Почему человек и шимпанзе такие разные

 

Как это возможно? У человека, самозваного венца творения, поразительно сложно устроенного существа, располагающего 200 видами клеток, десятками органов, состоящего из миллиардов клеток, способного жить до 120 лет и владеющего самым сложным мозгом во Вселенной, – у этого самого человека меньше генов, чем у сорняка, и немногим больше, чем у миллиметрового круглого червя Caenorhabditis elegans. Последний состоит ровно из 959 почти одинаковых клеток и живет не больше двух недель.

Где, если не в генах, кроется наша неповторимость? Из чего‑то же должна проистекать разница между червем и человеком? Постепенно ученые находят первые ответы на эти вопросы и возвращают нам самоуважение. Один из самых важных ответов пришел из эпигенетики.

 

Во‑первых, благодаря некоторым приемам клетки высших организмов способны синтезировать несколько различных белков на основании «монтажной схемы» одного гена. Естественно, это увеличивает их сложность. Во‑вторых, своими особенностями они обязаны чрезвычайно высокой интеграции бесчисленных генетических систем регулирования. Решение о том, какой белок синтезировать – а также когда, в каком количестве, в какой форме и вместе с какими другими белками, – принимается в рамках очень сложных сетей. И эти сети могут производить множество различных моделей активации гена.

Но, поскольку ни один белок не выполняет какую‑то единственную изолированную функцию, а всегда работает в связке с другими белками, меняющиеся модели активации гена в разные моменты времени на основании одного и того же генома формируют совершенно разные общие состояния клетки. Следовательно, чем больше потенциальное множество таких моделей, тем сложнее живое существо. Благодаря этому у человеческой клетки, даже несмотря на ограниченное число генов, может быть значительно больше свойств, чем, например, у клетки червя.

Итак, решающее слово остается за генной регуляцией: чем она сложнее, тем сложнее соответствующий организм. Путь от оплодотворенной яйцеклетки к законченному взрослому половозрелому организму также определяется меняющимися моделями активации гена. В процессе этого биологического развития модели изменяются систематически и по плану, заранее составленному на часы, недели и годы. Чем более многоуровневым, долговременным и выверенным будет это развитие, тем сложнее будет живое существо, совершенно независимо от числа своих генов.

Следовательно, биохимические системы, руководящие работой отдельных генов и их групп, имеют по крайней мере такое же значение, как и сам генный текст, – и в особенности у людей. Одна из важнейших биохимических систем – эпигенетические переключатели.

Сегодня специалисты отводят особо устойчивому второму коду выдающуюся роль в системе генной регуляции. «Похоже, эпигенетические механизмы действительно отвечают за большую часть свойств сложных организмов», – говорит Гари Фельзенфельд, известный эпигенетик из Национального института здравоохранения (Бетесда, США).

 

После недавних открытий исчезла надежда на быстрые успехи в биомедицине. Генетика стала слишком сложной для этого. Зато радует, что можно наконец объяснить некоторые загадочные феномены. Так, удалось наконец ответить на вопрос, почему человек, несмотря на сравнительно небольшое число генов, столь высокоорганизованное существо. У него более сложные генная регуляция и развитие, чем у большинства других организмов. Прежде всего мозгу человека дается больше времени на обучение, чем другим живым существам.

Гораздо более объяснимой, чем раньше, стала сегодня и причина многообразия человеческих типов: с генетической точки зрения все люди практически одинаковы, однако мельчайшие различия могут ощутимо повлиять на генную регуляцию и привести к значительным вариациям. «Анализируя активность генов, мы находим гораздо больше различий между индивидуумами, чем можно было бы предположить, исходя из простого анализа генов», – признается Йорн Вальтер, профессор генетики Саарландского университета (г. Саарбрюккен) и один из ведущих немецких эпигенетиков.

По словам Вальтера, наконец найден ответ на вопрос, почему человек и шимпанзе так сильно отличаются друг от друга, несмотря на почти одинаковые геномы. «Генетические отличия между человеком и шимпанзе незначительны, – сообщает ученый, – зато эпигенетические, похоже, огромны».

 

В 2005 году молекулярные биологи объявили о полной расшифровке генома шимпанзе. Соответствие потрясает: генетические коды человека и этой обезьяны совпадают на 98,7 %. То есть шимпанзе – наш самый ближайший родственник среди животных – должен походить на нас еще больше, чем мы думали.

Наш последний общий предок жил приблизительно шесть миллионов лет назад. И за это время эволюция допустила различия между видами лишь в 35 миллионах из 3,3 миллиарда букв генного текста. Большинство этих различий вообще никак не влияют на белки и их функции. Сванте Пээбо, директор Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге, принимавший участие в расшифровке генома шимпанзе, утверждает, что из этих различий «важны максимум десять тысяч. Их‑то мы и ищем».

Наиболее интересны, конечно, изменения, которые через эпигенетику прямо или косвенно влияют на сети генной регуляции и процессы развития. Они способны производить настоящий эффект домино, обладают потенциалом радикального изменения тканей, а следовательно, и всего организма.

Пээбо и его коллеги уже давно предполагали, что особый путь развития человека объясняется прежде всего изменениями работы генов мозга. Поэтому Пээбо и его сотрудник Филипп Хайтович проанализировали, какие гены наиболее активны в разных видах тканей человека и шимпанзе. Поначалу результаты, казалось, самым абсурдным образом опровергали их гипотезу: больше всего различий между генной регуляцией человека и обезьяны обнаружилось в семенных яичках и меньше всего – в мозгу.

Но вскоре этому феномену нашлось объяснение, спасающее человеческое достоинство. Наши ближайшие родственники столь сильно отличаются от нас в области мужских половых органов, потому что ведут гораздо более свободную половую жизнь, чем мы. А следовательно, должны синтезировать гораздо больше очень подвижных сперматозоидов. Тот факт, что наименьшее число различий приходится на мозг, Пээбо трактует так: еще у общего предка человека и шимпанзе потенциал оптимизации органа мышления достиг своего предела. Сложность генных регулирующих механизмов мозга уже тогда была чрезвычайно высока.

Следовательно, решающее значение для масштабов эволюционных изменений имеет не только величина биохимических различий между родственными организмами, но сила их воздействия. Возможно, из животного мира нас выделило сравнительно небольшое изменение в генной регуляции головного мозга. Человек воспользовался крошечным потенциалом оптимизации, который уже шесть миллионов лет назад содержал мозг его предков, а шимпанзе – нет.

 

Новая свобода

 

Итак, организмы повышают степень своей сложности не только посредством модификации генов, но и с помощью перемен в генной регуляции, не затрагивающих сам генетический код. Более того – на тех же основаниях молекулярно‑биологические системы могут взаимодействовать с окружающей средой.

Обмен информацией проходит в трех временных плоскостях. Первая начинается с секунд и заканчивается днями. Главные действующие лица здесь – сигнальные белки, уже упоминавшиеся факторы транскрипции. Они прикрепляются к определенным контролирующим участкам ДНК, промоторам. Тем самым они кратковременно включают или выключают гены или группы генов. Эти механизмы позволяют отдельным клеткам живого организма реагировать быстро и гибко. Сигнальные белки обеспечивают клеткам своего рода кратковременную память, но не наделяют способностью длительного хранения информации.

Например, если какая‑нибудь клетка поджелудочной железы считывает со своей поверхности информацию о том, что уровень сахара в крови повышается, она немедленно реагирует на это, выбрасывая в кровеносную систему инсулин. Этот гормон побуждает другие клетки активно снижать уровень сахара. Одновременно клетка посылает в собственное ядро сигналы, стимулирующие считывание гена инсулина. Таким образом она обеспечивает своевременное пополнение гормона.

В рамках эволюции, напротив, должны пройти тысячелетия, пока найдется ответ на внешний раздражитель. Эволюция основывается на случайных изменениях текста ДНК, которые проявляются в живом организме лишь через несколько поколений, и только в том случае, если они обеспечивают какие‑либо преимущества. В долгосрочной перспективе это может привести к возникновению новых видов, особенно хорошо приспособленных к тем или иным условиям окружающей среды, но на жизни особей это практически не отражается.

Между этими двумя крайностями лежит плоскость эпигенетических переключателей, которые формируют своего рода долговременную память клетки. Для людей они столь значимы, потому что их влияние распространяется на тот временной отрезок, в котором протекает наше существование, – месяцы, годы, жизнь и, вероятно, еще несколько поколений потомков.

«Применительно к индивидууму концепция эпигенетики так важна, потому что она описывает обозримый отрезок времени», – уверен саарбрюккенский эпигенетик Йорн Вальтер. Людям трудно мыслить в масштабе многих поколений, но генетикам и эволюционистам приходится это делать. А вот эпигенетики изучают способность человека приспосабливаться к собственной окружающей среде, отслеживая при этом воздействие этой среды на детей и в лучшем случае на внуков.

В отличие от генетического второй, эпигенетический, код почти полностью исчезает со смертью живого существа и выстраивается вновь в ходе зачатия нового организма – только несколько в иной форме, чем у родителей. Реакция на сигналы извне также определяет, какую именно форму принимают новые эпигеномы и как они меняются в течение жизни.

Итак, одна из основных задач эпигенетических переключателей – посредничество между окружающей средой и геномом. Меняющиеся условия жизни вызывают модификацию второго кода. В результате этого трансформируется модель генной активации отдельных клеток. И меняется весь организм.

И что особенно важно – эти изменения продолжают действовать даже тогда, когда первоначальный сигнал уже не оказывает непосредственного влияния на клетку. Это объясняет, почему переживания раннего детства могут на всю жизнь оставить отпечаток на нашем характере или почему питание нашей матери во время беременности определяет, будем ли мы в зрелые годы болеть диабетом. Благодаря эпигеномам живые организмы могут приспосабливаться к разнообразным условиям в течение всей жизни, не меняясь принципиально, то есть не изменяя своего генетического кода. Второй код отвечает за способность живого существа приспосабливаться к среде, делая этот навык как можно более гибким и по необходимости стойким.

 

Так природе удалось подпустить внешний мир прямо к своей сердцевине – наследственному материалу. «Эпигенетика – вещественная основа взаимодействия между средой и геномом», – коротко и выразительно высказался Альберт Йельч, биохимик из Бременского университета имени Якоба.

Идея о взаимодействии наследственного материала с окружающей средой дает людям совершенно новую свободу. Меняя свою жизнь, мы неизбежно изменяем отношения с окружающей средой и тем самым влияем на свое биологическое наследие. «Эпигенетика делает нас свободными, позволяя быть неповторимыми, уникальными личностями», – считает фрайбургский биолог Томас Йенувайн. С помощью эпигенетики мы можем дорисовать картину собственной жизни, грубый эскиз которой набросала генетическая информация, унаследованная от предков.

Эта свобода имеет и оборотную сторону, подчеркивает коллега Йенувайна Моше Шиф из Монреальского университета (Канада): «Эпигенетика наделяет нас ответственностью за собственные действия». Тема, которую я уже обозначил во введении, приобретает конкретные очертания: отчасти мы способны сами изменять свою судьбу – как в лучшую, так и в худшую сторону.

 

Очевидно, второй код настолько важен для связанных с окружающей средой живых клеток, что они не способны удовольствоваться одной лишь эпигенетической системой. Сегодняшний уровень знаний позволяет утверждать, что для эпигенетической программы клетки (ее идентичности и приспособляемости) особое значение имеют три биохимические структуры переключателей. Во‑первых, так называемые метильные группы, прикрепляющиеся непосредственно к ДНК и выключающие гены. Во‑вторых, химические модификации белков, на которые наматывается нить ДНК. Эти измененные белки открывают или закрывают для считывания целые ее участки. И в‑третьих, маленькие молекулы, напоминающие ДНК, не допускающие перевода в белки уже считанных генов.

Три важнейшие эпигенетические системы переключателей и принципы их работы я собираюсь по возможности кратко описать ниже. Для этого нам необходимо поближе познакомиться с некоторыми биохимическими процессами. Тот, у кого нет желания углубляться в эту материю, может просто перелистнуть несколько страниц и продолжить чтение со второй главы. Однако эта книга не была бы книгой об эпигенетике, если бы не разъясняла, что такое метильные группы, гистоновый код и мир РНК, так как этими вопросами по самой грубой оценке занимается 95 % эпигенетиков.