Это встречающееся у человека явление, равно как и эксперименты с мышами, невозможно объяснить моделью, опирающейся только на код ДНК, в которой ДНК является голой молекулой, несущей лишь информацию, зашифрованную в последовательности пар оснований А, Ц, Г и Т. Сама ДНК не несет в себе всю необходимую для создания новой жизни информацию. Кроме генетической информации, для этого требуется нечто еще. Нечто эпигенетическое.
Яйцеклетки и сперматозоиды — в высшей степени специфические клетки, они располагаются на самом дне одной из уоддинпоновских впадин. Яйцеклетка и сперматозоид никогда не смогут стать какими-либо другими клетками и всегда будут оставаться только яйцеклеткой и сперматозоидом. Они могут только слиться между собой. Слившись, эти две высокоспециализированные клетки образуют одну клетку, которая настолько неспециализированная, что является тотипотентной и дает начало каждой клетке человеческого организма, равно как и плаценте. Это зигота, располагающаяся на самой вершине эпигенетического ландшафта Уоддингтона. По мере целения этой зиготы клетки становятся все более и более специфическими, образуя все ткани нашего организма. Из некоторых этих тканей в конечном итоге формируются яйцеклетки или сперматозоиды (в зависимости, понятно, от нашего пола), и весь цикл готов повториться вновь. Это в полном смысле слова непрекращающийся цикл биологии развития.
Хромосомы в пронуклеусах сперматозоидов и яйцеклеток несут в себе огромное количество эпигенетических модификаций. Они являются частью того механизма, который заставляет гаметы вести себя, как надлежит гаметам, и не превращаться в клетки других типов. Но эти гаметы неспособны передавать дальше свои эпигенетические схемы, так как в противном случае оплодотворенная зигота стала бы неким гибридом, состоящим наполовину из сперматозоида и наполовину из яйцеклетки, чего в действительности, как мы понимаем, не происходит. Это совершенно отличная и от сперматозоида, и от яйцеклетки тотипотентная клетка, дающая начало абсолютно новому индивидууму. Каким-то образом модификации яйцеклеток и сперматозоидов преобразуются в принципиально иной набор модификаций, направляющий оплодотворенную яйцеклетку в иное клеточное состояние, на новое место уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. И это часть нормального развития.
Почти мгновенно после того как сперматозоид проникает в яйцеклетку, в ней начинают осуществляться разительные превращения. Почти все метилирование мужского пронуклеуса ДНК (то есть полученное от сперматозоида) стирается, и происходит это невероятно быстро. Такие же изменения претерпевает и ДНК женского пронуклеуса, хотя и протекают они намного медленнее. Это означает, что большая часть эпигенетической памяти удаляется из генома. Это жизненно важно для того, чтобы зигота оказалась на вершине уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. Зигота начинает делиться и вскоре образует бластоцисту — «мячик для гольфа внутри теннисного мяча» из Главы 2. Клетки «в мячике для гольфа» — внутриклеточная масса или ВКМ — плюрипотентные, те самые, из которых в лабораторных условиях получают эмбриональные стволовые клетки.
Клетки ВКМ вскоре начинают дифференцироваться и образовывать клетки различных типов нашего организма. Это происходит в процессе предельно жестко регулируемой экспрессии некоторых ключевых генов. Какой-нибудь специфический белок, например ОСТ4, активирует другой набор генов, что приводит к следующей ступени генной экспрессии, и так далее. Мы уже встречались с ocmt4 — это важнейший из генов, которые использовал профессор Яманака для перепрограммирования соматических клеток. Такая каскадная экспрессия генов вызывает эпигенетическую модификацию генома, меняя метки на ДНК и гистонах так, чтобы одни гены оставались активированными, а другие репрессировались. Вот в какой последовательности происходят эпигенетические события на самых ранних этапах развития:
1. Мужской и женский пронуклеусы (из сперматозоида и яйцеклетки соответственно) несут эпигенетические модификации;
2. Эпигенетические модификации утрачиваются (в зиготе сразу же после оплодотворения);
3. Новые эпигенетические модификации занимают их место (и клетки начинают специализироваться).
Это, конечно, существенно упрощенная модель. Несомненно, что ученые могут выделить несколько стадий деметилирования ДНК, имеющих место на втором этапе нашего списка. Однако в действительности все происходит еще намного сложнее, особенно в части, касающейся гистоновых модификаций. Пока одни гистоновые модификации удаляются, другие устанавливаются. В то же время, когда удаляется репрессивное метилирование ДНК, вместе с ним также стираются и определенные гистоновые метки, подавляющие генную экспрессию. Их место могут занять другие гистоновые модификации, которые повышают экспрессию генов. Поэтому было бы слишком наивно полагать, что эпигенетические изменения подразумевают лишь удаление одних и установление других эпигенетических модификаций. В действительности перепрограммируется сам геном.
Именно перепрограммированием занимался Джон Гердон в своих фундаментальных экспериментах, когда переносил ядра взрослых лягушек в лягушачьи икринки. Именно перепрограммирование имело место, когда Кит Кэмпбелл и Иэи Вилмут клонировали овечку Долли, перенеся ядро из клетки молочной железы в яйцеклетку. Именно перепрограммирование осуществил Яманака, когда ввел в соматические клетки четыре ключевых гена, каждый из которых нес информацию о белках с естественно высоким уровнем экспрессии.
Яйцеклетка — удивительная штука, оттачивавшаяся свои качества на протяжении сотен миллионов лет эволюционного развития, чтобы превратиться в чрезвычайно эффективный механизм генерирования огромных количеств эпигенетических изменений, затрагивающих миллиарды пар оснований. Ни один из искусственных способов перепрограммирования клеток не способен даже приблизиться к этому естественному процессу, если вести речь о его скорости и продуктивности. Но яйцеклетка не проделывает все это самостоятельно. По крайней мере, мужской пронуклеус поддается перепрограммированию относительно легко только благодаря модели эпигенетических модификаций, заложенной в сперматозоиде. Перепрограммирование генома сперматозоида — важнейшая и первоочередная задача[58].
К несчастью, эти первичные хроматиновые модификации (как и многие другие функции ядра сперматозоида) утрачиваются, если взрослое ядро перепрограммируется при введении его в оплодотворенную яйцеклетку. То же самое происходит, и когда взрослое ядро перепрограммируется при обработке его четырьмя факторами Яманаки для создания iPS клеток. В обоих случаях полная перезагрузка эпигенома взрослого ядра представляет собой слишком сложную задачу.
Возможно, как раз в этом и заключается причина того, что очень многим клонированным животным свойственны разного рода аномалии и короткая продолжительность жизни. Отклонения, наблюдаемые у таких клонированных животных, являются еще одним подтверждением того, что если ранние эпигенетические модификации окажутся неверными, то таковыми они могут остаться на всю жизнь. Аномальные схемы эпигенетических модификаций приводят к неизменно ошибочной экспрессии генов и, как следствие, к постоянно слабому здоровью.
При нормальном раннем развитии перепрограммирование генома меняет эпигеном гамет и создает новый эгшгеном зиготы. Это создает условия для замены схем экспрессии генов яйцеклетки и сперматозоида схемами экспрессии генов зиготы и переходу на следующий этап развития. Но и при таком перепрограммировании возможны отклонения. Клетки могут аккумулировать неподходящие или аномальные эпигенетические модификации у различных генов. Это нарушает нормальную экспрессию генов и может стать причиной болезни, в чем мы убедимся ниже. Перепрограммирование яйцеклетки и сперматозоида не позволяет им передавать от родителей потомству какие бы то ни было нежелательные эпигенетические модификации, которые они аккумулировали. Происходит не то что бы полное удаление операционной системы, а скорее ее переустановка.
Но при этом возникает парадокс. Эксперименты Азима Сурани показали, что мужской и женский пронуклеусы функционально неэквивалентны; для появления нового млекопитающего всегда необходим и тот, и другой. Это называется эффектом исходного родителя, поскольку, по сути, он означает, что каким-то образом зигота и ее дочерние клетки способны различать хромосомы матери и отца. Это не генетический, а эпигенетический эффект, поэтому должны быть некие эпигенетические модификации, которые действительно передаются от одного поколения другому.
В 1987 году исследователи из лаборатории Сурани опубликовали одну из первых статей о попытках обнаружить такой механизм. Они выдвинули предположение, что эффект исходного родителя может быть вызван метилированием ДНК. На тот момент известно было лишь о хроматиновой модификации, поэтому их гипотеза стала отличной отправной точкой для дальнейших исследований. Ученые создали генетически модифицированных мышей. Эти мыши отличались наличием дополнительного участка ДНК, который мог вводиться случайным образом в любое место генома. Последовательность ДНК в этом дополнительном участке не представляла для исследователей особого интереса. Куда более важным было то, что они могли легко измерить, насколько сильно метилирована ДНК на этой последовательности, и точно ли передается этот уровень метилирования от родителя потомству.
Азим Сурани с сотрудниками исследовали семь линий мышей с этим избирательно вводимым участком ДНК. В шести линиях уровни метилирования введенной ДНК, переходя от поколения к поколению, оставались прежними. Но в седьмой линии произошло нечто очень странное. Когда мать передавала введенную ДНК, то у ее потомства та всегда оказывалась сильно метилированной. Но если она переходила к потомству от отца, у следующего поколения мышат неизменно был низкий уровень метилирования этого участка ДНК. Графически это представлено на рисунке 7.3.