Оснащение дома или квартиры электропроводкой дает нам лишь потенциальную возможность использования электричества, в частности освещать помещение или пользоваться электроприборами. Для этого нужно еще установить щиток с пробками-предохранителями, розетки и выключатели. Если дом подключен к электросети, но в нем нет предохранителей, выключателей и розеток, никакой пользы от его оснащения электропроводкой не будет. Электричество для вас недоступно, есть лишь потенциальная возможность его использования. Точно такая же ситуация и с генами. Достались ли они нам от млекопитающих, микробов или космических пришельцев, если их нельзя включить, в любом случае работать они не будут.
Нашему организму повезло больше, чем дому, который специалист-электрик должен оснастить выключателями и розетками: человеческий геном оснащен ими изначально. К тому же работа этих «выключателей» не требует от нас никаких физических усилий, ими не нужно щелкать или вертеть их из стороны в сторону. Их работу обеспечивают химические процессы. Существует несколько различных типов химических выключателей генов. В понимании механизмов их работы и их усовершенствовании — одна из главных задач новой биологии и будущее медицины.
Способность управлять включением и выключением гена на разных стадиях развития организма и выработкой продуктов, осуществляемой под его контролем, может означать вопрос здоровья и болезни или даже жизни и смерти. Для примера рассмотрим выработку гемоглобина — белка крови, переносящего кислород. Без надлежащего снабжения кислородом клетки и ткани нашего тела обречены на гибель. Оказывается, у человека имеется несколько разных типов гемоглобина, точно «скроенных» для различных стадий его жизни и удовлетворения кислородных потребностей тканей на этих стадиях. Продукция эмбрионального, плодного и «взрослого» гемоглобина находится под контролем эпигенетических переключений генов. Их включение и выключение точно приурочено к началу и концу различных стадий развития, ибо только в этом случае может быть обеспечена жизнедеятельность организма. Ученые установили, что эти переключения генов и выработку гемоглобина контролирует бутират натрия, низкомолекулярный метаболит одной из кишечных бактерий. Сегодня проводятся испытания бутирата натрия и родственных ему химических соединений с целью их возможного использования для лечения серповидно-клеточной анемии, бета-талассемии и других заболеваний, связанных с нарушением синтеза гемоглобина. При этих болезнях ткани нередко недополучают кислород. Бутират натрия способен повышать в крови уровень гемоглобина с высоким сродством к кислороду. Очевидно, микробиом играет важную биологическую роль в управлении переключениями генов.
Я далеко не единственный, кто считает, что регуляция активности генов осуществляется не только на генетическом, но и на эпигенетическом уровне. Недавно д-р Дитмар Шпенглер и его сотрудники из Института психиатрии общества Макса Планка (Германия) выяснили, какое критическое значение имеют химические (эпигенетические) переключения рабочего состояния генов для здорового неврологического развития организма. Кроме того, они описали сбои, возможные при программировании этих переключений.
Мне нравится сравнивать программирование переключений генов, связанных с развитием нашего организма, с программированием освещения дома, который мы покидаем, уезжая на неделю в отпуск. Прежде мы делали это с помощью подключенных к электросети таймеров. Сегодня мы используем для этого компьютеры и прочие гаджеты, которыми оснащены «умные дома». Имея возможность запрограммировать освещение дома только один раз на весь недельный отпуск, мы должны сделать это так, чтобы свет в разных местах дома и двора включался и выключался в нужное время: только такой режим освещения может обеспечить максимальную безопасность нашего имущества. Если освещение запрограммировано неправильно, никакого толку от нашей работы не будет, к примеру, свет будет гореть днем и выключаться на ночь. То же самое может случиться и с переключениями генов в нашем теле, только последствия такой ошибки будут гораздо трагичнее.
Неплохая аналогия с переключениями генов в разные периоды жизни генов — железнодорожные стрелки, благодаря переводу которых поезда могут переходить с одного пути на другой. Самая длинная железная дорога в мире — Транссибирская магистраль протяженностью примерно 9300 км. Она проходит через Уральские горы и соединяет Москву с российским Дальним Востоком, портовым городом Владивостоком и Японским морем. В Забайкалье, в восточносибирском городе Улан-Удэ, находится узловая станция Транссиба со стрелками. От главного пути здесь отходит ветка, переходящая в Трансмонгольскую магистраль и соединяющая Улан-Удэ со столицей Монголии, городом Улан-Батором. Она проходит через всю Монголию, затем направляется в Китай и в конечном итоге достигает Пекина. Следующий такой узел находится в Восточной Сибири примерно в 60 км от города Читы; ветка, отходящая здесь от главного пути, направляется прямо на юго-восток, в Китай, и достигает Пекина в обход Монголии. Таким образом, перевод («переключение») стрелок на этих двух станциях направляет поезда в разные регионы Азии.
Переключения генов (эпигенетика) контролируют многие сложные биологические процессы. Среди них — такие жизненно важные функции человека, как формирование и работа памяти, эффективность иммунных ответов, уровень специфических гормонов в теле и наши реакции на эти гормоны, количество и качество вырабатываемых семенниками сперматозоидов.
Особый интерес ученых к переключениям генов связан с тем, что они поддаются программированию. Программирование начинается в ранний период жизни человека, но может происходить и во время жизни его родителей и даже бабушек и дедушек. По сути дела, они связывают нас и с нашим прошлым, и с возможным будущим. И, разумеется, в некоторых случаях микробы нашего микробиома могут «подсказать» нашим человеческим генам, следует ли им оставаться включенными или выключенными в тот или иной момент жизни на данном ее этапе, в более позднем возрасте и даже во время жизни наших внуков и правнуков.
Переключения генов, обусловленные эпигенетическими метками (маркерами), обладают собственной памятью. Память об этих переключениях имеет такое же важное значение, как и любой из наследуемых нами человеческих хромосомных или митохондриальных генов. Эти эпигенетические «следы памяти» могут храниться поколениями.
Ламарк и жирафы
Один из самых ярких примеров превратностей идей в биологии, а возможно, и в науке вообще, — судьба научного наследия французского биолога и натуралиста Жана Батиста Ламарка. Теория эволюции этого предшественника Дарвина утверждала, что адаптации организмов к окружающей среде, то есть полезные приобретенные признаки, передаются по наследству потомкам и закрепляются в поколениях. Так, например, шеи у жирафов стали такими длинными, потому что животные постоянно вытягивали их, пытаясь дотянуться до листвы на верхушках деревьев. Признак «длинношейности», приобретенный в зрелом возрасте, животные передавали по наследству потомкам и в конце концов шеи у всех жирафов стали длинными. Такое представление, мягко говоря, противоречит идеям Дарвина.
Жан Батист Пьер Антуан де Моне, шевалье де Ламарк родился в 1744 г. на севере Франции в большой небогатой дворянской семье. В молодости он хорошо зарекомендовал себя на военной службе, но после ранения был вынужден уйти в отставку. После этого он начал изучать медицину и ботанику и в 1778 г. опубликовал книгу о французских растениях, хорошо принятую общественностью. Затем он был назначен на должность профессора естествознания, но в той его области, которая особой популярностью в те времена не пользовалась — зоологии насекомых, червей и прочих беспозвоночных животных. Изучая разнообразие низших форм животного мира, Ламарк и начал формировать свои представления об адаптациях. Он считал, что влияния окружающей среды на живые организмы способны вызывать долгосрочные эффекты, поскольку организмы вынуждены иначе использовать («упражнять») свои клетки, ткани и органы. В конечном итоге ученый пришел к выводу, что, если эти «упражнения» продолжаются достаточно долгое время, возникшие в организме изменения могут передаваться по наследству и проявляться в следующих поколениях.
Ламарк был исключительно плодотворным исследователем, опубликовавшим множество научных трудов. Круг его научных интересов охватывал медицину, зоологию, ботанику и даже физику. Тем не менее умер он в нищете и безвестности. Лишь в последние несколько десятилетий, когда ученые начали постигать механизмы эпигенетики, на свет были извлечены и труды Ламарка. В них содержатся идеи, которые прежде отвергались наукой, а в наше время приобретают новую значимость. Сегодня эти идеи во многом определяют наш подход к охране здоровья человека и лечению его болезней на несколько ближайших десятилетий.