не переставала интересовать и следующие поколения ботаников. Выращиваемое в ботанических садах по всей Европе, это растение передавало трубковидные цветки своим потомкам. Гёте, которого растения захватывали не менее, чем поэзия, делал зарисовки цветков пелории и льнянки. Хуго де Фриз какое-то время думал, что сможет доказать свою мутационную теорию с помощью этого растения. Он считал, что цветок-монстр возник из обычной льнянки в процессе мутации, иными словами, новый вид был создан одним скачком.
Однако пелория не поддавалась такому простому объяснению. Если бы трубкообразные цветки действительно возникли в результате мутации, то она затронула бы ДНК льнянки. И последующие поколения пелории унаследовали бы эту мутацию. Однако у потомков той первой пелории иногда вырастали нормальные двусторонние цветки, а иногда – нелепые трубковидные. При этом не наблюдалось четкой закономерности, которую мог бы заметить Мендель.
В конце 1990-х гг. группа английских ученых, вооруженных методами молекулярной биологии, тоже обратила внимание на пелорию. Энрико Коэн из Исследовательского центра Джона Иннеса вместе с коллегами исследовал ген l-cyc, участвующий в формировании цветка. Для того чтобы у обычной льнянки образовывались цветки, ген l-cyc должен быть включен на верхушках побегов. Коэн выяснил, что у пелории ген l-cyc был заблокирован.
Эти различия возникли не в результате какой-либо мутации, поменявшей структуру гена l-cyc у пелории. Коэн с коллегами обнаружил, что сам ген был один и тот же что у обычной льнянки, что у пелории. Различия нашли не внутри этого участка ДНК, а вокруг него. Коэн выявил, что у обычной льнянки и пелории разное метилирование вокруг гена l-cyc. У пелории участок с геном l-cyc плотно окружен метильными группами, препятствующими работе молекул, считывающих гены. Коэн со своими коллегами обратил внимание, что некоторые выращиваемые пелории иногда дают цветки, похожие на нормальные. Когда ученые проверили ген l-cyc в этих пережитках прошлого, то обнаружили, что он потерял часть метильных групп, и это позволило гену снова стать активным.
Иными словами, у пелории наследственность идет двумя путями. Растение передает потомству копию своих генов, которые направляют развитие так, чтобы получилась льнянка. Но дочерние растения также наследуют и особую схему метилирования, которая не закодирована в их генах. Когда-то некая льнянка случайно добавила лишние метильные группы на ген l-cyc, это было еще до того, как в 1742 г. Сёберг нашел такое растение. Подобное метилирование привело к развитию новой формы цветка. Когда это измененное растение размножалось, оно передавало потомкам такие же эпигенетические метки. В итоге получилось так, что и на новых растениях распускались милые, но нелепые цветки. За прошедшие века некоторые потомки потеряли метильные метки и теперь цветут, как обычная льнянка. Но другие пелории продолжают наследовать свою растительную «волчью голову».
Когда я приехал к Мартиенсену, он как раз начинал эксперимент с пелорией. Никто точно не знает, каким именно образом это растение передает свои эпигенетические метки, вызывающие уродство цветков на протяжении многих поколений. У Мартиенсена появилась идея, как это можно выяснить, но его эксперимент чуть было не сорвался. Когда он спросил у Коэна, где можно найти пелорию, тот ответил, что этот цветок уже исчез. Насколько Коэн знал, нигде в мире пелории не осталось.
Мартиенсен говорил мне: «Они потеряли его в Садах Кью. Они утратили его в Оксфордском ботаническом саду, где выращивали в течение двух сотен лет».
Наконец, после нескольких месяцев поиска Коэн обнаружил запас этого исторически важного растения. Он нашел его не в ботаническом саду или научной лаборатории, а в одном из калифорнийских питомников, который торговал пелорией по всему свету. Мартиенсен сделал большой заказ и, как только растения прибыли в Колд-Спринг-Харбор, вместе с Маллиганом начал создавать собственный запас пелорий. Маллиган говорит: «Мы должны предпринять все возможное, чтобы надежно его сохранить».
__________
Чарльз Дарвин и Фрэнсис Гальтон были первыми, кто представил наследственность в форме научного вопроса. Это произошло в конце XIX в. Ученые, подобные Хуго де Фризу и Уильяму Бэтсону, предположили, что ответ на него они нашли в генах. Они обнаружили способ, как можно связать ныне живущие организмы с их биологическим прошлым. Однако эти ученые не просто искали доказательства, что наследственная информация передается через гены. Они также пытались опровергнуть альтернативные взгляды.
Когда Август Вейсман утверждал, что передача наследственности осуществляется клетками зародышевой линии, отгороженными от соматических клеток, он выбрал себе в качестве оппонента Жана Батиста Ламарка. Вейсман опровергал утверждение французского ученого о наследовании приобретенных признаков оригинальным способом – он отрезал мышам хвосты. В 1889 г. Вейсман писал, что «если приобретенные признаки не могут передаваться по наследству, то теория Ламарка целиком отменяется и мы должны полностью отказаться от того единственного принципа, который, по мнению Ламарка, лежит в основе преобразования видов».
Генетики начала XX в. вслед за Вейсманом, открывшим им путь в науку, вступили в ряды противников Ламарка и ламаркистов из числа их современников. Томас Хант Морган заявил в 1925 г., что генетические исследования «предоставляют, на мой взгляд, убедительные опровержения несвязных и нечетких аргументов ламаркистов». Тот ламаркист, что, столкнувшись с генетическими доказательствами, не отказался от своих несвязных и нечетких аргументов, путает иллюзии с наукой. Морган высокомерно писал: «Готовность прислушиваться к каждой новой выдумке, доказывающей наследование приобретенных признаков, возникает, возможно, из человеческого желания передать потомству наши физические и умственные достижения».
И по сию пору Ламарк остается символом догенетического мышления. Но такой его образ несправедлив по отношению и к нему, и к истории. Концепция наследования приобретенных признаков была широко распространена за тысячи лет до рождения Ламарка. Европейские ученые со Средних веков до эпохи Просвещения полагали ее верной. Когда Ламарк развивал свою теорию эволюции на основе наследования приобретенных признаков, он не считал нужным доказывать истинность этого положения, потому что этот вопрос был решен намного раньше. Однажды он написал: «Закон природы, согласно которому новые особи получают все, что было приобретено в организме при жизни их родителей, настолько точен, настолько четко выражен, настолько подтвержден фактами, что нет такого наблюдателя, который не смог бы убедиться в его действенности».
Чьим бы именем ни была названа эта идея, она теряла свою популярность на протяжении всего XX в. Генетики все больше и больше узнавали об основах жизни, они открыли структуру ДНК и подробности ее наследования, проведя тысячи экспериментов. В то же время свидетельства существования других форм наследственности оставались неубедительными, будь то странная лягушка или отдельные ростки пшеницы, которые, казалось, передают приобретенные признаки по наследству. Однако некоторые ученые продолжали отстаивать принципиальную возможность существования разных форм передачи наследственной информации. Они утверждали, что если мы просто приравняем наследственность к генетике, то никогда даже и не будем искать другие способы.
__________
Ближе к концу XX в. стало известно несколько случаев, которые выглядели как наследование приобретенных признаков.
В 1984 г. шведский исследователь питания Ларс Олаф Бигрен приступил к изучению жителей Эверкаликса – отдаленного района Швеции, где вырос и он сам. Столетиями земляки Бигрена тяжким трудом добывали себе пропитание на берегах реки Каликсэльвен, вылавливая лосося, выпасая скот и выращивая ячмень и рожь. Раз в несколько лет они страдали от губительного неурожая, оставаясь почти без еды на всю зиму, тянущуюся более шести месяцев. Но бывали периоды, когда погода благоприятствовала необычайно обильной жатве.
Бигрен заинтересовался долговременными последствиями таких резких изменений для населения Эверкаликса. Свое исследование он провел на 94 мужчинах. Используя церковные записи, ученый проследил их родословные и обнаружил, что существует корреляция между здоровьем человека и теми жизненными обстоятельствами, с которыми сталкивались его дедушки. Мужчины, чьи деды по отцовской линии пережили сытый сезон непосредственно перед половым созреванием, умирали раньше, чем те, чьи деды в том же возрасте голодали. В более позднем исследовании Бигрен обнаружил, что условия жизни женщин также влияют на следующие поколения. У женщины повышался риск умереть от сердечного приступа, если ее бабушка по стороне отца родилась в голодное время или сразу после него. О влиянии состояния здоровья женщины на плод было известно давно, но исследования Бигрена показали, что это воздействие простирается дальше – до внуков и даже следующих поколений.
Аналогичные результаты были получены и в экспериментах на животных. Вот один пример. В начале 2000-х гг. биолог из Университета штата Вашингтон Майкл Скиннер со своими коллегами исследовал влияние винклозолина – вещества, убивающего грибы. Несмотря на то что оно препятствует работе половых гормонов, многие фермеры используют его, чтобы защитить свои фрукты и овощи от плесени.
Скиннер и его коллеги ввели винклозолин беременным крысам, что привело к деформации сперматозоидов и другим половым нарушениям у потомства. Затем один из сотрудников Скиннера по ошибке скрестил между собой животных из такого потомства, получив уже новое поколение крыс. Эта ошибка позволила Скиннеру совершить открытие, которого никто не ожидал. У внуков отравленных крыс сперматозоиды тоже оказались деформированы, несмотря на то что эти животные никогда не подвергались прямому воздействию винклозолина.
Скиннер с коллегами начал новое исследование, чтобы понять, насколько далеко может распространяться этот эффект. Он воздействовал на самок винклозолином, а затем скрещивал между собой их потомков. Ученые обнаружили, что даже через четыре поколения у самцов были деформированные сперматозоиды. Воздействие таких веществ, как ДЭТА и авиатопливо, тоже влияло на крыс на протяжении нескольких поколений.
Работа Скиннера вдохновила и других исследователей искать подобные наследуемые изменения. Брайан Диас из Университета Эмори задался вопросом, могут ли мыши передавать своим потомкам память.
Каждый день Диас помещал молодых самцов в камеру, куда время от времени впрыскивал ацетофенон. Людям его запах напоминает аромат миндаля или вишни. Мыши вдыхали ацетофенон в течение десяти секунд, затем Диас бил их по лапкам несильным электрическим током.
Чтобы мыши связали запах с ударом тока, хватало трех дней, по пять таких опытов в день. Когда Диас давал обученным животным понюхать ацетофенон, они замирали на месте. Кроме того, Диас обнаружил, что запах ацетофенона повышал пугливость мышей при громких звуках. В других опытах Диас вводил в камеру иной запах (спирта пропанола) или не давал мышам удара током. В этих случаях мыши не обучились бояться запаха ацетофенона.
Через десять дней после окончания мышиного обучения коллеги из другого отдела зашли к Диасу, собрали сперму у обученных мышей и отнесли ее в свою лабораторию. Там они ввели сперматозоиды в мышиные яйцеклетки, которые затем имплантировали самкам. Позже, когда родившиеся детеныши подросли, Диас протестировал их поведение. Как и их отцы, новое поколение мышат оказалось чувствительно к ацетофенону. Если им в клетку подавали этот запах, они сильнее пугались громкого звука – при том, что их никогда не обучали такой связи. Когда особи из этого поколения спарились и у них родилось потомство, то чувствительность к ацетофенону сохранилась и у внуков мышей, которых изначально обучали бояться этого запаха.
Затем Диас исследовал нервную систему мышей в надежде найти физические следы этой памяти. Когда мышь чувствовала ацетофенон, информация о нем проходила в нервной системе по определенному пути. В носу у мыши молекулы запаха соединялись только с одним типом нервных окончаний, затем импульсы поступали в один небольшой участок в передней части мозга. Предыдущие исследования показали, что, когда мышь обучалась бояться ацетофенона, этот участок увеличивался в размере.
Сектор мозга, который был увеличен у обученных мышей, оказался увеличенным также и у их потомков. При этом единственной связью между напуганными отцами и их детьми и внуками были сперматозоиды. И каким-то образом через эти клетки потомкам передались не только гены. Животные передали детям не только ту информацию, которую получили по наследству, но и жизненный опыт.
Работа Диаса позволила предположить, что поведение может быть сначала выучено, а затем унаследовано. К схожим выводам пришли и другие исследователи, проведя собственные эксперименты. Стрессовые ситуации, с которыми встречаются молодые мыши, могут изменить их реакцию на стресс и когда они станут взрослыми. Например, поведение мышат, разлученных с матерями на несколько часов кряду, похоже на поведение людей с депрессией. Если таких мышат положить в воду, они быстро перестанут барахтаться и станут беспомощно дрейфовать. Самцы мышей могут передать эту беспомощность своим детям, а потом и дальше – внукам.
Особенно удивительно, что самцы могут влиять на будущие поколения так же, как и самки. При этом, в отличие от самок, у них нет прямой связи с эмбрионом. И действительно – самец может передавать детям поведенческие признаки даже при искусственном оплодотворении. И если эти результаты достоверны, то следует вывод, что в сперматозоидах (и, по-видимому, в яйцеклетках) должно быть нечто, способное передать эту таинственную информацию. А поскольку тут влияет жизненный опыт, то это не могут быть гены.
__________
Для объяснения такой странной наследственности некоторые ученые обратились к эпигеному, т. е. набору молекул, окружающему наши гены и контролирующему их работу. К концу XX в. стало абсолютно ясно, что эпигеном необходим для правильного развития организма из зиготы. Наши клетки сматывают свою ДНК и изменяют расположение метильных групп, когда клетка делится. Определенные комбинации включенных генов помогают клетке стать мышечной, превратиться в клетку кожи или другой части тела. Эти комбинации сохраняются довольно долго, выдерживая деление за делением. Именно поэтому из зачатков сердец вырастают сердца, а не почки.
Однако эпигеном – не просто жесткая программа переключения генов в развивающемся организме. Он чувствителен и к окружающим условиям. Например, в течение дня наш эпигеном управляет биологическим циклом нашего тела. Мы бываем сонными и бодрыми, теплыми и прохладными на ощупь, наш уровень метаболизма может повышаться или понижаться. Внутренние циклы совпадают с 24-часовым периодом вращения нашей планеты вокруг своей оси, потому что в разное время суток нам в глаза попадает разное количество света. В дневные часы работают те определенные гены, с которых клетка синтезирует белки, нужные для активной жизни. Когда приходит вечер, вокруг этих генов скапливается все больше белков, скручивающих ДНК и меняющих расположение метильных групп. Ночью эти гены остаются выключенными и беспомощными, пока их снова не разбудит армия утренних молекул.
Эпигеном может изменять работу генов в ответ не только на такие регулярные сигналы, как восход и закат, но и на непредсказуемые. Когда у нас развивается инфекция, в боевой режим переходят, сталкиваясь с патогеном, иммунные клетки. Они начинают выделять смертельные вещества или посылать сигналы соседним кровеносным сосудам – пусть те запустят отек с воспалением. Чтобы эти изменения произошли, клетки реорганизуют свою ДНК, позволяя определенным генам синтезировать белки и одновременно подавляя работу других генов. А когда иммунные клетки делятся, они передают потомкам свой боевой эпигеном как своего рода клеточную память.
Воспоминания в нашем мозге тоже могут сохраняться отчасти благодаря изменениям, которые вносятся в эпигеном. Начиная с середины XX в. нейробиологи стали замечать, что в процессе формирования памяти образуются новые связи между нейронами. Некоторые из этих связей обрезаются, другие становятся сильнее, и эти изменения могут сохраняться годами. Недавно исследователи выяснили, что создание новых воспоминаний тоже сопровождается эпигенетическими изменениями. Например, перестраиваются витки, в которые смотана нить ДНК, и присоединение метильных групп происходит по новой схеме. Эти устойчивые изменения гарантируют, что нейрон продолжит синтезировать белки, необходимые для укрепления связи, и тем самым сохранит свою долговременную память.
У растений нет мозга, но есть своя память об инфекциях, опасной концентрации соли или засухе. Борьба с этими природными вызовами может помочь растениям быть готовыми к повторным неприятностям в будущем. Если пострадавшее от засухи растение сейчас наслаждается проливным дождем, оно все равно будет помнить об отсутствии воды. Даже через неделю это растение среагирует на засуху сильнее, чем то, для которого никогда не возникало подобной угрозы. Исследователи выяснили, что в основе такой длительной готовности растения к неприятностям лежит долговременное изменение его эпигенома.
Однако изменения эпигенома не всегда безоговорочно полезны. В некоторых исследованиях было показано, что стресс и другие негативные воздействия тоже могут вызывать в клетках эпигенетические изменения – но они приводят к долгосрочным нежелательным последствиям.
Одно из самых серьезных доказательств этой связи было получено в лаборатории Майкла Мини из Университета Макгилла. В 1990-х гг. Мини со своими коллегами начал изучать, как крысы переносят стресс. Если крыс помещают в маленькую пластиковую коробочку, у животных возникает состояние тревоги и выделяются гормоны, учащающие пульс. Некоторые крысы реагируют на этот стресс сильнее, чем другие. После недолгого поиска Мини с коллегами нашел причину этих различий. Оказалось, что тех крыс, у которых выделяется много гормонов стресса, матери мало вылизывали в детстве.
Вместе со своим коллегой по университету генетиком Моше Шифом Мини изучил физиологические различия, которые возникают у крысят из-за частого или редкого вылизывания. Исследователи знали, что в контроле стресс-реакции у млекопитающих принимает участие гиппокамп – отвечающая за формирование воспоминаний область мозга, где в течение всей жизни образуются новые нервные клетки. Когда гормоны стресса соединяются с рецепторами на нейронах гиппокампа, те запускают ответ, который в итоге прекращает их выработку.
Мини и Шиф изучили метилирование в нейронах гиппокампа. Они обнаружили, что у крыс, которых много вылизывали, уровень метилирования вокруг гена, отвечающего за развитие того рецептора, что реагировал на гормоны стресса, был относительно низкий. У крыс, которых вылизывали мало, метилирование оказалось намного сильнее. Мини и Шиф предположили, что, когда мать вылизывает своих детенышей, это влияет на нейроны гиппокампа: вокруг гена рецептора убираются метильные группы. Освободившись от них, ген становится более активным, и нейрон производит больше рецепторов. У крысят, которых много вылизывали, эти нейроны более чувствительны к стрессу и эффективней его сдерживают. У крыс, которых вылизывали недостаточно, рецепторов меньше. Они постоянно находятся в состоянии стресса.
Люди тоже млекопитающие, поэтому можно предположить, что воспитание человеческих детенышей также влияет на их стресс-реакцию в долгосрочной перспективе. В одном небольшом, но занимательном исследовании Мини с коллегами изучал ткань мозга умерших людей. Они взяли образцы у 12 человек, скончавшихся от естественных причин, у 12-ти покончивших жизнь самоубийством и у 12-ти, которые тоже покончили жизнь самоубийством, но при этом в детстве еще и пережили насилие. Ученые обнаружили, что в мозге последних 12-ти относительно много метильных групп вокруг гена рецептора – так же как и у крысят, которых мало вылизывали. И подобным же образом у жертв насилия было меньше рецепторов на соответствующих нейронах. Можно предположить, что насилие привело к эпигенетическим изменениям у детей, а эти изменения повлияли на их эмоциональные процессы, уже когда они стали взрослыми, что переросло в суицидальные наклонности.
Работа Мини и Шифа стимулировала проведение многочисленных исследований связи эпигенетических изменений и хронических заболеваний. Но наш эпигеном меняется с течением жизни – даже при отсутствии стресса и нищеты. Так, генетик Стив Хорват предположил, что изменения человеческого эпигенома происходят с постоянной скоростью, как будто подчиняясь ходу биологических часов.
Идея эпигенетических часов пришла в голову исследователю в 2011 г., когда он изучал слюну. Собрав совместно с коллегами образцы слюны у 68 человек, Хорват извлек из этой жидкости плавающие там клетки слизистой оболочки щеки. Изначально ученый пытался найти различия в метилировании у гетеро- и гомосексуалов. Однако ему не удалось обнаружить четкой закономерности. Но чтобы исследование не пропало даром, Хорват решил сравнить слюну людей разного возраста.
Совместно с коллегами он нашел два участка на ДНК, в пределах которых рисунок метилирования у людей одного возраста совпадал. Когда исследователи проанализировали другие типы клеток, то нашли еще несколько фрагментов, где в процессе старения метилирование менялось даже более четко. К 2012 г. Хорват изучил метилирование в 16 областях ДНК у девяти различных типов клеток. Он мог использовать эти закономерности для определения возраста человека с точностью 96 %.
Когда Хорват подготовил статью с описанием этих экспериментов, два журнала ее отклонили. Дело было не в том, что его результаты казались слишком неубедительными. Напротив, они были чрезмерно хороши. Получив отказ в третий раз, исследователь выпил три бутылки пива и сразу после этого сел писать редактору журнала свои возражения на аргументы рецензентов. Это помогло, и статья Хорвата вышла в номере Genome Biology за октябрь 2013 г. Прочитав ее, одна нидерландская исследовательская группа незамедлительно проверила эпигенетические часы на образцах крови голландских солдат. Ученые смогли определить их возраст с точностью до нескольких месяцев.
Сколь бы интригующими ни были подобные исследования, до сих пор неясно, важное ли значение имеют эпигенетические часы. Та же неопределенность витает вокруг исследований способов, которыми негативный опыт запускает эпигенетические изменения в мозге и остальном теле. Эти исследовательские проекты, как правило, небольшие, и иногда при попытках воспроизвести их не удается получить аналогичные результаты. Очень может быть, что те, кто ищет эпигенетические изменения, заблуждаются, обнаруживая ожидаемые эффекты там, где их нет. Возможно, к примеру, что эпигенетические часы запускаются вовсе не по причине изменения клетками своих метильных меток. А может, с возрастом начинают преобладать клетки с другим эпигенетическим рисунком – не те, которых было больше в юном организме.
Однако эпигенетика не отпугивает ученых этими неопределенностями. Ставки слишком высоки. Раскрыв эпигенетический код, исследователи найдут связь между воспитанием и природой. И если мы научимся управлять этим кодом, то сможем лечить болезни, изменяя работу наших генов.
__________
Описанные исследования позволили предположить, что загадочная наследственность в экспериментах Диаса возникала в результате эпигенетических изменений, передающихся от одного поколения к другому. Точно известно, что жизненный опыт меняет эпигенетический рисунок в клетках нашего организма и при делении дочерние клетки могут унаследовать эти изменения. Если дочерние клетки оказываются половыми, возможно, они передадут приобретенную черту следующим поколениям.
Вероятность такой новой наследственности вскружила многим голову. Появились заявления, что теперь-то тайна потерянной наследуемости раскрыта, поскольку признаки, оказывается, передаются не только генетически, но и эпигенетически. Эпидемиолог Джей Кауфман в 2014 г. довольно решительно заявил: «Если весь XX в. принадлежал Чарльзу Дарвину, то, учитывая начавшееся бурное развитие эпигенетики, все идет к тому, что XXI в. вернется к Жану Батисту Ламарку».
Снова очень многие заговорили о Ламарке, сделав его иконой более гибкого способа наследственности. Журнал Nature Neuroscience поместил портрет знаменитого француза с седой шевелюрой и высоким шейным платком на обложку номера, в котором опубликовал работу Диаса по запаховой памяти. New Scientist в таком же ключе сообщил об этом исследовании в редакционной статье под названием «Наследование памяти у мышей может воскресить ламаркизм» (Mouse Memory Inheritance May Revitalise Lamarckism).
По мере того как новый дух ламаркизма набирался сил, возможность эпигенетического наследования через поколения будоражила умы далеко за полями страниц научных журналов. Подразумевалось, что наше здоровье и даже мышление формируются под влиянием альтернативной формы наследственности. Если начать фантазировать о том, какие это может иметь последствия, то разыгравшееся воображение будет сложно унять. Способность винклозолина и ДЭТА оказывать свое влияние через поколения вызывает опасения, что так же могут действовать и другие химически схожие вещества, в том числе некоторые компоненты пластика. В 2012 г. во всем мире было произведено 280 млн т пластика, и бóльшая часть его оказалась в итоге в окружающем нас пространстве. Это довольно плохая новость, стоит лишь представить, как разрушительно он может повлиять на гормоны людей и животных. И все выглядит гораздо хуже, если принять к тому же во внимание, что наследие этого загрязнения в состоянии передаться и последующим поколениям.
А теперь представьте, что нищета, насилие и другие беды, с которыми сталкиваются родители, эпигенетически влияют на их детей, а те способны, в свою очередь, передать эти отметины своим отпрыскам. Подумайте обо всех социальных пороках, которые можно было бы объяснить «с помощью» Ламарка. В 2014 г. журналист Скотт Джонсон размышлял об этом в большой онлайн-публикации «Новая теория, объясняющая преступность и насилие в Америке». Он вплел рассказ о чернокожей семье из калифорнийского Окленда, преследуемой нищетой, наркоманией и преступностью, в историю развития эпигенетики, начав – незаслуженно, конечно – с Ламарка и закончив современными экспериментами на мышах. «Забудьте все, что вы слышали об оружии и наркотиках, – призывал Джонсон. – Сейчас ученые убеждены, что корни преступности могут лежать глубоко в нашей биологии».
Если же вы, напротив, мучительно охвачены тревогами, свойственными верхушке среднего класса, эпигенетика может стать для вас новой йогой. Гипнотерапевт Марк Уолинн начал проводить по всей территории США семинары, на которых он тщательно разбирается с родословными своих клиентов и ищет в них скрытые эпигенетические проблемы. На своей страничке в интернете он пишет: «Новейшие эпигенетические исследования говорят, что мы с вами могли унаследовать изменения в генах из-за травм, пережитых нашими родителями, дедушками и бабушками». Он обещает перепрограммировать эти унаследованные изменения, помогая построить «новые нейронные связи в вашем мозге, новые ощущения в вашем теле» и вдохнуть «новую энергию в ваши отношения с собой и другими». Всего за 350 долл.
Покинув эпигенетический семинар с перестроенными нейронными связями, вы, возможно, будете шокированы, узнав, сколь много в научных кругах недоверия к эпигенетической передаче информации между поколениями. Целый ряд критиков не видит в проведенных экспериментах оснований для таких далеко идущих выводов. У них вызывает подозрения маленький размер выборки в большей части наиболее громких исследований. То, что выглядит как передача эпигенетической информации через поколения, может оказаться всего лишь совпадением. В некоторых случаях результаты, вполне вероятно, достоверные, но их причины необязательно связаны с эпигенетическим наследованием.
Однако наиболее убедительная критика этой формы наследования направлена на молекулярные детали. Непонятно, как именно полученный родителями опыт может точно помещать метки на гены их потомков. И, хотя рисунок метилирования в клетках действительно меняется в течение жизни человека, совершенно неочевидно, что эти изменения унаследованы.
Проблема данной гипотезы заключается вот в чем – она не соответствует тому, что мы знаем о процессе оплодотворения. Сперматозоид несет свою собственную ДНК, у которой есть свой собственный индивидуальный эпигеном. Эта ДНК должна быть упакована очень плотно, чтобы уместиться в крошечном сперматозоиде. В ходе оплодотворения гены сперматозоида попадают в яйцеклетку, где сталкиваются с белками, атакующими эпигеном отца. Эпигенетическая драма продолжается и по мере роста эмбриона. Тотипотентные клетки удаляют бóльшую часть оставшихся метильных групп со своих ДНК. А затем – в процессе развития – они, наоборот, прикрепляют новую порцию метильных групп обратно на ДНК.
Такое новое метилирование позволяет клеткам эмбриона становиться тем, чем надо. Некоторые клетки «стремятся» стать плацентой. Другие дают начало трем зародышевым листкам. А по прошествии примерно трех недель маленькая группа клеток получает сигнал, сообщающий, что они выбраны для бессмертия. Избранники станут половыми клетками. Эти новообразованные первичные половые клетки еще раз меняют свой эпигеном. Они убирают со своих ДНК львиную долю метильных групп. Многие ученые сомневаются, что эпигенетические отметки в состоянии сохраниться после всех этих чисток и переустановок. Если рассматривать наследственность как разновидность памяти, то у метилирования наступает полная амнезия в каждом поколении.
Подобные проблемы как раз и вызвали озабоченность многих ученых, вследствие чего они засомневались в утверждении Брайана Диаса, что мыши могут наследовать воспоминания. Нейрогенетик из дублинского Тринити-колледжа Кевин Митчелл выразил свой скептицизм в Twitter. Он выдал тираду, достойную пера Августа Вейсмана.
«Вот что должно произойти, – пишет он, – для эпигенетической передачи между поколениями у млекопитающих:
Опыт <СТРЕЛКА> Мозг <СТРЕЛКА> Изменение экспрессии генов в некоторых определенных нейронах (пока все хорошо, все системы работают нормально) <СТРЕЛКА> Передача информации в зародышевую линию клеток (как? какой сигнал?) <СТРЕЛКА> Установка эпигенетического статуса в гаметах (как?) <СТРЕЛКА> Сохранение этого состояния при прохождении через эпигенетическую “перезагрузку” генома, эмбриогенез и последующее развитие мозга (хм-м-м…) <СТРЕЛКА> Перевод этого состояния в изменение экспрессии генов в определенных нейронах (ага, щаз…) <СТРЕЛКА> Изменение чувствительности определенных нейронных связей, как если бы животное столкнулось с таким же опытом в жизни <СТРЕЛКА> Изменение поведения, так что теперь оно отражает родительский опыт, который почему-то возобладал над пластичностью и эпигенетическими реакциями, вызванными поведением самого животного (предположительно в первую очередь запустившего весь этот каскад)».
Для ученых, подобных Митчеллу, изъян эпигенетического наследования выражается не просто в том, что для него не существует полного биологического объяснения. Такое наследование требует пересмотреть целые области науки, в которых исследователи уже довольно хорошо разобрались.
__________
В 2014 г. Роберт Мартиенсен стал одним из установщиков отрезвляющего холодного душа для новых ламаркистов. Совместно с биологом Эдит Хёрд из парижского Института Кюри он проанализировал все проведенные к тому времени исследования на эту тему и опубликовал в журнале Cell обзор «Эпигенетическое трансгенерационное наследование: мифы и механизмы».
Хёрд и Мартиенсен спрашивают: «Могут ли пища, которую мы едим, воздух, которым дышим, и даже эмоции, которые испытываем, влиять не только на наши гены, но и гены наших потомков?» Несмотря на все внимание, уделенное учеными и обществом этому вопросу, исследователи не видят никаких причин отвечать на него положительно. Авторы обзора заключают: «Пока слишком мало доказательств».
В 2017 г., когда я приезжал к Мартиенсену в Колд-Спринг-Харбор, он все еще не видел никаких причин пересмотреть свой вывод. До сих пор исследования на животных и, в частности, на людях выявили слишком мало информации, чтобы стоило беспокоиться на этот счет. Он не видит убедительных механизмов, с помощью которых эпигенетические признаки могут передаваться через многие поколения животных.
Кроме того, Мартиенсена, похоже, немного забавляет, что он приобрел репутацию маловера. Он считает неубедительными доказательства для животных, но при этом сам бóльшую часть времени занимается растениями. А здесь доказательства эпигенетического наследования бесспорны. «В природе такое постоянно происходит», – сказал он мне.
Ботаники обнаружили первые признаки особого пути передачи наследственной информации еще в середине XX в. У зерен кукурузы появлялась новая окраска, но проявление этого признака у потомков не соответствовало закону Менделя, и иногда через несколько поколений вновь возникала прежняя. Внимательно изучив ДНК кукурузы, исследователи выяснили, что смена цвета не была связана с мутацией в каких-то генах. Менялась схема метилирования. Каждый раз, когда клетка растения делилась, она достраивала метильные группы в тех же местах на ДНК, где они располагались в материнской клетке. Однако время от времени клетка меняла эту схему: добавляла новые метильные группы туда, где их раньше не было, или убирала и не восстанавливала их. Эти изменения могли выключать или включать гены у растения, что приводило к разным последствиям и в том числе придавало новый цвет зернам кукурузы.
Такое странное наследование было выявлено также у других видов сельскохозяйственных и диких растений, в частности льнянки. Энрико Коэн с коллегами открыл, что трубковидный цветок пелории возникает из-за определенного, передающегося по наследству метилирования гена l-cyc. Другие ученые обнаружили у разных видов растений в дикой природе передачу по наследству эпигенетических изменений, влияющих на размер, форму и устойчивость к суровым условиям. В своих экспериментах исследователи убирали метильные группы с определенных генов и затем размножали эти растения. И те действительно могли передавать новую эпигенетическую схему на протяжении 20 и более поколений.
По-видимому, растениям проще, чем животным, осуществить передачу эпигенетической информации между поколениями. У них, в отличие от животных, нет обособления клеток зародышевой линии в начале развития и нет сброса старого метилирования. Желудь красного дуба прорастает, его клетки развиваются в побеги и корни, и с годами их число увеличивается так, что получается дерево. Примерно через 25 лет оно оказывается готово к размножению и меняет программу некоторых клеток кончиков ветвей, превращая их в ботанический аналог стволовых клеток.
Эти клетки начинают быстро делиться, формируя цветки либо с пыльцой (растительный аналог сперматозоидов), либо с семязачатками (растительные аналоги яйцеклеток). Семязачатки оплодотворяются пыльцой от другого дерева и развиваются в желуди. На следующий год тот же дуб снова образует на кончиках веток стволовые клетки, из которых появляются цветки и половые клетки. Так будет продолжаться столетиями. Иначе говоря, прежде чем из соматической клетки образуется половая, проходит много делений и много времени, в течение которого эпигенетическая схема красного дуба может измениться. Поскольку растения не сбрасывают эпигенетические метки в половых клетках, молодой красный дуб может унаследовать эпигенетические изменения своих родителей.
Есть еще одна важная разница в эпигенетике растений и животных. Хотя растения прикрепляют к своим генам те же самые метильные группы, молекулы, посредством которых они это делают, различаются. Мартиенсен и другие исследователи открыли, что растения используют для этого молекулы малой РНК, каждая из которых подходит к определенному участку ДНК. Как только РНК достигает своей цели, она собирает вокруг себя белки, которые и прикрепляют метильные группы. Когда клетка делится, дочерние клетки получают эти молекулы РНК, которые продолжают контролировать работу генов.
Нечто похожее могло произойти и у пелории. Теперь, когда Мартиенсену удалось обнаружить последний в мире источник этих растений, он сможет проверить, правильна ли его догадка. Он планирует извлечь молекулы РНК из этих удивительных цветков. «Я надеюсь, – говорит он, – что у нас получится, наконец, разобраться с этим монстром и закрыть тему».
__________
У животных в силу их биологических особенностей меньше возможностей для эпигенетического наследования, чем у растений. Тем не менее и для них эта возможность не закрыта полностью. Некоторые ученые продолжают в нее верить.
Мы понимаем эпигенетику в той мере, в которой можем за ней наблюдать. Когда ученые только начали отслеживать метилирование, покрывавшее ДНК, им с трудом удавалось вообще обнаруживать эти метки. В 1990-х гг. Энрико Коэн мог вырезать отдельный ген и проверять его на наличие метильных групп. Затем исследователи разработали инструменты для оценки метилирования на всей ДНК в клетке. Однако для этого им требовалось извлечь ДНК из примерно миллиона клеток. Если они были разных типов, с разными схемами метилирования, то ученые имели возможность получить лишь очень размытые эпигенетические представления. К 2010-м гг. исследователи научились помещать клетки на своеобразную микроскопическую конвейерную ленту, где можно было проверять всё метилирование в каждой клетке по очереди.
При более подробном изучении эпигенетики многие прежние предположения оказались неверны. Вот пример. В 2015 г. биолог Азим Сурани из английского Института Уэлкома провел одно из первых эпигенетических исследований на эмбриональных клетках человека. В частности, он с коллегами изучал клетки, находящиеся на пути к превращению в сперматозоид или яйцеклетку. Ученые наблюдали, как первичные половые клетки избавляются от большей части своих метильных меток перед тем, как прикрепить новые группы. Однако несколько метильных групп упрямо оставались на своих местах ДНК.
Во многих клетках были одни и те же участки ДНК, которые непоколебимо сохраняли свою прежнюю эпигенетическую структуру. Они содержали вирусоподобные фрагменты ДНК, которые называются «ретротранспозоны». Эти фрагменты добиваются от клетки, чтобы та их скопировала, а затем новая копия вставляется в другое место на ДНК. Метилирование помогает обуздать таких генетических паразитов.
Ретротранспозоны, как правило, находятся рядом с белок-кодирующими генами, поэтому вероятно, что активность этих генов также приостанавливается. Сурани с коллегами обнаружил, что некоторые гены, расположенные рядом со стабильно метилированными участками, связаны с различными заболеваниями – от ожирения до множественного склероза и шизофрении. На основе своих экспериментов ученые пришли к выводу, что именно такие гены являются перспективными кандидатурами для эпигенетического наследования.
Возможно, но опять же не подтверждено, что в эпигенетической передаче между поколениями участвуют другие молекулы. Например, при оплодотворении сперматозоид доставляет в яйцеклетку не только хромосомы, но и РНК. Некоторые из этих молекул РНК могут управлять начальными стадиями развития эмбриона. Биолог Трейси Бэйл из Пенсильванского университета провела эксперименты, чтобы понять, может ли жизненный опыт отца повлиять на его потомков через молекулы РНК в сперматозоиде.
В частности, Бэйл с коллегами исследовала влияние стресса, перенесенного самцами мышей в раннем возрасте. Специалисты выяснили, что после того, как эти мыши вырастали, в их сперматозоидах обнаруживалась необычная смесь молекул РНК. Ученые заинтересовались, какой эффект могут оказать эти РНК на потомство. Они ввели найденную смесь РНК в сперматозоиды мышей, которые не подвергались в своей жизни такому стрессу, а затем этими сперматозоидами оплодотворили яйцеклетку. Мышата, развившиеся из таких клеток, плохо справлялись со стрессом. Исследования Бэйл позволяют предположить, что РНК в сперматозоиде отца, подвергнутого стрессу, может выключать определенные гены в клетках его потомков. И через такое подавление работы генов отцы способны навсегда изменить поведение своих потомков.
Некоторые другие ученые также нашли многообещающие признаки влияния РНК на наследственность у животных. Биолог Энтони Хосе из Мэрилендского университета проследил РНК, которые образуются в организме крошечного червя Caenorhabditis elegans. Эти молекулы синтезируются в нервной системе, а затем могут распространиться по всему организму и оказаться в итоге внутри сперматозоидов, выключая там гены. Другие исследователи показали, что молекулы РНК способны выключать те же самые гены у червей в следующем поколении, а также и в нескольких последующих. Похоже, что эти молекулы РНК поддерживают сами себя в череде поколений, заставляя молодых червей синтезировать новые копии.
Конечно, мы не черви, но в ряде экспериментов было показано, что человеческие клетки постоянно отправляют друг другу молекулы РНК. Очень часто они упакованы в маленькие пузырьки, которые называются «экзосомы». Ученые открывают все больше типов клеток, выделяющих их и поглощающих. У некоторых видов экзосомы используются клетками эмбриона, чтобы обмениваться сигналами для синхронизации процесса развития разных частей тела. После того как происходит инфаркт миокарда, клетки сердца выделяют экзосомы, чтобы запустить починку этого органа. Раковые клетки выделяют экзосомы необычайно активно, возможно, чтобы манипулировать окружающими здоровыми клетками, превращая их в своих слуг. Итальянский биолог Кристина Коссетти наблюдала, что экзосомы, выделяемые раковыми клетками самцов мышей, могут доставлять РНК в сперматозоиды.
Эти работы не дают окончательных ответов, но они побуждают ученых призадуматься и отправиться перечитывать «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Геммулы Дарвина, конечно же, не собирают гены со всего организма. Но возможно – только возможно! – что экзосомы представляют собой современное воплощение геммул, переносящих молекулы РНК, и это позволяет жизненному опыту, полученному одним поколением, влиять на следующее.
__________
Однако, даже если существует связь между соматическими клетками, клетками зародышевой линии и будущими поколениями, этого недостаточно для воскрешения идей Ламарка. В XIX в. его теория казалась столь привлекательной потому, что приобретенные признаки были, согласно ей, адаптивны. То есть они помогали животным и растениям выживать, а видам – приспосабливаться к окружающей их среде. Знаменитый француз был убежден, что его версия эволюции может объяснить, почему виды так хорошо соответствуют условиям, в которых они живут. В мире Ламарка жирафы тянули шеи вверх, и в итоге та оказалась той длины, которая была необходима для добывания пищи.
Убедительных доказательств, что эпигенетическое наследование через поколения адаптивно в ламарковском смысле, нет. Те немногие эксперименты, которые ближе других оказались к подтверждению этой идеи, проведены на растениях. В одной такой работе исследователи из Корнеллского университета помещали на листья маленького растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) гусениц. Растение реагировало на них выделением токсичных химических веществ, которые замедляли атаку. Далее ученые разводили эти резуховидки в течение двух поколений, а затем выпустили на потомков новую порцию гусениц. Растения отреагировали очень интенсивным выделением токсинов.
Мартиенсен считает эти результаты интригующими, но не видит в них очевидных подтверждений ламаркизма. Поскольку резуховидка – это лабораторная крыса растительного царства, много ее поколений выросло при абсолютном отсутствии гусениц. И ее реакция на нападение врага может не отражать того, что происходит в реальном мире, полном насекомых.
Мартиенсен говорит: «Для эпигенетиков найти что-то такого рода – это все равно что обрести святой Грааль. То есть сообщений полно, но нет ничего действительно стоящего».
Вполне возможно, что некоторые унаследованные эпигенетические изменения хороши для растений. Но не менее вероятно, что другие вредны, а иные нейтральны. Цветок пелории привлек внимание Линнея, но никто не доказал, что он полезнее растению, чем обычный цветок льнянки. Эпигенетический скачок просто заменил один на другой.
Ученые обнаружили, что одуванчики могут эпигенетически наследовать способность зацветать рано или, наоборот, поздно. В дикой популяции резуховидки эпигенетически наследуют глубокое или поверхностное расположение корней. Возможно, хотя еще не доказано, что такое разнообразие выгодно для растений. Если в степи случится засуха, то популяция не вымрет, потому что у некоторых растений корни будут длинными – благодаря сохранению удачной эпигенетической комбинации.
Мартиенсен сказал, что независимо от роли, которую выполняет эпигенетическое наследование у растений, он рассматривает эпигенетику как полноценную часть общего процесса влияния предков на потомков.
В какой-то момент нашей беседы Мартиенсен удивил меня, спросив, слышал ли я что-нибудь о Лютере Бёрбанке. Ну а как же – всего несколько недель назад я совершил собственное паломничество в Санта-Розу. Но здесь, в Колд-Спринг-Харборе, храме современной генетики, я не ожидал услышать его имя. Мартиенсен признался, что Бёрбанк очаровал его. Не будучи серьезным ученым, он замечал закономерности, которые важны для науки и сегодня. Мартиенсен достал свои записи и прочел мне высказывания Бёрбанка, которые старается вставлять где только можно в своих лекциях и статьях.
А Бёрбанк писал: «Наследственность есть сумма всех влияний окружающей среды».
