ей агути, является еще одним примером того, что подобная вариативность зависит от различных уровней метилирования ДНК в ретротранспозоне разных животных.
Это обнадеживает, так как доказывает, что рассматриваемый нами механизм не уникален, но закрученные хвосты, к сожалению, не представляют фенотип, имеющий непосредственное отношение к среднему человеку. Впрочем, все-таки есть такой показатель, которым мы можем оперировать: масса тела. Масса каждой генетически идентичной мыши далеко не всегда одинакова.
Насколько бы тщательно ни контролировали ученые условия содержания мышей и особенно количества получаемой ими пищи, идентичные мыши из инбредных линий все равно различались по массе. Эксперименты, проводившиеся на протяжении многих лет, показали, что только 20-30 вариаций в массе тела могут быть объяснены различиями среды, в которой содержались животные после рождения. Соответственно, возникает вопрос — чем провоцируются различия в массе тела у остальных 70-80 процентов[35]? Если к этому не имеет отношения ни генетика (все мыши идентичны), ни окружающая среда, значит, присутствует еще какой-то неизвестный фактор.
В 2010 году профессор Эмма Уайтло, подлинная энтузиастка в области генетики мышей, авторитетный и беззаветно преданный своему делу ученый из Института медицинских исследований Квинсленда, опубликовала поразительную статью. Взяв инбредную линию мышей, она с помощью генной инженерии вывела субпопуляции животных, которые во всем были генетически идентичны исходной популяции с единственным исключением — они экспрессировали только половину нормальных уровней определенного эпигенетического белка. Эмма Уайтло провела независимые исследования и с помощью методов генной инженерии она создала отдельные группы животных с мутациями разных генов, несущих информацию об эпигенетических белках.
Когда профессор Уайтло проанализировала массу тела большого количества обычных и мутировавших мышей, она получила очень любопытные результаты. В группе, состоявшей из обычных инбредных мышей, большинство животных имели относительно одинаковую массу, незначительные различия в котором соответствовали данным множества других экспериментов. У мышей с низким уровнем определенного эпигенетического белка вариабельность массы тела в пределах группы оказывалась существенно выше. В ходе дальнейших опытов, о которых рассказывалось в той же статье, была дана оценка роли понижения экспрессии этих эпигенетических белков. Как выяснилось, понижение уровня экспрессии было связано с изменениями в уровнях экспрессии генов, участвующих в метаболизме[36], и повышало вариабельность их экспрессии. Другими словами, эпигенетические белки осуществляли некий контроль над экспрессией других генов, что и можно было ожидать.
Эмма Уайтло протестировала в ходе экспериментов достаточно большое количество эпигенетических белков и обнаружила, что лишь некоторые из них вызывают увеличение вариабельности в массе тела. Одним из белков, приводящих к такому результату, оказался Dnmt3a. Это один из ферментов, переносящих метиловые группы к ДНК для репрессии генов. Другой эпигенетический белок, вызывавший увеличение вариативности массы тела, называется Trim28. Он образует комплекс с некоторым количеством других эпигенетических белков, и вместе они добавляют специфические модификации к гистонам. Эти модификации снижают уровень регуляции экспрессии генов около модифицированных гистонов, и потому их называют репрессивными гистоновыми модификациями или метками. Участки генома, имеющие большое количество репрессивных меток на своих гистонах, в большей степени подвержены метилированию ДНК, а это значит, что Trim28 может быть важен для создания подходящих условий для метилирования ДНК.
Результаты этих экспериментов заставили предположить, что определенные эпигенетические белки выступают в роли неких «глушителей». «Голая» ДНК весьма подвержена случайной активации, и суммарный эффект этого можно сравнить с «фоновыми помехами» в наших клетках. Оно называется транскрипционным шумом. Эпигенетические белки призваны понижать громкость этого беспорядочных помех. Для выполнения этой задачи они добавляют к гистонам модификации, понижающие экспрессию генов. Похоже, что различные эпигенетические белки важны для подавления разных генов в одних тканях в большей степени, чем в других.
Понятно, что это подавление не имеет тотального характера. В противном случае все инбредные мыши были бы полностью идентичны в каждом аспекте своего фенотипа, а это, как мы знаем, не так. Вариабельность массы тела присутствует даже у представителей инбредных линий, разница лишь в том, что эта вариативность в большей степени присуща мышам с подавленными уровнями эпигенетических белков.
Этот сложный уравновешивающий процесс, в котором эпигенетические белки приглушают транскрипционный шум, но не подавляют экспрессию генов полностью, является своего рода внутриклеточным компромиссом. Они оставляют клеткам достаточно свободы в экспрессии генов, чтобы те смогли реагировать на новые стимуляторы — будь то гормоны или питательные вещества, загрязняющие агенты или солнечный свет, но при этом гены не находятся в «боевой готовности» к спонтанной активации, до тех пор, пока их не призовут к действию. Эпигенетика дает возможность клеткам придерживаться того зыбкого баланса, при котором они должны оставаться (и сохраняться) клетками разных типов с широким разнообразием присущих им функций, но при этом не быть жестко привязанными к какой-либо единственной схеме экспрессии генов, при которой они стали бы неспособны адекватно реагировать на изменения окружающей среды.
Постепенно становится понятным и то, что именно раннее развитие является тем ключевым периодом, когда начинает обнаруживаться и формироваться эта система контроля над транскрипционным шумом. В конце концов, очень незначительная доля в вариативности массы тела в исходных инбредных линиях может быть объяснена различиями в условиях окружающей среды в послеродовой период (всего 20-30 процентов). В последнее время все больший интерес в научных кругах проявляется к роли феномена, называемого программированием развития и определяющего, как различные события и явления, имевшие место в период эмбрионального развития, могут сказываться в течение взрослой жизни. Надо сказать, что все большее число исследователей придерживается мнения, что в основе такого программирования лежат именно эпигенетические механизмы.
Такой вывод полностью согласуется с результатами исследований Эммы Уайтло, в которых она определяла влияние на мышей пониженных уровней Dnmt3a и Trim28. Разница массы тела становилась заметной, уже когда мышам было всего три недели от роду. Этот вывод также согласуется с тем фактом, что пониженные уровни Dnmt3a приводили к увеличению вариативности массы тела, тогда как пониженные уровни родственного ему фермента Dnmt1 не вызывали каких-либо отклонений в экспериментах Эммы Уайтло. Dnmt3a может добавлять метиловые группы к абсолютно неметилированным участкам ДНК, а это означает, что он несет ответственность за установку в клетках надлежащих схем метилирования ДНК. Dnmt1 является белком, поддерживающим уже установленные предварительно схемы метилирования ДНК. Складывается впечатление, что наиболее важным условием для приглушения вариабельности экспрессии генов (по крайней мере, применительно к массе тела) является, в первую очень, установление правильных схем метилирования ДНК.
Много лет назад ученые и политики поняли, какую важную роль играет здоровье матери и ее качественное питание в период беременности для повышения шансов на то, чтобы ее малыш родился с достаточной массой тела и смог правильно развиваться физически. В последние годы все более очевидным становится тот факт, что если мать во время беременности питается недостаточно, то ее ребенок подвергается значительно большему риску родиться слабым и отличаться хрупким здоровьем не только в младенчестве, но и на протяжении многих десятилетий взрослой жизни. И лишь совсем недавно мы начали осознавать, что это — по меньшей мере, отчасти — объясняется молекулярными эпигенетическими причинами, которые приводят к дефектам в программировании развития и продолжающимся всю жизнь нарушениям экспрессии генов и функций клеток.
Как уже отмечалось выше, существует ряд чрезвычайно веских этических и организационных оснований, не позволяющих считать человека подходящим для проведения экспериментов объектом. К несчастью, исторические события иногда приобретают такой ужасный оборот, когда экспериментальные условия складываются стихийно, и в этих непредумышленных опытах целые общности людей принимают участие помимо своей воли. Одним из наиболее известных примеров такого рода стала уже упоминавшаяся во введении «Голландская голодная зима».
Это было время чудовищных лишений и существования на грани голодной смерти, когда нацисты в последнюю зиму Второй мировой войны блокировали поставки топлива и продовольствия в Нидерланды. Двадцать две тысячи человек погибли от голода, а те, кому еще удавалось выживать, в отчаянии поедали все, что только могли отыскать, от луковиц тюльпанов до останков животных. Столь крайняя нужда привела к появлению уникальной для проведения научных исследований популяции. Люди, пережившие Голландскую голодную зиму, представляли собой четко очерченную группу индивидуумов, недостаточно питавшихся в строго определенный период времени, границы которого были абсолютно одинаковыми для всех.
Одним из первых вопросов, на которые обратили внимание исследователи, стало определение влияния недостаточного питания беременных в течение голодной зимы на массу тела новорожденных детей. Если мать хорошо питалась в период зачатия и недоедала лишь в последние несколько месяцев беременности, то ее ребенок с большой долей вероятности рождался с массой тела и ростом ниже нормы. С другой стороны, если мать получала недостаточное питание только в первые три месяца беременности (поскольку ребенок был зачат ближе к концу голодной зимы), а затем питалась полноценно, то масса тела ее новорожденного малыша в большинстве случаев соответствовала норме. Плод в утробе успевал «нагнать» массу, так как зародыш наиболее быстро растет именно в последние несколько месяцев беременности.