Глава первая

Генетика и эпигенетика. Общие понятия

Генетика предполагает, а эпигенетика располагает.

Английский биолог Питер Медавар

1.1. Что нужно знать для того, чтобы понимать эпигенетику. Основные термины

Ген — единица наследственной информации, участок ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты (помните скрученную спиралью веревочную лестницу — макет ДНК на уроке биологии?) — молекулы, на которой записана вся информация о нашем организме.

Классическая генетика утверждала, что все свойства организма, вся совокупность его фенотипов [Фенотип — это совокупность характеристик, присущих индивиду на определенной стадии развития.] (внешности, особенностей метаболизма и поведения) зависят от уникального набора генов, доставшихся от родителей.

Также утверждалось, что гены «незыблемы», а мутации, которые возникают в геноме (совокупности генов), случайные и ненаправленные (непредсказуемые).

Центральная догма в биологии о том, что гены рулят всем, что наша жизнь предопределена, а СМИ взрывались сенсационными заголовками — «найден ген самоубийц!», как пример, существовала ровно до окончания проекта «Геном человека». Хотя некоторые эксперименты с клетками говорили о другом. Например, энуклеация. В биологии (не в медицине) этот термин означает извлечение из клетки ядра, в котором сосредоточен весь генетический материал (у клеток, имеющих ядра). По логике центральной догмы без генетического материала клетке надо бы умереть? Ничего подобного, существует и в ус не дует еще несколько десятков дней. Не умеет размножаться, ибо нечем, но живехонька. Засомневаться бы ученым в ведущей роли генов, пересмотреть догму! Но не сложилось, как нельзя было усомниться в руководящей роли КПСС в застойные годы.

После окончания проекта «Геном человека» многое из того, что касалось генов, зазвучало по-другому. Оказалось, что генов у человека не так уж много, не 50–100 тысяч, как считалось раньше, а, по разным оценкам, от 18 до 30 тысяч. Но горевать о таком малом количестве не следует, так как один ген может вырабатывать много разных белков в зависимости от того, какие сигналы он получит от окружающей его среды. Да и известных белков к тому моменту стало гораздо больше, чем 100 тысяч. Не каждый ген умеет вырабатывать белки, некоторые выполняют другие функции.

Термин «эпигенетический» существует давно. Буквально он обозначает «над, поверх генетики, наследственности». Этим термином ученые пользовались не только в биологии, но и в психологии. Наиболее известное применение этого термина было дано в 1947 г. эмбриологом Конрадом Уоддингтоном, который объяснил, каким образом организм в процессе эмбрионального развития формирует разные клетки. У человека существует примерно 250–270 типов клеток (клетки мозга, печени, легких, кожи, почек и мн. др.), которые различаются по внешнему виду, функционированию, типу метаболизма. Когда-то все эти клетки появились из зиготы, которая образовалась из слияния гамет — отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки.

Рис. 1. «Хвостатые» сперматозоиды (гамета) пытаются проникнуть в круглую яйцеклетку (гамета) (слева). Справа зигота — оплодотворенная сперматозоидом яйцеклетка

Почему клетки, появившиеся из зиготы, становятся разными? Потому что существуют эпигенетические механизмы, которые при помощи наборов транскрибируемых генов определяют, какими быть будущим клеткам при делении, также они дают инструкции каждому виду клеток — уровень активности деятельности этих клеток, который они должны поддерживать, пока существуют. Далее, во время размножения организма при формировании гамет (половых клеток) эпигенетический статус генома должен быть стерт и далее с чистого листа вновь сформироваться после оплодотворения, иначе наступит так называемый эпигенетический коллапс.

Метафорично объяснить этот процесс можно используя пример с одеждой. Каждое утро аккуратный человек, собираясь на работу, надевает на тело (в нашем примере тело — это нуклеотид) белье и одежду (метки), а вечером, приходя с работы, их снимает. Утром процесс повторяется. Так же и эпигенетические метки «снимаются», когда формируется восьмиклеточный зародыш — бластоциста, а при имплантации бластоцисты в матку метки опять «надеваются» (как белье и одежда с утра). Это достаточно хорошо известный факт.

Известен эпигенетический ландшафт Уоддингтона (К. Уоддигтон, 1957 г.), который представляет собой макет горы со множеством холмов и оврагов, на вершине которой находится шарик.

Рис. 2. Конрад Уоддингтон и его модель эпигенетического ландшафта

Этот шарик катится вниз и либо сталкивается с холмами, меняя траекторию движения, либо попадает в ложбинку. Где окажется шарик внизу — зависит от сочетания многих факторов его движения. Так Уоддингтон представлял процесс эмбриогенеза (шарик), который зависел от различных продуктов генов — белков и гормонов (выступы и овраги), которые являются сигналами, заставляющими гены менять свою активность.

Под воздействием различных факторов (внутренних и внешних, генетических и негенетических) возможен переход с одной траектории на другую, в связи с чем на основании одной и той же генетической программы возможно формирование множества траекторий онтогенеза (поливариантность онтогенеза).

В соответствии с этой концепцией все клетки организма в начале развития тотипотентны (обладают возможностями всех будущих клеток тела); в ходе развития они приобретают разные свойства, например, одни становятся кардиоцитами (клетками сердца), а другие — нервными клетками (клетками мозга и другими частями нервной системы), третьи — гепатоцитами (клетками печени). Происходит это расхождение свойств за счет того, что в клетках, являющихся «основоположниками» различных тканей, экспрессируются (активизируются) разные паттерны генов [Паттерн экспрессии генов — это отличие в статусе (включенный — активный и выключенный — неактивный) и в степени работы, то есть интенсивности синтеза РНК и соответствующих белков тех или иных генов этого организма.]. Различные клетки получают на определенных этапах развития разные (гормональные и т. д.) сигналы, которые направляют их на тот или иной эпигенетический «маршрут», то есть приводят к клеточной специализации, дифференцировке.

Рис. 3. Дифференциация (процесс появления различий в структуре и функции) клеток в процессе развития

После того как клеточные линии приобретают определенные «эпигенетические траектории», впоследствии они уже не могут от них уклониться независимо от того, какие «реплики окружения» получают. Таким образом, концепция Конрада Уоддингтона объясняет, как из одной клетки (зиготы) образуется многоклеточный организм, состоящий из клеток, кардинально различающихся между собой по виду и функциональной нагрузке (из интервью д. м. н. А.М. Вайсермана на сайте wavegenetics.info).

Определение эпигенетики по Уоддингтону: «эпигенетика — ветвь биологии, изучающая причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип».

Актуальны ли представления Уоддингтона сейчас? Безусловно. Но с некоторыми поправками.

Сейчас мы познакомимся с современными представлениями об эпигенетике. Наберитесь терпения, представьте, как запас ваших знаний постепенно пополняется, чтобы в итоге в вашей жизни появился мощный инструмент управления своим здоровьем! Перечитайте несколько раз информацию, которая является не вполне понятной. Запомните некоторые термины, выделенные жирным шрифтом. Они понадобятся вам в дальнейшем.