может быть удалено из клетки, это явление весьма маловероятно и возможно лишь в крайне чрезвычайных обстоятельствах.
Большинство гистоновых модификаций значительно более вариативно. Некая модификация может быть произведена на каком-либо гистоне определенного гена, затем удалена, а позже возвращена обратно. Это происходит в результате реакции на самые разнообразные стимулирующие сигналы, поступающие в ядро клетки извне. Природа этих стимуляторов может варьироваться до безграничных пределов. В некоторых типах клеток гистоновый код может меняться, реагируя на гормоны. Ими могут быть и инсулин, проникающий в клетки мышц, и эстроген, воздействующий на клетки груди во время менструального цикла. В головном мозге гистоновый код может меняться в ответ на прием таких наркотических препаратов как кокаин, тогда как в клетках, выстилающих пищеварительный канал, схема эпигенетических модификаций будет меняться в зависимости от количества жирных кислот, вырабатываемых бактериями кишечника. Такие изменения гистонового кода являются одним из ключевых способов взаимодействия внешних факторов (окружающей среды) и внутренних (наших генов) при создании любого высшего организма на земле во всей его сложности.
Гистоновые модификации также позволяют клеткам «испытывать» определенные модели экспрессии генов, особенно в процессе развития. Гены временно подавляются, когда репрессивные гистоновые модификации (которые снижают уровень экспрессии генов) затрагивают гистоны, соседние с этими генами. Если репрессия генов идет на пользу клетке, то гистоновые модификации могут продолжаться достаточно долго, чтобы вызвать метилирование ДНК. Гистоновые модификации притягивают белки-дешифраторы, которые выстраивают комплексы из других белков на нуклеосоме. В некоторых случаях эти комплексы могут включать в себя DNMT3 А или DNMT3B —два фермента, доставляющие метиловые группы на мотивы CpG в ДНК. В таких ситуациях ОЫМТЗАили ЗВ могут «вытягиваться» из комплекса на гистоне и метилировать соседнюю ДНК. Если метилирование ДНК оказывается достаточным, экспрессия гена будет подавлена. В чрезвычайных обстоятельствах вся область хромосомы может стать сверхплотной и оставаться подавленной на протяжении многочисленных делений клетки или даже сохраняться таким десятилетиями в таких неделящихся клетках как нейроны.
Почему организм для регулирования экспрессии генов создал в процессе эволюции такие сложные схемы гистоновых модификаций? Эта система представляется особенно запутанной, если сравнивать ее с довольно бескомпромиссной механикой метилирования ДНК. Одна из причин этого, вероятно, состоит в том, что благодаря ее сложности появляется возможность производить предельно выверенную, точную настройку экспрессии генов. Благодаря этому процессу клетки и организмы могут соответствующим образом корректировать экспрессию генов для адекватного реагирования на изменения окружающей среды, такие как недостаток питательных веществ или воздействие вирусов. Однако, в чем мы убедимся из содержания следующей главы, такая точная настройка может привести и к некоторым очень неожиданным последствиям.
Глава 5. Почему однояйцевые близнецы не совсем одинаковы?
В жизни есть две вещи, к которым мы никогда не можем быть готовы: это близнецы.
На протяжении многих десятилетий во всех человеческих культурах много внимания и интереса вызывала тема однояйцевых близнецов, не утратившая своей актуальности и в наши дни. Если мы обратимся за примерами лишь к западноевропейской литературе, то тут же найдем упоминание об однояйцевых близнецах Менехме и Социкле в одном из произведений Тита Макция Плавта, написанном приблизительно в 200 году до н. э., и интерпретацию этого же сюжета в «Комедии ошибок» Шекспира, датируемой 1590 годом; познакомимся с близнецами Труляля и Траляля из сказки «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, появившейся в 1871 году. Близнецы Уизли также присутствуют в современном цикле романов о Гарри Поттере писательницы Дж. К. Роулинг. Есть что-то интригующее в двух людях, выглядящих абсолютно одинаково.
Но есть и нечто такое, что вызывает у нас еще более острый интерес, нежели невероятная похожесть однояйцевых близнецов — это происходит тогда, когда мы замечаем различия между ними. Эта особенность постоянно находит свое отражение и нещадно эксплуатируется в кинематографе, начиная с Фредерика и Хуго в «Кольце вокруг Луны» Жана Ангуила и заканчивая Беверли и Эллиоттом Мэнтлами в «Связанных смертью» Дэвида Кроненберга. Мысленно доведя эти различия до максимума, вы даже сможете привести в пример доктора Джекилла и его вторую ипостась, мистера Хайда, являющего отражением абсолютного зла. Нет нужды продолжать искать подтверждения тому, что различия между однояйцевыми близнецами всегда захватывали воображение творческих людей из всех сфер искусства; в равной степени не оставляют они равнодушными и научный мир.
Однояйцевых близнецов в научной среде принято называть монозиготными (М3) близнецами. Оба они развиваются из одной и той же одноклеточной зиготы, образующейся при слиянии одной яйцеклетки и одного сперматозоида. В случае с М3 близнецами внутриклеточная масса бластоцисты разделяется надвое при первых делениях клетки, как разрезаемый пополам пирожок, и дает начало двум эмбрионам. И оба эти эмбриона генетически идентичны.
Такое разделение внутриклеточной массы для образования двух самостоятельных эмбрионов обычно считается случайным событием. Это мнение согласуется с периодичностью рождения М3 близнецов, которая, по большому счету, равномерно распределена по всему населению земли, как и с тем фактом, что эта особенность не передается по наследству. Мы привыкли думать, что однояйцевые близнецы рождаются очень редко, однако это не совсем так. Приблизительно одна из каждых 250 доношенных беременностей заканчивается рождением пары М3 близнецов, а это значит, что на сегодняшний день в мире насчитывается около 10 миллионов пар однояйцевых близнецов.
Для ученых М3 близнецы представляют особенный интерес по той причине, что помогают определить, до какой степени генетика является движущей силой таких важных жизненных событий, как определенные заболевания. Они дают нам возможность математически исследовать связи между последовательностями наших генов (генотипом) и нашей внешностью (фенотипом), будь то рост, состояние здоровья, наличие или отсутствие веснушек и все прочее, что мы хотели бы измерить. Для этого нужно подсчитать, насколько часто оба близнеца в паре бывают подвержены одному и тому же заболеванию. В науке этот показатель называется коэффициентом совпадения.
Ахондроплазия, довольно распространенная форма синдрома «карлика-коротконожки», является одним из примеров заболеваний, которые практически неизбежно поражают М3 близнецов в одинаковой степени. Если один из близнецов страдает ахондроплазией, значит, она обнаруживается и у второго. Коэффициент совпадения в данном случае составляет 100 процентов. И это не удивительно, если учесть, что ахондроплазия вызывается определенной генетической мутацией. Если эта мутация присутствовала в яйцеклетке или в сперматозоиде, которые, соединившись, сформировали зиготу, то все дочерние клетки, образующие внутриклеточную массу и, впоследствии, два эмбриона, также будут нести в себе эту мутацию.
Однако относительно немногие заболевания дают 100-процентный коэффициент совпадения, поскольку большинство болезней не провоцируются одной непреодолимой мутацией в ключевом гене. Отсюда вытекает вопрос, как определить, играет ли генетика какую-либо роль, и, если да, то насколько эта роль важна. И вот тут-то изучение близнецов приобретает первостепенное значение. Если мы исследуем большие группы М3 близнецов, то сможем определить, какой процент их продемонстрирует совпадение или несовпадение в подверженности определенным заболеваниям. Если заболевает один из близнецов, то обнаружится ли та же болезнь и у другого?
На рисунке 5.1 представлен график, показывающий коэффициенты совпадений для шизофрении. На основании его можно сделать вывод, что чем ближе наши родственные связи с человеком, страдающим этим заболеванием, тем выше вероятность того, что оно может проявиться и у нас. Наиболее важные для нас позиции на графике, на которые следует обратить особое внимание, это две полоски в самом низу, обозначающие близнецов. С их помощью мы можем сравнить коэффициенты совпадения у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Двуяйцевые близнецы развиваются в одной и той же среде (матке), но генетически они не более похожи друг на друга, чем любые другие братья и сестры, поскольку возникли из двух обособленных зигот вследствие оплодотворения двух яйцеклеток. Результаты сравнения коэффициентов совпадения двух типов близнецов важны по той причине, что, по сути, оба близнеца в паре (как однояйцевые, так и двуяйцевые) в процессе развития делят одну и ту же среду обитания. Если бы шизофрения была следствием влияния факторов среды, мы были бы вправе ожидать близкое подобие в коэффициентах совпадения для этого заболевания у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Однако мы видим, что если шизофренией заболевает один из двуяйцевых близнецов, то шансы второго на приобретение этого же заболевания составляют 17 процентов. А у М3 близнецов эта вероятность подскакивает чуть ли не до 50 процентов. Риск заболеть шизофренией у однояйцевых близнецов почти втрое превышает ту же опасность для двуяйцевых близнецов, и отсюда мы можем сделать вывод, что развитие шизофрении обусловлено неким важным генетическим компонентом.
Рис. 5.1. Коэффициенты совпадения для шизофрении. Чем в более близком генетическом родстве состоят два человека, тем выше вероятность того, что, при наличии у одного из них этого заболевания, оно же разовьется и у второго. Однако даже у генетически идентичных монозиготных близнецов коэффициент совпадения для шизофрении не достигает 100 процентов. Данные взяты из «Доклада главного врача гос