[64], при изучении рисунка линий и завитков оказывается, что отпечатки пальцев однояйцевых близнецов не совпадают. Более того, запах у них тоже отличается. Хорошо натренированные собаки-ищейки могут легко различить запахи однояйцевых близнецов, даже если те живут в одном доме и едят одинаковую пищу[65]. Это общеизвестно. Генетически идентичные близнецы, выросшие в одной семье, все равно отличаются как физически, так и поведением. Пожалуй, лучшей иллюстрацией служит то, что супруга (супругу) одного однояйцевого близнеца редко привлекает второй. И такое отсутствие влечения взаимно: мало кого из однояйцевых близнецов привлекает партнер брата (сестры)[66].
Так почему же однояйцевые близнецы (или собаки), выросшие вместе, не похожи друг на друга в той степени, как должны были бы? Вспомните, что близнецовый метод предполагает три главных фактора, влияющих на характеристики: наследственность, общую и индивидуальную среду. В случае с однояйцевыми близнецами, выросшими вместе, разница в первых двух факторах равна нулю. Значит ли это, что индивидуальная среда отвечает за все различия в признаках? Не совсем. Правда в том, что “индивидуальная среда” – это термин, включающий множество факторов, и некоторые из них мы даже не сочтем “опытом”.
Один из таких важных факторов – неизбежная случайность развития организма, в особенности нервной системы. Это не “опыт” и не “среда”, как мы обычно думаем, – нечто, определяющее индивидуальность снаружи, вроде социального опыта и вирусной инфекции. Скорее, случайность развития свойственна самому организму. Во время развития человеческий мозг производит около 200 млрд нейронов, из которых около сотни миллиардов выживают на раннем этапе жизни. В мозге взрослого каждый из этой выжившей сотни миллиардов нейронов создает примерно 5000 синаптических соединений с другими нейронами. Эти 500 трлн синапсов возникают не случайным образом. Сигналы от сетчатки должны поступить в центры визуальной обработки в мозге, а сигналы от частей мозга, инициирующих движения, должны найти путь к соответствующим мышцам, и т. д. Главная биологическая проблема в том, что человеческий мозг настолько огромен и сложен, что его строение невозможно точно задать последовательностью индивидуальной ДНК[67]. Мелкие и случайные изменения в числе, положении, биомеханической активности или движении клеток в развивающейся нервной системе могут со временем привести к существенной разнице в нервных тканях и функциях у однояйцевых близнецов, растущих вместе. Как прекрасно сформулировал нейрогенетик Кевин Митчелл, “если меня или вас сотню раз клонировать, в результате получатся сто новых людей, каждый со своими особенностями”[68].
Можно предположить, что различия между однояйцевыми близнецами, возникающие за счет индивидуального опыта или случайности развития, влияют на время или картину экспрессии генов в разных клетках организма. Да, иногда это действительно так. Например, один из химических процессов, регулирующих экспрессию гена, – это метилирование ДНК и перенос химических ацетильных групп (C2H3O) к белкам гистонам (ацетилирование гистонов). Если сравнить этот процесс у однояйцевых близнецов, мы обнаружим, что близнецы очень похожи на раннем этапе жизни, но по мере взросления у них накапливается все больше эпигенетических различий, приводящих к тому, что профили их генной экспрессии постепенно расходятся[69]. Это звучит настолько убедительно, что возникает соблазн объяснять влияние опыта на индивидуальность исключительно регуляцией экспрессии генов. Но это не так. Есть другие важные аспекты индивидуального опыта, полностью независимые от регулирования экспрессии генов.
Как и всех биологов моего поколения, меня учили, что соматические клетки (все клетки тела за исключением яйцеклеток и спермы) генетически идентичны. Таким образом, разница между клетками возникает из-за различных паттернов генной экспрессии, которые определяются в процессе развития и при получении опыта. Именно это делает клетки печени отличающимися от клеток кожи, хотя, предположительно, в обеих имеется одна и та же последовательность ДНК.
До недавнего времени для чтения ДНК нужно было собрать ее очень много: взять кровь или соскоб со щеки и смешать ДНК из множества разных клеток, прежде чем приступить к секвенированию. Однако не так давно стало возможным прочитать всю последовательность ДНК, все 3 млрд нуклеотидов, по единственной клетке, например клетке кожи или нейрону. Обладая такой технологией, Кристофер Уолш и его коллеги из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы изолировали 36 индивидуальных нейронов из здорового мозга трех человек (посмертно) и определили полную генетическую последовательность каждой клетки[70]. Оказалось, что нет двух нейронов с совершенно одинаковой последовательностью ДНК. В каждом нейроне в среднем имеется около 1500 мутаций в отдельных нуклеотидах. Полторы тысячи нуклеотидов из 3 млрд всего генома – это совсем немного, но такие мутации могут иметь важные последствия. Например, одна мутация обнаружилась в гене, который управляет созданием белка ионного канала, имеющего ключевое значение для электрической активности нейронов. Если эта мутация присутствовала бы в группе нейронов, а не в одном, она могла бы вызвать эпилепсию. Другая находилась в гене, связанном с более высокой заболеваемостью шизофренией. В этом отношении в мозге нет ничего особенного. Каждая клетка тела аккумулирует мутации, и, таким образом, каждая клетка имеет немного иной геном. Этот феномен называется мозаицизмом, и когда он происходит не в сперме и яйцеклетках, то называется соматическим мозаицизмом. Иногда соматический мозаицизм очевиден. Например, знаменитое родимое пятно на голове Михаила Горбачева – результат спонтанной соматической мутации в единственной исходной клетке, которая при делении образовала группу клеток с увеличенными капиллярами, так и получилось темное пятно на коже.
Жизнь начинается с одной клетки – только что оплодотворенной яйцеклетки с одним образцом генома. Во время развития – и в утробе, и в раннем детстве – клетки делятся снова и снова (рис. 5). Каждая клетка обладает большим потенциалом: одна клетка эмбриона, состоящего из 16 клеток, даст начало множеству разных тканей тела. С течением времени клетки и их потомство становятся более специализированными и могут порождать только клетки кожи или только клетки мозга. В итоге тело состоит из 37 трлн клеток, и все они происходят из единственной оплодотворенной яйцеклетки. Некоторые типы клеток, такие как клетки кожи, делятся всю вашу жизнь, заменяя отмершие. Другие, как большинство нейронов, достигая определенной точки в постнатальной жизни, перестают делиться[71]. Большинство соматических мутаций, изменяющих единственный нуклеотид, случаются в клетке, которая не делится[72]. Мутации, возникающие во время деления, обычно бывают более серьезными и включают потерю, дупликацию или инверсию больших участков хромосом или даже целой хромосомы[73].
Когда Уолш и его коллеги изучали нейроны одного и того же человека, они иногда находили ту же мутацию в нескольких нейронах. В некоторых случаях эта группа нейронов находилась рядом, в одном отделе мозга. В других случаях они были рассеяны по разным отделам. Такие же мутации, как и в клетках мозга, были обнаружены и в единичных клетках сердца, печени и поджелудочной железы. Скорее всего, эти мутации имели общее происхождение. Поздние мутации обычно концентрируются в соседних клетках и с меньшей вероятностью могут изменить функции организма (если только эти мутации не запускают механизм деления клеток, приводящий к раку). А ранние мутации обнаруживаются в большем числе клеток и в разных частях тела.
У нас еще нет большого массива полностью секвенированных последовательностей ДНК отдельных нейронов человека, а имеющиеся в основном получены в результате вскрытия. Нам известно несколько случаев, когда в результате спонтанных соматических мутаций возникали серьезные неврологические заболевания, такие как увеличение одного полушария мозга (гемимегалэнцефалия)[74]. Почти наверняка часть по сей день неизученных неврологических заболеваний, таких как эпилепсия неизвестного происхождения, возникает в результате спонтанных соматических мутаций, влияющих на электрические функции группы нейронов. Также весьма вероятно, что соматический мозаицизм вносит свой вклад в индивидуальные различия восприятия и личностных характеристик, которые не имеют медицинского значения. Ваша индивидуальность, по меньшей мере отчасти, – это результат игры в кости, которые выбрасываются снова и снова по мере вашего развития, роста и старения. Эти случайные изменения уникальны для вас и не передаются детям, поскольку возникают не в яйцеклетках и сперматозоидах. Это соображение имеет важное терминологическое последствие. Слова “генетический” и “наследственный” часто используют как взаимозаменяемые, но это неверно. Соматические мутации суть генетические изменения, но они не наследуются и не передаются потомству.
Итак, мы состоим из 37 трлн клеток и у каждой свой геном. Такое трудно вообразить. Есть такая пословица: чтобы вырастить ребенка, нужна целая деревня. Однако выходит, что каждый ребенок – сам по себе целая деревня, нет, даже огромный мегаполис из родственных, но генетически уникальных клеток. Но все еще сложнее: иногда мегаполис принимает иммигрантов.