Разумеется, эта ДНК не бесполезна. Некодирующая ДНК должна выполнять какую-то функцию — явно важную, — даже если она не кодирует белки. Помимо прочего, она может соответствовать нитям РНК, с которых не считываются белки, но которые влияют на работу клетки. Судя по количеству такой ДНК, управлять клеткой гораздо сложнее, чем управлять человеческим телом. Но, чтобы понять, как все это работает, нам нужно более подробно описать, что происходит в ядре клетки, где содержится ДНК.
Диаметр клеточного ядра — всего около 10 мкм (то есть 0,01 мм). В каждой клетке вашего тела общая длина всех молекул ДНК составляет примерно 1,8 м. Все это упаковано в 46 крошечных цилиндров (23 пары хромосом) суммарной длиной 0,2 мм. Другими словами, длина ДНК в упакованном виде составляет примерно одну десятитысячную от ее «действительной» длины.
Происходит это следующим образом. Существует целая группа белков — гистонов, из которых собран каркас, вокруг которого закручивается и компактно упаковывается ДНК. Восемь гистонов соединяются вместе, образуя своего рода бусину (которая называется «нуклеосома»), и нить ДНК дважды обвивается вокруг этой бусины, как веревка вокруг баскетбольного мяча. Еще один гистон садится на нити ДНК сверху и фиксирует положение этих витков. По обеим сторонам бусины короткий разделительный («спейсерный») участок ДНК обеспечивает соединение со следующей нуклеосомой; так как это соединение является гибким, вся цепочка таких бусин-нуклеосом сворачивается в компактную структуру, которая затем в процессе «сверхспирализации» может свернуться в еще более компактную структуру. Это настоящий шедевр упаковочного искусства. Но все это также означает, что, когда клетке требуется получить доступ к определенному фрагменту генетической информации, соответствующий участок ДНК должен распаковаться ровно настолько, чтобы информацию можно было скопировать на матричную РНК, а затем аккуратно запаковаться обратно. Оказалось, что гистоны не просто образуют каркас, но еще и отвечают за то, как происходит распаковка, считывание и обратная запаковка генов. На данный момент выявлено более пятидесяти типов работы гистонов, некоторые из которых сводятся к активации считывания генов, тогда как другие затрудняют его или оказывают менее явное воздействие. Исследования в этой области продолжаются, но для наших целей достаточно знать, что гистоны участвуют в активации и подавлении экспрессии генов.
Еще один клеточный механизм также контролирует активность генов. Он называется «метилирование», потому что в нем задействованы химические фрагменты, известные как метильные группы. Они возникают тогда, когда «метильный радикал» (CH3) прикрепляется к нитям ДНК в тех местах, где рядом располагаются основания цитозин и гуанин. Метилирование обычно выступает в роли «выключателя» для гена, поэтому во многих случаях ген может активироваться посредством деметилирования[60].
Благодаря метилированию современные ученые смогли объяснить феномен, который в свое время озадачил Линнея. В 1740-х гг. Линней был шокирован, обнаружив разновидность растения, которое выглядело как льнянка обыкновенная, но с совершенно другими цветами. Это особенно взбудоражило Линнея, потому что его система классификации растений основывалась на внешнем виде цветов; он писал, что это было «не менее примечательно, чем если бы корова родила теленка с волчьей головой». В 1990-х гг. ботаник Энрико Коэн обнаружил, что в этих «монструозных» растениях определенный ген, который отвечает за строение цветка, покрыт массой метильных групп и неактивен. Это свойство передается через семена последующим поколениям.
Метилированию могут также подвергаться молекулы РНК, а кроме того, есть немного более загадочный механизм, благодаря которому нити РНК, которые плавают внутри клетки, модифицируют гистоны или влияют на экспрессию генов. Хотя все эти процессы изучены далеко не полностью, очевидно, что геном не всегда активен одинаковым образом, и, несмотря на то что «книга жизни» остается неизменной, то, какие ее фрагменты будут прочитаны и использованы в качестве руководства к действию, зависит от обстоятельств, в которых оказывается клетка, — от окружающей среды. Процесс выбора таких фрагментов называется эпигенетикой[61]; общепринятого определения этого термина на данный момент не существует, но нам это не особо важно.
Один эксперимент с мышами демонстрирует, как может происходить этот процесс. Существует порода мышей с интересным окрасом шерсти, который контролируется одним геном под названием агути, или сокращенно а. У обычных мышей агути шерсть черная у корней, желтая посредине и черная на кончике волосков, потому что ген а активируется только в середине процесса роста шерсти. Но существует мутантная линия, в которой потомство одной пары родителей из одного помета может иметь разный окрас шерсти — иногда полностью желтый, иногда полностью черный, а иногда промежуточных оттенков. Причем доля разных типов окраса среди потомства меняется, когда беременных мышей кормят пищей, богатой источниками метильных групп. Питание матерей напрямую влияет на цвет шерсти детенышей, выключая (целиком или частично) ген а. Такие эксперименты, естественно, нельзя проводить на людях в научных лабораториях. Но пара исторических примеров доказывает не только то, что диета беременных женщин может влиять на работу генов их детей, но и то, что эти эффекты, к огромному удивлению биологов, могут передаваться последующим поколениям, то есть наследоваться. Еще более поразительным открытием стало то, что похожий эффект наблюдается, когда необычное питание получают отцы.
Мрачным примером влияния эпигенетики являются события, произошедшие в конце Второй мировой войны, зимой 1944 г. В ответ на объявленную голландскими железнодорожниками забастовку и преждевременное ликование местных жителей, которые ошибочно посчитали, что их скоро освободят наступающие армии союзников, власти нацистской Германии намеренно создали дефицит продовольствия в оккупированных ими Нидерландах. Ситуацию усугубили необычно суровые морозы. Во время этой так называемой Голодной зимы около 4,5 млн человек получали всего по 580 калорий в день, и более 22 000 из них умерли от голода. Поскольку в Нидерландах была хорошо развита система здравоохранения и медицинского учета, вследствие этого незапланированного «эксперимента» ученые получили доступ к значительному массиву данных и изучили влияние голода на детей, родившихся после него.
Прежде всего выяснилось, что если мать хорошо питалась в первые несколько месяцев после зачатия, но голодала на более поздних стадиях беременности, то ребенок, вероятнее всего, рождался с небольшим весом. Но если она голодала в первые три месяца беременности, а затем питалась нормально, то ребенок рождался с нормальным весом. Эти дети как бы догоняли «нормальное» развитие и быстрее росли в утробе, когда еды становилось достаточно. Эта закономерность сохранялась и после рождения. Дети, родившиеся с низким весом, оставались маленькими, но многие из детей, которые пережили скачок запоздалого роста в утробе матери, в более позднем возрасте страдали ожирением, как если бы их организм по-прежнему пытался компенсировать недоедание на ранней стадии эмбрионального развития. Кроме того, такие люди с избыточным весом также страдали от различных болезней (в том числе от шизофрении), которые реже встречались у людей с недостаточным весом. Явно, что нечто произошедшее на ранних стадиях эмбрионального развития оказало воздействие не на сам генетический код, а на то, как этот код реализовывался. Само по себе это было неудивительно, но действительно удивительным стало то, что этот эффект передался дальше — дети детей с недостаточным весом (внуки матерей, переживших Голодную зиму во второй половине беременности) также имели недостаточный вес, хотя они и их матери хорошо питались. Когда биологи захотели узнать, что происходит, они провели аналогичный эксперимент на червях. Он подтвердил, что такое голодание может сказываться на последующих поколениях — что эпигенетический фактор может передаваться по наследству.
Этот конкретный эффект был связан не с метилированием, а с активностью коротких молекул РНК, которые также влияют на экспрессию генов. Некоторые такие молекулы, которые теперь называются «реагирующие на голод малые РНК», воздействуют на то, как клетки усваивают питательные вещества в условиях нехватки пищи. Если эта ответная реакция была запущена, то она продолжала действовать как минимум в трех поколениях червей, даже если их потомство не голодало. Затем было сделано еще одно потрясающее открытие. Легко понять, что питание женщины влияет на развитие ребенка в ее утробе, даже если и удивительно, что последствия такого влияния передаются последующим поколениям. Но никто не предполагал, что питание отцов влияет на детей аналогичным образом. Тем не менее сегодня это установленный факт. Это подтвердил анализ сведений о другом голоде, или череде голодных лет, в изолированной общине на севере Швеции в конце XIX и в начале XX в. Эта община периодически переживала смену урожайных и неурожайных лет, и ее члены, которые страдали от голода, естественно были склонны переедать в сытые годы.
На этот раз медицинские данные охватывали несколько поколений потомков людей, переживших голодные годы. Оказалось, что существует связь между состоянием здоровья этих потомков и доступностью пищи для их предков мужского пола в предподростковом возрасте, во время так называемого периода медленного роста (ПМР), который является нормальной стадией развития непосредственно перед половым созреванием. Если мальчик недоедал во время ПМР, то его внуки, как правило, были меньше предрасположены к смерти от инсульта, гипертонии и сердечных заболеваний. Но если мальчик обильно питался, особенно мясом и молочными продуктами, и переедал во время ПМР, его внуки гораздо чаще страдали ожирением и диабетом, а их продолжительность жизни была примерно на шесть лет меньше, чем у внук