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

Такое объяснение представляется вполне разумным — клетки попросту утрачивают генетический материал, который им в будущем не пригодится. В процессе дифференциации клетки могут отбросить сотни генов, в которых они больше не нуждаются. Возможен, конечно, и несколько менее кардинальный способ решения этой проблемы — может быть, клетки всего лишь отключают те гены, которыми не пользуются. И, возможно, они проделывают это настолько эффективно, что эти гены уже никогда не смогут снова активироваться в той же клетке, то есть гены оказываются необратимо подавленными. В ключевом эксперименте, исследовавшем эти две в равной степени допустимые гипотезы — утрату генов или их необратимую репрессию, — приняли участие мерзкая жаба и прекрасный человек.

Запустить биологические часы вспять

Этой работе дали начало эксперименты, проведенные Джоном Гердоном многие десятилетия назад в Англии, сначала в Оксфорде, а затем в Кембридже. В настоящее время профессор сэр Джон Гердон по-прежнему работает в своей кембриджской лаборатории, превратившейся теперь в роскошное, оснащенное самым современным оборудованием здание и носящей его имя. Это совершенно очаровательный, скромный и выдающийся человек, который и через сорок лет после своего сенсационного открытия продолжает публиковать результаты проводимых им исследований в области, основателем которой, по сути, он и является.

Даже своей внешностью Джон Гердон производит самое неизгладимое впечатление, резко выделяясь на фоне всех обитателей Кембриджа. Разменявший восьмой десяток, это высокий и худощавый мужчина с зачесанной назад роскошной гривой седых волос. Он похож на собирательный образ старого английского джентльмена, какими их изображают в американских фильмах, и в этом нет ничего удивительного, учитывая, что получать образование он начинал в Итоне. Рассказывают, что Джон Гердон все еще трепетно хранит характеристику, данную ему в ту пору его школьным учителем биологии, в которой говорится: «Если не ошибаюсь, Гердон собирается заниматься наукой. В свете его нынешней успеваемости эти идеи представляются смехотворными»[4]. Такое мнение его учитель высказал на основании нежелания юноши бездумно вызубривать несвязанные между собой факты. Но, как мы убедимся чуть позже, для такого выдающегося ученого, каким стал Джон Гердон, память куда менее важна, нежели воображение.

В 1937 году венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за научные достижения, в число которых входило и открытие им витамина С. Одной фразой, имеющей несколько слегка различающихся переводов, которые, впрочем, не искажают ее смысла, он так описал процесс открытия: «Видеть то, что видят другие, но думать так, как никто раньше не думал»[5]. И эти слова, пожалуй, лучше любых других характеризуют то, чем занимаются настоящие ученые. А Джон Гердон с полным правом принадлежит к их числу и вполне может последовать по стопам Сент-Дьердьи к нобелевскому Олимпу.

В 2009 году он стал лауреатом Ласкеровской премии, которая соотносится с Нобелевской премией практически так же, как «Золотой Глобус» с «Оскаром» в кинематографе. Работы Джона Гердона настолько потрясающи, что, когда знакомишься впервые с изложенным в них материалом, он кажется таким очевидным, что поражаешься, как это раньше никто до такого не додумался. Вопросы, которые он ставит, и манера, в которой он дает на них ответы, обладают такой восхитительной научной простотой и изысканностью, что представляются не требующими никаких дополнительных доказательств.

В работе, о которой пойдет речь, Джон Гердон использовал неоплодотворенные яйцеклетки лягушек. Любой из нас, кто когда-либо был счастливым обладателем аквариума, полного лягушачьей икры, и наблюдал, как из ее желеобразной массы появляются головастики, а затем превращаются в крошечных лягушат, имел дело с оплодотворенными яйцеклетками, то есть с теми, в которые проникли сперматозоиды и создали новое полноценное ядро. Яйцеклетки, с которыми работал ученый, были практически такими же, но с единственным отличием — они не имели контактов со сперматозоидами.

У Джона Гердона были веские причины, чтобы использовать для экспериментов именно яйцеклетки лягушек. Икринки земноводных обычно очень крупные, они откладываются в больших количествах, развиваются вне материнского организма и, наконец, прозрачны. Благодаря всем этим особенностям земноводные представляют собой очень удобный экспериментальный материал для ученых, занимающихся биологией развития, поскольку обращаться с их яйцеклетками довольно просто. Вне всяких сомнений, проще, чем с человеческой яйцеклеткой — трудно достижимой, чрезвычайно хрупкой для манипулирования, непрозрачной и настолько маленькой, что нам потребовался бы микроскоп только для того, чтобы увидеть ее.

Джон Гердон работал с африканской шпорцевой лягушкой (Xenopus laevis, если представить ее официально), с одной из тех, ярым почитателем которых является Джон Малкович, пытаясь выяснить, что происходит с клетками по мере их развития, дифференциации и взросления. Он хотел узнать, по-прежнему ли клетка ткани взрослой лягушки содержит в себе весь генетический материал, которым она обладала когда-то, или он утрачен, или же его какая-то часть была необратимо репрессирована в процессе специализации клетки. Способ, которым он решил это выяснить, заключался в том, чтобы извлечь ядро из клетки взрослой лягушки и поместить его в неоплодотворенную яйцеклетку, из которой было предварительно удалено ее собственное ядро. Эта техника, с которой мы постоянно будем сталкиваться на протяжении всей книги, называется «перенос ядра соматической клетки» (ПЯСК). Термин «соматический» происходит от греческого слова, означающего «тело».

Осуществив ПЯСК, Джон Гердон поместил яйцеклетки в подходящую среду (совсем как тот малыш с полным лягушачьей икры аквариумом) и стал ждать, когда из этих обработанных икринок вылупятся маленькие головастики.

Этому эксперименту предстояло проверить следующую гипотезу: «По мере того как клетки становятся все более специфическими (дифференцированными), они претерпевают необратимую утрату/репрессию генетического материала». Итогом эксперимента должен был стать один из двух возможных результатов:

1. Гипотеза была верна, и «взрослое» ядро утратило часть изначального плана создания нового индивидуума. В этом случае взрослое ядро ни при каких обстоятельствах не будет способно заменить ядро яйцеклетки и не произведет новую здоровую лягушку со всеми присущими ей разнообразными и дифференцированными тканями.

2. Гипотеза была ошибочна, и новые лягушки могут быть созданы при удалении ядра из яйцеклетки и замене его ядром из взрослой ткани.

Другие исследователи пытались проделать нечто подобное еще до того, как Джон Гердон взялся за решение этой проблемы. Двое ученых, Бриггс и Кинг, проводили эксперименты с другим представителем земноводных — лягушкой Rana pipiens. В 1952 году они пересадили ядра из клеток на очень ранней стадии развития в яйцеклетки, из которых были удалены собственные ядра, и в итоге получили жизнеспособных лягушек. Тем самым, они продемонстрировали существование технической возможности переноса ядра из одной клетки в «пустую» яйцеклетку, при котором клетка не погибала. Однако затем Бриггс и Кинг опубликовали результаты следующего эксперимента, в ходе которого они прибегли к той же процедуре, но перенесли ядро более развитого клеточного типа, и на этот раз не получили ожидаемого результата — лягушки не вылупились. Разница между клетками, использовавшимися для переноса ядер в двух экспериментах, казалась ничтожно малой — всего лишь на какой-то день старше, а лягушат уже и нет. Это служило подтверждением гипотезы о том, что в процессе дифференциации клеток имеет место некая необратимая репрессия. Человека менее целеустремленного, чем Джон Гердон, такое известие, возможно, выбило бы из седла, однако он более десяти лет посвятил решению этой проблемы.