долларов на то, чтобы избавиться от темных волосков на лице, или для мужчин, борющихся с гинекомастией, известной в обиходе под грубым псевдонимом «мужские сиськи». Именно поэтому трансгендеры могут весьма успешно приобретать физические признаки другого пола. У людей есть гены, различающиеся для разных полов, потому что только мужчины являются носителями Y-хромосомы, а у женщин ее нет. Но количество генов на Y-хромосоме ничтожно{75}: их всего около 70 по сравнению с 20 000–25 000 генов, которые расположены на остальных 22 парах хромосом. Однако не стоит и недооценивать силу крошечной Y-хромосомы. Один из ее генов реально меняет сразу все{76}.
Чтобы понять, как у мужчин и женщин, имеющих почти идентичные гены, может быть такое разное строение тела, представьте, что вы собираетесь испечь печенье. У вас на кухне есть все необходимое для приготовления самого разного печенья: масло, коричневый и белый сахар, сода и пекарский порошок, мука, шоколадная крошка, овсяные хлопья, орехи и так далее. Вы можете использовать любой из сотен рецептов, но ваш друг заказал печенье с шоколадной крошкой.
Вы находите нужную страницу поваренной книги, читаете рецепт, собираете и смешиваете ингредиенты, отправляете тесто в печь, а потом на пару с другом наслаждаетесь теплым шоколадным печеньем.
Когда Дженни была в утробе своей матери шариком делящихся клеток, а затем сгустком растущих и дифференцирующихся тканей, ее универсальные стволовые клетки могли стать клетками самых разных типов. Подобно тому, как я выбираю рецепт, следуя которому можно приготовить определенный тип печенья, клетки растущих эмбрионов решают «читать» определенные гены для производства белков, порождая различные типы клеток, к примеру мышечные клетки, красные кровяные тельца или нервные клетки.
Домашняя выпечка как аналог экспрессии генов
Сорок шесть хромосом в каждой из наших клеток содержат весь человеческий геном – всю нашу ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту). ДНК – это молекула, напоминающая по форме две вставленные одна в другую пружины. Ее длина в каждой клетке составляет порядка двух метров{77}, а суммарная длина ДНК всех клеток вашего организма{78} равна расстоянию от Земли до Солнца и обратно, помноженному на 200. Гены находятся на ДНК, представляя собой последовательности «химических букв» (или, как говорят ученые, оснований) из очень короткого четырехбуквенного алфавита (А, Г, T и Ц), которые содержат инструкции для создания белков.
Транскрипция и трансляция генов
Итак, каждый ген – это своего рода рецепт белка. (Выражаясь на профессиональном жаргоне, ген «кодирует» белок.) В гене перечислены необходимые ингредиенты и указан порядок, в котором они должны добавляться. Но если для приготовления печенья масло, сахар и мука просто смешиваются, то белки производятся путем соединения в цепочку химических веществ, называемых аминокислотами. У людей имеется 21 аминокислота. Возможно, вы слышали о некоторых из них: фенилаланин используется для изготовления искусственного подсластителя аспартама, а содержащийся в индейке триптофан вызывает сонливость после трапезы в День благодарения. (Кстати, последнее – миф!)
Возьмем, к примеру, ген гормона инсулина, синтез которого требует соединения в определенной последовательности 51 аминокислоты. Поскольку у нас есть только 21 аминокислота, некоторые из них будут использоваться больше одного раза, подобно тому как ингредиенты для одного печенья могут включать десять кусочков шоколада и четыре грецких ореха. Рецепт нужно прочитать, а затем смешать ингредиенты и испечь печенье. В случае генов они транскрибируются, а затем транслируются в белки. Весь этот процесс называется экспрессией гена.
Рецепты наготове и скорость выпечки
Я люблю печь печенье, так что у меня есть рецепты, которые я регулярно использую и всегда держу под рукой. Клетки делают то же самое: они специализируются на производстве определенных белков в зависимости от типа ткани, в которой находятся, и поэтому полагаются только на определенный набор инструкций. Инструкции для синтеза большинства других возможных белков сминаются и игнорируются. (Буквально: большая часть ДНК в каждой клетке скомкана в нечто, называемое хроматином, который представляет собой ДНК, намотанную на белки и потому недоступную для чтения.) Точно так же у меня есть рецепт бекона в шоколаде, но он находится в книге, которая пылится на полке в кладовке (а ведь это, наверное, вкусно?).
Какие генетические рецепты находятся в клетке наготове, зависит от того, что ей полагается делать. Например, клетки поджелудочной железы в числе прочего должны определять уровень глюкозы в крови, клетки костной ткани – обеспечивать структурную опору организму, а клетки мозга – передавать электрические сигналы. Для выполнения этих непохожих функций клеткам необходимо производить определенные белки. Такая специализация клеток особенно важна при эмбриональном развитии, когда каждая новая клетка должна в конечном итоге дифференцироваться и решить свою судьбу. Что с ней будет дальше? Какие гены – участки ДНК – должны быть наготове и доступны, а какие – плотно упакованы и скрыты?
Ко взрослому возрасту большинство наших клеток уже дифференцировались (остается лишь незначительное меньшинство стволовых клеток). Каждая из них хранит всю нашу ДНК – весь геном, – но производит белки только на основе небольшого набора генов. В клетках кожи женского лица рецепт роста темных, толстых волосков валяется в скомканном виде на дальней полке, поэтому у большинства женщин растительности на лице совсем немного. Но в клетках мужской кожи тот же самый рецепт всегда на видном месте, чтобы его можно было транскрибировать и транслировать снова и снова. (Высокий уровень тестостерона часто оказывается причиной появления более многочисленных и толстых темных волос на женских лицах, о чем мы поговорим подробнее в главе 9.)
Дело не только в том, что определенные гены находятся в положении «вкл.» или «выкл.». Гены могут транскрибироваться и транслироваться в белки с разной скоростью. Если производство белка увеличивается, говорят, что экспрессия гена «повышается», а если оно снижается, экспрессия гена «подавляется».
Бипотенциальная гонада
Когда эмбрион Дженни только начинал развиваться в утробе матери, ее стволовые клетки получали все обычные инструкции относительно того, чем они должны стать: клетками печени, костей, нервной ткани, кожи и т. д. Они следовали указаниям о том, какие гены активировать, а какие игнорировать – и потому в них синтезировались обычные белки, которые заставляют клетки дифференцироваться в ткани, необходимые для создания тела человека. В этих «унисекс»-тканях решения о том, какой клеткой стать, не сильно различаются для мужчин и для женщин – всем нам нужны кости или печень. Но семенники и яичники нужны не всем. Каким образом формирующийся плод понимает, как ему принять это жизненно важное решение – следовать по пути развития яичников или семенников?
На ранних этапах развития плода группы недифференцированных клеток скапливаются у обоих полов на гребнях структур, которые позже станут почками. До шестой недели эти первичные, или бипотенциальные, гонады идентичны у мужского и женского плода, а затем их клетки начинают дифференцироваться и собираться вместе, чтобы создать тот или иной тип гонад. Траектория развития этих клеток зависит от того, «слышат» ли гены в их ДНК «громкий клич» в виде большого количества белка SRY (sex-determining region of the Y chromosome, что означает «определяющий пол участок Y-хромосомы»). Белок SRY кодируется одноименным геном, расположенным, разумеется, на Y-хромосоме.
Решающее значение тут имеет сперматозоид, оплодотворивший яйцеклетку. Обычно каждый сперматозоид несет или хромосому X, или хромосому Y, а все яйцеклетки несут одну хромосому X. Наследуют ли все клетки эмбриона половые хромосомы XY или XX, зависит от того, содержал ли сперматозоид, оплодотворивший яйцеклетку, хромосому Y или хромосому X. Судьбу первичных гонад определяют мужские половые клетки, потому что ген SRY расположен на Y-хромосоме.
Примерно через шесть недель этот ген на Y-хромосоме – ген SRY – транскрибируется и транслируется в белок SRY, который затем увеличивает (а иногда и снижает) скорость транскрипции других генов на других хромосомах. Особое значение имеет ген SOX9 на 17-й хромосоме{79}: SRY воздействует на него в числе первых, повышая его активность и увеличивая выработку белка SOX9. Этот белок, в свою очередь, изменяет экспрессию