Наши гены хранятся в 23 парах хромосом, которые находятся внутри ядер почти всех клеток тела. При образовании сперматозоидов и яйцеклеток в процессе мейоза их количество уменьшается до 23 одиночных хромосом в каждом сперматозоиде или яйцеклетке. Каждая из одиночных хромосом содержит рекомбинированные и переставленные уникальным образом гены, которые содержались в соответствующей исходной хромосомной паре. Подобно игрокам в покер, сперматозоиды и яйцеклетки получают уникальный набор генов из колоды хромосом в вашем теле. Вот почему братья и сестры (за исключением однояйцевых близнецов) никогда не дублируют друг друга. В среднем мы наследуем приблизительно половину генома от каждого родителя. Но эти комбинации различны для каждого брата и сестры, поэтому сиблинги делят около половины уникальных генетических маркеров друг с другом. Одна из 23 пар хромосом определяет пол. Как правило, женщины наследуют Х-хромосому от каждого родителя, поэтому у них есть пара Х-хромосом. Мужчины, напротив, получают Х-хромосому от матери и Y-хромосому от отца.

Каждая из наших хромосом представляет собой длинную непрерывную цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Она состоит из двух длинных полимерных молекул, закрученных одна вокруг другой в виде спирали. Эти две нитевидные молекулы, связанные в двойную спираль, состоят из строительных блоков – нуклеотидов. Это органические молекулы, в состав каждой из которых входит одно из четырех разных азотистых оснований (гуанин, аденин, тимин и цитозин), обозначающихся буквами G, A, T и C. У каждого нуклеотида есть пара – «супруг» из другой нити ДНК. То есть G всегда соединяется с C, а A – с T. В каждой человеческой клетке насчитывается около 3 млрд моногамных пар нуклеотидов. Подобно буквам алфавита, из которых можно составить почти бесконечное множество слов, из этих четырех нуклеотидов можно создать неизмеримое количество возможных комбинаций длиной, как правило, в несколько тысяч нуклеотидов. Они-то и образуют наши гены.

Работа генов заключается в экспрессии, или синтезе, белков. Когда ген экспрессируется, двойная спираль ДНК распускается, подобно тому как расстегивается молния. Синтезируется ее зеркальное отражение в виде цепи матричной РНК – аналогичной по строению длинной полимерной молекулы, которая связана с цепочкой нуклеотидов ДНК. Затем матричная РНК отделяется от молекулы ДНК и переходит к рибосоме, которая, по сути, является фабрикой по производству белка. Там на матрице РНК синтезируется уникальный белок. Удивительно, но основой всего многообразия белков человеческого организма – от нейрохимических веществ в мозге до эмали зубов – являются четыре нуклеотида, составляющих нашу ДНК. Именно определенная комбинация «букв» определяет тип белка. Таким образом, ДНК выполняет функцию хранения информации и работает как программный код, содержащий алгоритмы создания белков.

В организме человека приблизительно 21 тысяча генов, кодирующих белки. Они выстроены на всем протяжении хромосом. У других млекопитающих количество генов примерно такое же. А у многих растений их значительно больше. Например, у помидора более 30 тысяч. Может показаться, что число генов человека не так уж велико. Тем более что у нас много общих генов с другими видами (98 % с шимпанзе, 92 % с мышами, и даже у примитивных дрожжей примерно четверть генов совпадает с нашими). До того как в 2003 году объявили результаты проекта «Геном человека», генетики предполагали, что фактическое количество человеческих генов гораздо больше. Мы обходимся столь небольшим их числом потому, что каждый ген удивительно многофункционален, а процесс экспрессии белков необычайно сложен. Во-первых, с одного гена может считываться несколько различных, но родственных белков, поэтому общее количество белков в наших телах во много раз превышает число генов. Более того, каждый из наших фенотипических признаков, таких как форма носа или толщина волос, как правило, является результатом взаимодействия разных генов. Для системы характерна чрезвычайная избыточность, и любой отдельный ген обычно оказывает лишь небольшое влияние на связанный с ним признак. Кроме того, наши гены экспрессируются по-разному с течением времени. Молекулярные сигналы, зачастую в ответ на специфические изменения окружающей среды, точно определяют, когда и где будет экспрессирован конкретный ген. В среднем каждый белок существует около 80 дней – до тех пор, пока не экспрессируется новый.

Копирование информации из ДНК в РНК, а затем в белки является чрезвычайно точным. Есть различные механизмы, гарантирующие его выполнение практически без ошибок, – представьте себе лучшего в мире секретаря за работой. Но, учитывая количество копий, случайные погрешности все же появляются. Если эти ошибки достаточно редки и охватывают лишь небольшой процент популяции (менее 1 %), их считают мутациями. Когда погрешности становятся более распространенными в сообществе (более 1 %), они называются полиморфизмами. Одна общая ошибка сродни опечатке, как, например, если случайно набрать C вместо G. Эти погрешности включают только один нуклеотид. Когда они относительно распространены в популяции, их называют однонуклеотидными полиморфизмами (ОНП). Иногда возникают структурные ошибки, подобные тем, что вы можете сделать при использовании команд вырезания, копирования и вставки в текстовом редакторе. Последовательности в ДНК удаляются, или помещаются туда, где их не должно быть, или даже повторяются снова и снова, как в строчке CAGCAGCAGCAG.

Именно благодаря этим случайным ошибкам копирования любой человек генетически уникален. Каждый новорожденный имеет около 60 новых мутаций в ДНК. Подавляющее большинство их не оказывает заметного влияния на производимые белки. Но некоторые мутации воздействуют на природу белка и – в конечном счете – сказываются на фенотипе ребенка. Очень редко мутировавший ген становится улучшенной версией исходного. Но если это случается, то благодаря естественному отбору он может шире распространиться в последующих поколениях. Например, несколько тысяч лет назад некоторые люди рождались с нуклеотидом A в гене SLC24A5, в rs1426654, который был результатом неудачного копирования более распространенного G. А-аллель способствует появлению кожи более светлого оттенка. Люди с А-аллелью, жившие в северных широтах, могли поглощать больше солнечного света, что позволяло им синтезировать больше витамина D. Это давало преимущества в тех местах, где прямой солнечный свет редкость, поэтому потомство индивидов с этим полиморфизмом выживало с большей вероятностью. G-аллель лучше подходила для широт, где избыток солнечного света может привести к проблемам со здоровьем. Поэтому там G-аллель стала более распространенной.

У каждой мутации своя цена. Если она слишком высока, мутации становятся менее распространенными в будущих поколениях, поскольку люди с такими генетическими ошибками реже выживают и дают потомство.

Перевод ДНК в белки дополнительно осложняется эпигенетическими механизмами. Эпигенетика изучает молекулярные механизмы, в результате которых белки могут быть синтезированы в обход «инструкций», содержащихся в последовательности ДНК. Примечательно, что спусковым механизмом для этих молекулярных процессов могут стать опыт и окружающая среда. Наиболее хорошо изучен такой эпигенетический механизм, как метилирование ДНК. Метильная группа (молекула, состоящая из одного атома углерода и трех атомов водорода) связывается непосредственно с нуклеотидами самой ДНК и контролирует, как часто будет происходить экспрессия того или иного гена. Невероятно, но эти метильные группы могут передаваться потомству. Они могут быть скопированы в процессе мейоза и унаследованы следующим поколением. Следовательно, жизненный опыт влияет не только на нас, но и на наших детей.

Неожиданный пример этого недавно обнаружили в эксперименте с мышами. Исследователи научили группу этих животных бояться запаха ацетофенона, похожего на аромат цветущей вишни. Мыши с появлением запаха получали небольшой разряд тока. Вскоре они стали испытывать страх, едва учуяв ацетофенон. Эти мыши дали потомство. И их дети проявляли ту же самую реакцию на запах цветущей вишни. Следующее за ними поколение продолжало демонстрировать этот страх. При вскрытии обнаружилось, что рецепторы, отвечающие за реакцию на этот запах, в мозге подопытных мышей увеличены. Более того, при исследовании ДНК спермы этих мышей выявились различные паттерны метилирования ДНК, отсутствующие у других. Чтобы исключить возможность того, что мыши переняли страх у своих родителей, исследователи взяли сперму у самцов, которых научили бояться запаха цветущей вишни, и искусственно осеменили самок из другой лаборатории. В результате вскрытия мозга их потомков ученые обнаружили такие же увеличенные рецепторы, отвечающие за восприятие этого запаха. Специфический страх, приобретенный в одном поколении, передался потомству, но не через саму последовательность ДНК, а через паттерны метилирования, которые влияли на экспрессию гена. Другими словами, опыт определенной группы мышей привел к наследуемым изменениям. Нужно узнать гораздо больше об эпигенетическом наследовании, прежде чем мы сможем сделать обоснованные выводы, но эти данные сами по себе очень интересны.