Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Если мы хотим понять, что такое эпигенетика, то сначала нам придется получить некоторое представление о генетике и генах. Главным кодом подавляющего большинства жизненных форм на земле, от бактерий и до слонов, от травы японского гореца и до человека, является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Буквосочетание ДНК, давно уже успевшее выйти за рамки биологии, постепенно приобретает все новые и более широкие значения. Социологи пользуются термином ДНК применительно к общественным группам или корпорациям, подразумевая под ним некий единый стержень ценностей, вокруг которого складывается общность. Были даже выпущены духи, названные этой аббревиатурой. Образным символом науки в середине XX столетия служило изображение гриба атомного взрыва. Во второй половине того же века на смену ему пришла двойная спираль ДНК.

Ученые не менее склонны к внезапным сменам настроений и следованиям велений моды, чем представители любых других видов деятельности. В науке был такой период, когда в ней безраздельно господствовало ортодоксальное мнение, что единственное, что заслуживает внимания и имеет значение, это сценарий ДНК, наша генетическая наследственность. В главах 1 и 2 мы показали, что это убеждение ошибочно, поскольку один и тот же сценарий может иметь разные прочтения, которые зависят от его клеточного контекста. Однако теперь мы оказываемся под угрозой возможной опасности качнуть маятник своего понимания ситуации слишком далеко в противоположном направлении, если бескомпромиссная эпигенетика сведет к минимуму значение кода ДНК. Истина, разумеется, лежит где-то посередине.

В введении мы характеризовали ДНК как сценарий. В театре, если пьеса откровенно плоха, даже великий режиссер и потрясающая труппа едва ли смогут сделать из нее достойный спектакль. С другой стороны, каждому из нас не раз приходилось видеть ужасающие постановки любимых драматургических произведений. Даже если сценарий идеален, конечный результат может оказаться катастрофическим, если за создание спектакля возьмется слабый постановщик. Подобным же образом генетика и эпигенетика чутко взаимодействуют между собой, работая слаженно и четко для сотворения чудес, к числу которых принадлежим и мы, и весь окружающий нас органический мир.

ДНК является фундаментальным источником информации в наших клетках, их базовой схемой. Сама ДНК пассивна в том смысле, что она не выполняет многие тысячи действий, необходимых для поддержания нашей жизни. Эти функции, главным образом, возложены на белки. Именно белки переносят по нашей кровеносной системе кислород, превращающий чипсы и гамбургеры в сахара и другие питательные вещества, которые всасываются в пищеварительном тракте и используются для питания мозга или для сокращения мышц, что позволяет нам и далее переворачивать страницы этой книги. Но коды всех этих белков находятся как раз в ДНК.

Но если ДНК — код, то значит, он должен состоять из символов, которые можно прочесть. Он должен работать подобно некоему языку. Именно так и действует код ДНК. Если учесть, насколько сложными созданиями являются люди, то очень странным и удивительным нам может показаться то, что наша ДНК представляет собой особый «язык», состоящий всего лишь из четырех букв. Эти буквы называются основаниями, а полные их наименования звучат так: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Обычно их принято обозначать как А, Ц, Г и Т. В первую очередь следует запомнить Ц, цитозин, поскольку в эпигенетике это самое важное из всех оснований.

Чтобы представить себе, как выглядит ДНК, вспомним застежку-молнию. Это не идеальная аналогия, но для начала вполне сойдет. Разумеется, первое, что нам совершенно точно известно о молнии, это то, что она состоит из двух полосок, обращенных рабочей частью друг к другу. То же самое мы можем сказать и о ДНК. Четыре основания ДНК являются зубчиками молнии. Основания на каждой стороне молнии могут соединяться друг с другом химически и удерживать обе полоски вместе. Два основания, обращенные друг к другу и соединенные между собой подобно зубчикам молнии, называются парой оснований. Матерчатые полоски, к которым пришиты зубчики на молнии, это основные цепочки ДНК. В ДНК всегда две основные цепочки, повернутые друг к другу, как две полоски ткани с зубчиками на молнии, и по этой причине ДНК принято называть двухцепочечной. Две полоски молнии слегка закручены вокруг своей оси, образуя спиралевидную фигуру — знаменитую двойную спираль. На рисунке 3.1 представлено стилизованное изображение того, как выглядит двойная спираль ДНК.

Рис. 3.1. Схематическое изображение ДНК. Две основные цепочки закручены относительно друг друга, образуя двойную спираль.Спираль удерживается вместе химическими связями между основаниями в центре молекулы

Однако предложенной аналогией мы можем пользоваться только до этого момента, потому что зубчики на молнии ДНК вовсе не одинаковы. Если одним из зубчиков является основание А, то на противоположной цепочке оно может соединиться только с основанием Т. Аналогично, основание Г на одной цепочке может соединиться исключительно с основанием Ц на другой цепочке.

Это называется принципом спаривания оснований. Если А одной цепочки попытается соединиться с Ц противоположной цепочки, то тем самым оно нарушит всю целостность ДНК, поведя себя как сломавшийся зубчик в молнии.

Сохранение чистоты

Принцип спаривания оснований чрезвычайно важен для функционирования ДНК. Во время развития и даже на протяжении большей части нашей взрослой жизни клетки наших организмов продолжают делиться. Делается это, например, для того, чтобы органы увеличивались в размерах в процессе взросления ребенка. Клетки делятся и для того, чтобы заменить те, которые отмирают естественным путем. Примером этого может служить производство костным мозгом белых кровяных телец, вырабатываемых для замены тех, которые постоянно утрачиваются в ходе непрекращающейся борьбы с инфекционными микроорганизмами. Большинство типов клеток воспроизводятся, сначала полностью копируя свою ДНК, а затем разделяя ее поровну между двумя дочерними клетками. Такая возможность копирования ДНК чрезвычайно важна. Без нее дочерние клетки могли бы остаться вообще без ДНК, что в большинстве случаев делало бы их совершенно бесполезными; они были бы подобны компьютеру без программного обеспечения.

Копирование ДНК перед каждым делением клетки наглядно показывает, почему принцип спаривания оснований настолько важен. Сотни ученых целиком посвятили свои жизни исследованию того, каким образом ДНК удается копироваться настолько точно. И вот в чем суть этого процесса. Две цепочки ДНК распадаются, после чего огромное количество белков, участвующих в копировании (так называемый комплекс репликации), принимается за дело.

На рисунке 3.2 в общих чертах показано, что при этом происходит. Комплекс репликации движется вдоль каждой одиночной основной цепочки ДНК и выстраивает обращенную к ней новую цепочку. Комплекс распознает определенное основание — скажем, основание Ц — и на цепочке, которую строит, всегда располагает напротив него основание Г. Вот почему такое огромное значение имеет принцип спаривания оснований. Так как Ц обязано составить пару с Г, а А обязательно должно спариться с Т, клетки могут воспользоваться существующей ДНК как шаблоном для создания новых цепочек. В итоге каждая дочерняя клетка приобретает новую идеальную копию ДНК, в которой одна из цепочек получена из исходной молекулы ДНК, а другая только что синтезирована.