Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Насколько же эпигенетика отличается от генетики? Это можно проиллюстрировать на простом и ярком примере: по крайней мере столетие ученые сравнивали однояйцовых близнецов, подчеркивая их сходство, имея в виду их генетическую одинаковость, — но теперь их сравнивают, подчеркивая различия, чтобы показать, насколько они отличаются с эпигенетической точки зрения. Еще одно существенное отличие генетических механизмов от эпигенетических в том, что наши гены никак не откликаются на изменения окружающей среды, они неизменны — конечно, если не повреждаются действием внешних факторов наподобие радиации. Эпигенетические же контроллеры способны откликаться на воздействия окружающей среды. Возможно, эпигенетические механизмы и были отлажены эволюцией как раз для задач подобного рода. Именно эпигенетический механизм оповещает растения о приходе весны. Как мы узнаем в этой и следующих главах, эта же система отклика на окружающее воздействие весьма интересна для медицины. Отчасти ироническим выглядит то обстоятельство, что эпигенетические изменения и механизмы, стоящие за ними, способны наследоваться — ведь именно это предположение лежало в основе многократно осмеянной и безоговорочно отвергнутой теории эволюции, впервые предложенной великим французским биологом Жаном-Батистом Ламарком. Именно Ламарк впервые определил сам термин «биология» и предложил концепцию эволюции на полстолетия раньше Дарвина — хотя ключевые положение ламарковской теории были отброшены и заменены куда более убедительной концепцией естественного отбора.

И что же могло побудить ученых в наш век, начисто отвергнувший ламарковские построения, признать, что существует некая высшая управляющая сущность, некий без малого волшебный дух, способный управлять самими генами?

Понятие эпигенетики было определено в 1930-х годах британским эмбриологом Конрадом Хэлом Ваддингтоном, попытавшимся решить одну из величайших биологических загадок: как же взрослое животное либо растение во всей его сложности вырастает строго определенным, правильным образом из одной-единственной оплодотворенной клетки (зиготы). Тайна развития эмбриона занимала умы философов, натуралистов и теологов еще с Античности. В IV столетии до н. э. Аристотель пытался разгадать ее, наблюдая яйца птиц. Он понял, что в начале развития эмбрион в яйце — отнюдь не крохотная копия птенца, но нечто бесформенное, без определенных черт, лишь постепенно принимающее форму птичьего тела. Крохотное сердце формируется и начинает биться далеко не сразу. Лишь к концу срока инкубации птенец формируется, и наконец совершается таинство появления на свет. Но даже ум столь великий был ограничен в суждениях невысоким уровнем античного знания. Аристотель не знал, что самки размножающихся половым путем животных производят на самом деле очень малое яйцо — единственную крохотную яйцеклетку, ничтожную по сравнению с яйцами птиц и рептилий, и оплодотворяется она еще меньшей мужской половой клеткой, сперматозоидом. Аристотель ошибочно посчитал женским плодотворным агентом менструальную кровь. Однако он верно рассудил, что новое существо возникает лишь тогда, когда соединяются мужские и женские плодотворные агенты (он назвал их «флюидами») — например, в курином яйце либо в матке женщины. Внутренняя сила соединившихся флюидов движет процессом развития. Аристотель полагал, что каждое живое существо нуждается в «душе» (хотя аристотелевская концепция души отличается от христианской). Он предположил: «душа» возникает именно при слиянии мужского и женского флюидов и затем руководит процессом развития. Под влиянием «души» бесформенная материя изменяется и вырастает в новое, полноценное и способное к жизни существо. Аристотель также посчитал логичным, что от слияние мужского и женского начал одного рода существ возникает существо того же «типа живого», что и родители. Среди историков бытует мнение, хотя и не бесспорное, что термин «эпигенез» ввел именно Аристотель. Греческое «эпи» как часть сложных слов означает «расположенный поверх чего-либо», возле чего-либо, следующий за чем-либо; «генез» означает «творение».

Религия приняла известную часть аристотелевских идей и методов, но религиозные взгляды были решительно оспорены и отвергнуты материализмом XVIII столетия. Его сторонники отказались принимать телеологическое объяснение развития эмбриона и жизни в целом, посчитав, что в мире существует лишь «материя в движении». Оттого возникла доктрина «преформизма», полагающая, что в оплодотворенном яйце уже присутствует миниатюрная копия взрослого существа. И в самом деле, в 1694 году Николас Гартсекер, датский математик и натуралист, занимавшийся и микроскопией, поразил мир образом полностью сформировавшегося крошечного человечка — гомункулуса, якобы увиденного в головке сперматозоида. Споры приверженцев эпигенеза и преформизма продолжались еще и во время Дарвина, и его восторженного немецкого последователя Эрнста Геккеля. На гораздо более высоком научном уровне, с опорой на современные знания в биологии, спор этот продолжался среди эмбриологов и в XX столетии, рождая теории экзотические и забавные. Веяния в эмбриологии были настолько переменчивы и странны, что, как с толикой сарказма выразился Джеральд Вейсман (чье мнение процитировано в начале главы), подобным переменам и экзотике место, скорее, в артистических салонах либо на подиумах столиц европейской моды, а не в лабораториях.

Конечно, теперь никто всерьез о гомункулусе не говорит, но загадка остроты не потеряла: как же могла крошечная оплодотворенная клетка произвести, например, волосковые сенсорные клетки, улавливавшие звук в лабиринте внутреннего уха Моцарта, либо сложные ткани, впадины и выпуклости глаз Микеланджело либо Тёрнера? А что удивительнее всего, как из этой единственной клетки мог развиться несущий разум человеческий мозг — орган, позволяющий обсуждать философские, теологические и научные вопросы?

Неудивительно, что в молодости эта тайна захватила воображение юного Конрада Уоддингтона, обучавшегося естественным наукам в Кембриджском университете. С самого начала интересы Уоддингтона были шире, чем у большинства современников. Они включали историю арабской алхимии и александрийского гностицизма, подтолкнули к изучению философии и метафизики. Окончив университет, Уоддингтон устроился на работу в качестве эмбриолога и лектора по зоологии в лабораторию Стренджвейса в Кембридже, где занимался исследованиями под руководством выдающегося эмбриолога Б. Фелл, внесшей основополагающий вклад в изучение развития эмбриона. Там «последний из ученых-биологов Возрождения» начал протяженную серию экспериментов с эмбрионами птиц, земноводных и млекопитающих, нацеленных на объяснение эмбрионального развития в терминах науки, а не телеологии [137] .

137

Телеология — философское учение о целесообразности бытия, оперирующее наличием разумной воли Творца или внутренней силы, потенциально заключающей в себе цель и окончательный результат. — Прим. ред.

В 1939 году Уоддингтон показал, что при эмбриогенезе происходит взаимодействие между ядром и цитоплазмой яйцеклетки и это неким образом дает начало тканям и органам, изначально не присутствующим в яйцеклетке [138] . В это же время Уоддингтон ввел термин «эпигенетический» для описания предмета своих исследований и, сознательно делая отсылку к Аристотелю, включил в определение «эпигенетического» все аспекты эмбрионального развития [139] . Уоддингтон знал про гены, хотя поначалу и не был осведомлен о том, что гены состоят из последовательностей ДНК. Из работ немецких исследователей он знал, что некие химические соединения, известные как «организаторы», определяют, где головная, а где задняя часть развивающегося эмбриона. Эти же «организаторы» определяют, будет животное иметь двустороннюю симметрию, подобно человеку, с зеркально отображенными правой и левой частями, или радиальную симметрию, подобно морским звездам и ежам. Уоддингтон внес значительный вклад в изучение этих организующих факторов. Уоддингтон понял и то, что клетки развивающегося эмбриона могут взаимодействовать друг с другом. В 1947 году он занял кафедру генетики в университете Эдинбурга и там же десятилетие спустя учредил первую эпигенетическую лабораторию и внес значительный вклад в развитие биологии. Он же основал «Школу управляемого человеком будущего» и заложил основы современного комплексного, междисциплинарного подхода к изучению окружающей среды. До самой смерти в 1975 году, в возрасте семидесяти лет, Уоддингтон оставался верен концепции эпигенетики как современной интерпретации идей Аристотеля. С тех пор эпигенетика существенно продвинулась как дисциплина, расширив предмет изучения от эмбрионального развития до управления генами на всех стадиях индивидуального жизненного цикла. Например, для человека это включает эмбриональное развитие, постэмбриональное развитие ребенка от новорожденного до взрослого и управление генами в течение жизни взрослого. Универсализация эпигенетики сделала ее чрезвычайно важной для медицины.

138

Stern C.D. Conrad H. Waddington’s contributions to avian and mammalian development, 1930–1940. International Journal of Developmental Biology, 2000; 44: 15–23.

139

Уоддингтон ввел термин «эпигенетический» в своей книге «An introduction to Modem Genetics». London: Allen & Unwin, 1939: 154–156.

Во времена Уоддингтона трудно было вообразить себе нынешний уровень эпигенетики, использующей теперь маркировку отдельных клеток и анализ на молекулярном уровне действия отдельных генов, что требует манипуляции отдельными молекулами. Правда, следует заметить: настоящая революция в биологии началась уже при Уоддингтоне, а после его смерти затронула каждую отрасль биологии. Одним из следствий этой революции стала новая материалистическая интерпретация старой теории преформизма.

Хотя и нет крошечного гомункулуса, скорчившегося в головке сперматозоида, все его чертежи присутствуют в яйцеклетке с момента оплодотворения. Новомодная дисциплина эмбриологического развития, наряду с ее бурно развивающейся сестрой, эволюционным развитием (эво-дево), вместо туманных философских рассуждений представила миру неоспоримые факты. Трансляционные и регуляторные гены могут быть секвенированы, помещены в хромосомы, их действие может быть наблюдено. Теперь свет разума может осветить красоты и великолепие изумительной работы генома и проникать все дальше и глубже, пока мы наконец не выясним в мельчайших деталях, как же гены обеспечивают рост эмбриона и управляют им.

В самый первый день самого начала вашей жизни — в день зачатия, а не в день появления на свет — происходит первое деление оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Вы теперь — две клонированные клетки, каждая из которых унаследовала от родителей по двадцать две пары хромосом плюс две половых хромосомы. Если в добавление к Х-хромосоме, полученной от матери, вы получили Х-хромосому от отца, вы — женщина. Если от отца получили Y-хромосому, вы — мужчина. На этой очень ранней стадии вашего эмбрионального развития эпигенетический механизм отключения генов, называемый метиляцией (вскоре мы объясним его подробнее), не действует. Что это может значить в свете огромного присутствия эндогенных вирусов в нашем геноме, не совсем понятно. Но когда итальянский исследователь Коррадо Спадафора, значительно продвинувший изучение рака, применил на этой ранней стадии эмбриогенеза у мышей препарат, блокирующий обратную транскриптазу, — развитие эмбриона остановилось на четырех клетках [140] . По-видимому, эндогенные вирусы играют очень важную, хотя еще совершенно непонятую роль на ранней стадии эмбриогенеза млекопитающих.

140

Spadafora C. A reverse transcriptase-dependent mechanism plays central roles in fundamental biological processes. Systems Biology in Reproductive Medicine 2008; 54: 11–21.

На четвертый день вы превращаетесь в твердый шарик из 16 или 32 клеток, на следующий день превращающийся в полый эмбрион, известный как «бластула»; выглядит он так: внешняя клеточная стенка и внутренняя клеточная масса, известная как «зародышевый диск», окружают жидкую сердцевину. Затем из этой внутренней клеточной массы вы разрастаетесь и за следующую пару дней, благодаря помощи ваших симбиотических эндогенных вирусов, присоединяетесь к слизистой оболочке матки, внедряетесь, врастаете, обретаете покой, уют и пищу на все время пребывания в утробе. Тут вы решаете, что пора оповестить маму о своем присутствии, и выделяете гормон — хорионный человеческий гонадотропин (ХЧГ), попадающий в кровеносную систему матери и побуждающий ее яичники производить эстроген и прогестерон, — поскольку не хотите, чтобы клетки слизистой оболочки матки терялись при ненужном теперь механизме менструации. Вы же к этим клеткам присоединились!

Вас, развивающегося, вовсе не тревожат токсикозы вашей мамы. Кстати, популярные тесты на беременность как раз и меряют уровень зародышевого ХЧГ.

С седьмого по десятый день вашу внутреннюю полость начинают беспокоить выступы, знаменующие начало образования телесных полостей. До сих пор все ваши клетки были копиями материнской оплодотворенной яйцеклетки. Но с гаструляцией вступают в дело особые сигнальные вещества (изучаемые в «эво-дево»), оповещающие последовательности генов, нужные для первого фундаментального преобразования зародыша — дифференцирования на три типа: «эктодерму», в будущем должную превратиться в кожу и нервную систему, «экзодерму», образующую внутреннюю оболочку кишок и внутренних органов, и «мезодерму», превращающуюся в мышцы, кости и сердце. Боюсь шокировать читателя, но первый выступ, первое отверстие, соединяющее внешние и внутренние части зародыша, соответствует не рту, а окончанию желудочно-кишечного тракта, то есть анусу. Мы, люди, как и все позвоночные, начинаем развитие с анального отверстия, с него начинается построение нашего двусторонне симметричного тела — в отличие, например, от радиально симметричной морской звезды. Вашему будущему рту еще только предстоит пробиться к поверхности с другого конца. С пятнадцатого же по двадцать первый день начинают интенсивно работать унаследованные от родителей гены — в особенности НОХ-гены, учетверенные в результате «2Р», двух исторических гибридизаций человеческого генома.

Отныне выросты в сторону от центральной линии образуются под управлением НОХ-генов, передняя часть зародыша приобретает признаки головы, задняя же часть становится рудиментарным хвостом. Вдоль оси голова — хвост образуются параллельные борозды, возвещая образование «нервной бороздки». Ее края со временем сомкнутся, образовавшийся цилиндр — это ваш будущий спинной хребет. Головной же ее конец преобразуется в мозг, который в данный момент воспринимает, осмысливает и запоминает эти слова. К двадцать первому дню у вас появляются рудиментарные жабры, наследие морского прошлого, известные занимающимся эмбриональным развитием биологам как «глоточные арки», и четче обозначается короткий толстый хвостик. Если глоточные арки останутся на поздних стадия развития зародыша и далее, уже после рождения, они могут привести к образованию кисты и прочих патологий, требующих хирургического вмешательства. Уже в двенадцать недель почти все органы и части тела изрядно развиты и различимы — за исключением мозга и легких. С этого времени большинству ваших органов и частей остается лишь расти. Но даже при рождении ваш мозг, столь сложный и большой по отношению к прочим частям тела, еще в значительной мере недоразвит. В первые дни после рождения мозг прибавляет по четверти миллиона нервных клеток каждую минуту, и это колоссальное увеличение размеров и сложности продолжается первые два года жизни. Если сравнить нас с нашими ближайшими эволюционными родственниками — шимпанзе, то окажется: отношение массы мозга к массе тела при рождении у человека и шимпанзе одинаково. Но после рождения человеческий мозг растет с такой скорость, что ко времени взросления весит в три с половиной раза больше, чем мозг шимпанзе.