Тем самым Джон Гердон показал, что, несмотря на присутствие в клетках некоего механизма, способного поддерживать определенные гены в активированном или репрессированном состоянии в разных типах клеток, этот механизм, как бы он не действовал, не приводил к утрате или необратимой репрессии генетического материала. Когда Гердон помещал взрослое ядро в соответствующую среду — в данном случае, в «пустую» неоплодотворенную яйцеклетку, то это ядро напрочь «забывало», к какому клеточному типу принадлежало раньше. Оно вновь становилось наивным ядром эмбриона, чтобы опять с нуля начать собственный процесс развития.
На вопрос о том, чем же является этот механизм, и отвечает эпигенетика. Предмет исследований этой отрасли биологии развития заключается в изучении того, как ведут себя гены в ДНК, иногда на протяжении многих сотен циклов клеточных делений, и каким образом клетки наследуют определенные особенности своих «родителей». Эпигенетические модификации программы развития не оказывают влияния на генетический код, они не затрагивают его ни с какой стороны и программируют клетки на десятилетия вперед. Но при определенных обстоятельствах этот слой эпигенетической информации может быть удален, и под ним обнаружится все та же «белая и пушистая» последовательность ДНК, которая никуда и не девалась. Именно это и происходило, когда Джон Гердон помещал ядра полностью дифференцированных клеток в неоплодотворенные яйцеклетки.
Знал ли Джон Гердон механизм этого процесса, создавая новых лягушат? Нет. Становится ли от этого его открытие менее значимым? Нисколько. Дарвину абсолютно ничего не было известно о генах, когда он разрабатывал теорию эволюции, основываясь на изучении законов естественного отбора. Мендель ничего не знал о ДНК, когда в саду одного из австрийских монастырей развивал идею о наследственных факторах, передающих «истину» от одного поколения горошка другому. Это не имеет никакого значения. Они увидели то, что прежде не удавалось увидеть никому, и благодаря им мы вдруг получили возможность совершенно иначе взглянуть на окружающий мир.
Как это ни удивительно, но, когда Джон Гердон занимался этой работой, уже существовала некая концептуальная основа эпигенетики. Отправьтесь на любую конференцию, в названии которой присутствует слово «эпигенетика», и рано или поздно кто-либо из докладчиков непременно сошлется в своем выступлении на так называемый «эпигенетический ландшафт Уоддингтона». Он представит на ваше обозрение крупнозернистый рисунок, показанный на рисунке 1.1.
Рис. 1.1. Графическое изображение эпигенетического ландшафта, выполненное Конрадом Уоддингтоном. Положение шарика отражает вероятные судьбы различных клеток
Конрад Уоддингтон был в высшей степени выдающимся британским эрудитом. Он родился в 1903 году в Индии, однако для получения школьного образования был отправлен в Англию. Выпускник Кембриджа, он большую часть своей жизни проработал в университете Эдинбурга. Его научные интересы были поистине безграничны и варьировались от биологии развития до изобразительных искусств, от философии до перекрестного оплодотворения, и едва ли не в каждой из этих отраслей знаний он стал первооткрывателем новых путей в их изучении.
Свой образный эпигенетический ландшафт Уоддингтон представил в 1957 году для иллюстрации концепций биологии развития[7].
Выполненный им рисунок заслуживает того, чтобы остановиться на нем подробнее. Как вы видите, на вершине холма располагается шарик. Начиная скатываться с возвышенности, он может направиться по одному из нескольких желобов, ведущих к подножью холма. Визуально мы легко можем представить себе этот процесс, поскольку в детстве каждому из нас не раз приходилось катать мячики по горкам, ступеням и т. д.
Что нам сразу же приходит в голову, когда мы видим рисунок уоддингтоновского ландшафта? Мы понимаем, что как только шарик достигнет низшей точки, то он, вероятно, так в ней и останется, если мы не будем его трогать. Мы знаем, что закатить шарик наверх будет намного сложнее, чем отправить его сверху вниз. Кроме того, мы осознаем, что перекатить шарик из одного желоба в другой также будет довольно обременительно. Пожалуй, легче будет частично или полностью снова подкатить его к верхней точке, чтобы затем направить вниз по новому руслу, чем пытаться перекатить из одной выемки в другую через разделяющий их «хребет». И наша задача усложнится многократно, если два интересующих нас желоба разделены более чем одним холмом.
Этот образ чрезвычайно полезен для зрительного представления того, что может случиться в процессе развития клетки. Шарик на вершине холма — это зигота, начальная клетка, возникающая в результате слияния одного сперматозоида и одной яйцеклетки. Когда различные клетки организма начинают дифференцироваться (становиться более специфичными), каждую из них мы можем сравнить с шариком, катящимся по склону холма и направляющимся по одному из желобов. Достигнув конечной точки своего движения, каждый шарик так в нем и остается. Если не случится нечто действительно экстраординарное, определенная клетка никогда не превратится в клетку другого типа (не перепрыгнет через барьер в соседнюю ложбину). Точно также и не направится она вверх, к вершине холма, чтобы снова скатиться с него и дать начало клеткам самых разнообразных типов.
Ландшафт Уоддингтона, подобно навигационной рукоятке путешественника во времени, на первый взгляд кажется всего лишь еще одним описанием. Однако это не просто описание, а модель, помогающая нам нащупать новые способы мышления. Как и очень многие ученые, упоминавшиеся в этой главе, Уоддингтон не знал принципов действия этою механизма, но неужели это имеет какое-то значение? Он предоставил нам новый и очень эффективный способ осмысления проблемы.
Эксперименты Джона Гердона показали, что иногда, если у него получалось достаточно поднатужиться, ему удавалось закатить клетку со дна ложбины у основания холма на самую вершину этого холма. Оттуда она могла снова скатиться вниз и опять превратиться в клетку любого типа. И каждая лягушка, созданная Джоном Гердоном и его командой, учила нас двум важным вещам. Во-первых, тому, что клонирование — воссоздание живого организма из клеток взрослой особи — возможно, поскольку именно его Гердон и осуществил. Во-вторых, мы узнали, что клонирование — чрезвычайно сложный процесс, так как для появления каждого лягушонка ученому приходилось выполнить сотни ПЯСК.
Вот почему такой фурор был произведен в 1996 году, когда Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут из Рослинского института впервые в истории клонировали млекопитающее, овцу Долли[8]. Как и Джон Гердон, они воспользовались ПЯСКом. В случае Долли ученые перенесли ядро из клетки молочной железы взрослой овцы в неоплодотворенную яйцеклетку овцы, предварительно удалив из него собственное ядро. Затем они поместили ее в матку овцы-реципиента. Настойчивость, которую пионеры клонирования проявили в своей работе, трудно назвать иначе, чем маниакальной. Кэмпбелл и Вилмут выполнили не менее трехсот пересадок ядра, прежде чем были вознаграждены рождением того легендарного животного, которое ныне вращается в стеклянном кубе в Королевском шотландском музее Эдинбурга. Даже сегодня, когда уже были клонированы самые разнообразные животные — от скаковых лошадей до племенного крупного рогатого скота и от декоративных пород собак до домашних кошек, — этот процесс все еще чрезвычайно малоэффективен.
Два вопроса продолжают оставаться в высшей степени актуальными с той поры, когда Долли шагнула в анналы истории на своих слабых трясущихся ножках, которым вскоре предстояло ощутить на себе все тяготы преждевременного артрита. Первый:: по каким причинам процесс клонирования животных настолько малоэффективен? И второй: почему полученные в результате клонирования животные отличаются значительно менее крепким здоровьем, чем их родственники, появившиеся на свет естественным путем? Ключом к ответам на оба эти вопроса является эпигенетика, и ключ этот лежит в области молекулярной биологии, в чем мы убедимся в ходе наших дальнейших исследований этой темы. Пока же последуем примеру путешественника во времени Г. Дж. Уэллса и, оставив Джона Гердона в Кембридже, перенесемся на тридцать с лишним лет вперед в японскую лабораторию, где некий не менее настойчивый ученый обнаружил совершенно иной способ клонирования животных из взрослых клеток.
Глава 2. Как мы учились катиться в гору
Любой изобретательный дурак способен запутать и усложнить все что угодно… А вот чтобы двигаться в противоположном направлении, требуется искра гениальности и очень много мужества.
Итак, перепрыгнем почти через сорок лет, минувших с открытия Джона Гердона, и десятилетие после рождения Долли. Мы видим, что газеты просто переполнены публикациями о клонированных млекопитающих, и из-за их обилия создается впечатление, что эта процедура стала простой и рутинной. В действительности же процесс создания клонов путем переноса ядра продолжает оставаться чрезвычайно длительным и трудоемким и, соответственно, требующим существенных финансовых затрат. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, в значительной степени обусловлены тем, что им приходится вручную переносить соматические ядра в яйцеклетки. Кроме того, в отличие от амфибий, с которыми имел дело Джон Гердон, млекопитающие не производят одновременно яйцеклетки в больших количествах. Также усложняет их задачу и то, что яйцеклетки млекопитающих необходимо с предельной осторожностью извлекать из организма, поскольку сами собой они в аквариуме не оказываются, как это было с лягушачьей икрой. Яйцеклетки млекопитающих нуждаются в постоянном уходе и внимании, чтобы оставаться не просто живыми, но и здоровыми. Исследователи должны были вручную извлечь ядро из яйцеклетки, ввести ядро взрослой клетки (ничего при этом не повредив), но прежде чем имплантировать эту клетку в матку другой женской особи, необходимо было культивировать ее с максимальной осторожностью. Это невероятно напряженная и трудоемкая работа, причем каждый раз может быть пересажена лишь одна-единственная клетка.